缸盖是发动机的重要部件。缸盖气门的运行温度非常高，频率非常快，承受载荷也很大，为了保证气门运行顺畅，气门导管和座圈通常采用合金铸铁或者粉末冶金材质制成，气门导管和座圈的压装质量和加工精度至关重要。
现在压装机可根据三种自身特点进行分类。一是根据自动化程度分类，分为半自动压装机和全自动压装机。半自动压装机导管和座圈采用弹夹式或者人工直接上料到压头，主要用于产能较少、节拍在5 min以上的生产线。全自动压装机采用振动料斗上料，压头自动衔料，用于生产节拍较快的生产线。二是根据压力源分类，分为伺服电缸、气液增压缸和油缸三类。其中伺服电缸的自动压力和位移监测的控制和调整比较方便，柔性好，缺点就是成本高。气液增压缸的压力通过气压调节，油缸压力通过液压调节，位移和压力监控通过增加位移传感器和压力传感器与PLC联合控制。气液增压缸运行平稳，占地小，而液压压力可调范围广，两者的总体成本相差不大。三是根据工艺冷却要求分类，有的需要液氮冷却，有的只需常温压装。液氮冷却由于尺寸变小，压装力较小，压装过程比较顺畅，不容易出现切边压裂等问题，但工艺成本会比较高。

发动机缸盖的要求及问题
1.产品要求
缸盖如图1所示，材质为AC4B，进气和排气各8个导管座圈，导管材质为5520，座圈材质为3010DL，进气侧位置在一条直线上，排气侧在另一条直线上，进气与排气导管座圈倾斜角度均为3°，如图2所示。

进排气侧导管配合D11（+0.056，+0.045）/（+0.018，0），进气座圈配合D30（+0.091,+0.075）/（+0.025,0)，导管压装深度公差±0.25 mm，座圈压到底，允许常温压装。
2.工艺要求
生产节拍为1 min，压装前对导管座圈底孔进行喷油工序，要求全自动压装，压装过程有压力和位移监控，实时监控压装深度是否达到图纸要求，压装力监控的目的是避免缺料、压偏、压裂或者过盈量异常等情况。压装后判断压装结果，并将结果写入工件TAG。
3.以往相关的设备问题
首先是变形问题。导管和座圈分别压装时，先以缸盖顶面及两销孔定位压装座圈，再以缸盖火力面及两销孔定位压装导管。压装时要在缸盖侧面增加受力支撑块，减小定位销剪切力，但压装后的顶面平面度变形也超过0.05 mm，底面两销孔位置也会增大，超过0.03 mm，因此设计采用导管和座圈同时压装，工件定位亦是火力面及两销，但受力支撑点移至弹簧座面。压装时缸盖局部受力，减少定位面和定位销变形。其次是压偏切边问题，设计时重点考虑压头需定位准确，调整方便，因此采用线性导轨作为导向，增加导轨垂直度要求，制作导向棒，用于检测位置是否可以达到精度要求。最后是压裂问题，系统具有压力监测系统便可以有效避免此问题发生。

压装机的设计
1.压装力计算
（1）导管压装力计算 最大过盈量δ=0.056，结合直径d=11 mm，结合长度L=37 mm；包容件缸盖材料弹性模量Ea=69 000 MPa，被包容件导管材料弹性模量Ei=180 000 MPa；摩擦副摩擦因数不涂油时u=0.2，系数Ca=2.5，Ci=1.825；计算的结合压力p=δ/d/（Ca/Ea+Ea/Ei）=110 MPa，压入力F=pδLu=28 kN，有润滑时压力为（0.2～0.5）F。
（2）座圈压装力（以进气座圈估算）计算  最大过盈量δ=0.091 mm，结合直径d=30 mm，结合长度L=14 mm；包容件缸盖材料弹性模量Ea=69 000 MPa，被包容件导管材料弹性模量Ei=180 000 MPa；摩擦副摩擦因数不涂油时u=0.2，系数Ca=4.9，Ci=4.2；计算的结合压力p=δ/d/（Ca/Ea+Ea/Ei）=32 MPa，压入力F=pδLu=8.5 kN，有润滑时压力为（0.2～0.5）F。
2.工序安排设计 
根据工艺节拍要求，压装机设计6个工位，包含1个上料工位、1个下料工位和4个导管与座圈压装工位，分别为进气压装2个工位和排气压装2个工位。
3.压装机机械结构设计
压装机主要由机架、输送机械手系统、喷油系统、进气压装系统、排气压装系统、振动上料系统、夹具、电控系统和气动系统组成。
（1）机架  包含2个缸盖上下料工位机架和4个单独压装工位机架，各机架通过螺栓连接。
（2）输送机械手系统  缸盖从上料到下料的输送，通过5个相连的机械手和4个压装工位升降滑台配合完成。机械手通过1个伺服电动机驱动，机械手配置缸盖定位和抱紧夹爪。
（3）压装系统  采用上下对压方式，以弹簧座面为受力点，减小缸盖变形。动力源采用液压缸，油压最大为21 MPa，导管压头行程150 mm，油缸缸径63 mm，行程180 mm，最大出力6.5 kN；座圈压头行程350 mm，油缸缸径63 mm，行程450 mm，最大出力65 kN。选择较大座圈压装油缸，因为压装过程中它需要作为导管压装油缸的平衡支撑。
（4）导管压杆  压杆与导管导向套配合完成压装。导向套的位置决定了压装的质量，所以导向套的位置必须精准，方便调整，压杆压装过程通过线轨导向。
（5）座圈压头  采用球形浮动结构，压装结束后，座圈尺寸会变小，压头与座圈配合直径留有0.1 mm间隙，便于压头退回。压头压装过程通过线轨导向，导向和定位精度比较高，压头支座位置要易于调整。导管压杆及座圈压头如图3所示。

