李欣星 ，黃 娟 ，肖鐵忠，羅 靜

(1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川省裝備制造業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)工程實驗室，四川 德陽 618000；2.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400054)

0 引言

發(fā)動機是汽車的心臟，是汽車的動力之源，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且各項性能要求高[1-2]。連桿是發(fā)動機的重要部件之一，其作用是將活塞的往復(fù)直線運動轉(zhuǎn)換為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動[3-4]。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，對發(fā)動機性能要求越來越高，促使連桿生產(chǎn)技術(shù)也在提高，主要體現(xiàn)在連桿尺寸公差、形位公差以及機械性能要求的提高[5]。雖然國內(nèi)的連桿產(chǎn)量已經(jīng)能滿足本土市場需求，但國產(chǎn)連桿的質(zhì)量以及加工效率卻遠沒達到令人滿意程度，使得精密連桿仍需要進口[6-7]。某企業(yè)現(xiàn)有某型號連桿需要大量生產(chǎn)，但企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備需多次裝夾及換刀，無法保證生產(chǎn)效率及加工精度要求，需重新設(shè)計工藝及裝備，滿足企業(yè)生產(chǎn)需要。針對上述問題，本文提出了一次裝夾、雙工位、多工件粗、精復(fù)合加工的全新工藝方案，并設(shè)計了機床結(jié)構(gòu)，通過實驗證明，新工藝及裝備既滿足了大批量生產(chǎn)的效率要求，又保證了產(chǎn)品的精度及合格率要求。

1 連桿大小頭孔工藝方案設(shè)計

1.1 加工技術(shù)要求

連桿大小頭孔精加工精度要求如圖1所示，主要精度要求總結(jié)如下：

(2)小頭孔的圓柱度與圓度均為0.005mm，大頭孔的圓柱度與圓度均為0.004mm，大、小頭孔中心線的平行度為0.04mm，大、小頭孔中心線相對于連桿側(cè)面的垂直度為0.04mm；

(3)大、小頭孔中心線的尺寸精度為112±0.011mm；

(4)大、小頭孔的表面粗糙度Ra=1.6μm。

圖1 連桿精鏜加工精度要求示意圖

1.2 工藝方案的確定

1.2.1 工藝的選擇

針對此連桿，企業(yè)提出的年生產(chǎn)綱領(lǐng)是40萬件，產(chǎn)品合格率為99.9%以上，由于大、小頭孔加工工序的精度要求均較高，小頭孔為IT7