（6）压力位移监控  导管压头连接杆与油缸之间安装压力传感器，在压头支座上安装位移传感器，座圈压头连接杆与油缸之间安装压力传感器，在压头支座上安装位移传感器。选用压力传感器测量载荷为50 kN，精度±0.03%，导管位移传感器测量量程为100 mm，座圈位移传感器测量量程为50 mm，精度±0.05%。压装过程中传感器实时采集数据，采样速度为800次/s，配置4个压配仪或者高性能触摸显示屏，根据采集数据，形成位移—压力趋势曲线，使用公差窗口或者上下限包络线技术分析监控压装过程，超过上下限时，停机并报警，对压装结果进行判定并记录保存压装位移和压装力，数据与工件编号绑定，写入工件TAG。
（7）夹具  进排压装夹具基本相同，缸盖采用一面两销，定位后进行气密检查，用于检测定位面是否有杂物等情况，确保压装前的缸盖位置准确，采用旋转气缸进行夹紧。进排气各有一个±3°的角度旋转，通过气缸推动夹具，绕旋转轴旋转到限位块位置，使座圈与导管孔对准相应压头。
（8）振动上料系统  设备配置1套导管和2套座圈振动送料装置，各带一套自动上料料道。通过机械或光电方式检测来实现导管和座圈姿态的判断和纠错，当料斗内工件不足时，将通过声光报警方式提示及时补料。导管采用气吹方式输送至料道，再用气缸推送导管至导管导向套，阀座采用推挤方式将工件输送至料道，再用气缸推送座圈至座圈夹爪。导管和阀座均备有手动上料料道，用于临时的工件补料。
（9）电控系统  包括1个输送机械手伺服电动机、4个夹具伺服移动电动机、2个滚道电动机、液压站、液压电磁阀、气动电磁阀、气缸和油缸位置传感器、工件到位气密性压力传感器、4个位移传感器、4个压力传感器及4组压配仪。针对控制要求选择合适的西门子S7-300PLC，并配置合适数量的模拟量输入输出和数字量输入输出点数。触摸屏配置为手动和自动操作方式，显示压力和位移数据及判定结果，可以设置和修改压力位移参数。
（10）气动系统  包括4个滑台升降气缸、4组夹具夹爪旋转压紧气缸、4组夹具旋转气缸、5组机械手抱紧气缸、4个导管推料气缸、4个座圈推料气缸和滚道停止器，全部采用双作用气缸，每个工位采用单独电磁阀岛控制。
4.压装动作及节拍计算
设备结构总图如图4所示。压装动作：①工件由夹具伺服移动至下料位用时1 s，各工位升降滑台上升用时1.5 s，输送机械手抱紧工件用时1 s，升降滑台下降用时1 s，输送机械手伺服移动至下一工位的上料位用时1.5 s，升降滑台上升用时1.5 s，输送机械手松开工件用时1 s，伺服滑台下降用时1 s，输送机械手退回用时1.5 s，一共占时11 s；②夹具夹爪旋转夹紧用时1 s，夹具摆动角度用时1 s；③夹具伺服移动至压装1～4号位用时1 s；④升降滑台上升至缸盖弹簧座面与导管导向套接触用时1.5 s；⑤座圈送料机构推送料给座圈夹爪，压头带座圈一起上升，压装座圈用时1.5 s；⑥导管座圈送料推杆推送导管至导管导向套，导管压头压装导管，保压用时4 s；⑦导管压头退回，座圈压头退回用时2 s；⑧升降滑台下降用时1 s，压装夹具伺服移动至下一个压装位置，重复③～⑧动作，直至1～4号位全部压装结束，一共占时44 s；⑨夹具回正用时1 s，夹紧松开用时1 s；⑩进入下一工位重复①～⑨动作，直至工件下线，总计节拍59 s。

5.设备验证
通过现场调试，对各压头位置度和垂直度精调，设备在原有的夹具摆动角度后增加了定位销锁紧，稳定性也非常好。工艺验证结果没有发现压装不到位、压偏、切边等问题，缸盖平面度和销孔位置基本控制在±0.05 mm和±0.03 mm范围内；压力和位移监控如图5所示，从图中可以看出设备只设置了1个公差窗口，且窗口设置较大，还需要再改善至3个窗口或者上下限包络线；导管座圈孔涂油之后导管压装力只需12 kN，座圈压装力只需4 kN。

6.设备总结
在前期设备调研和设备问题调查的基础上，经过合理的工艺工序设计和结构设计，在此设备制造完毕后，又经过精度调整和局部问题整改，基本满足了生产和工艺要求。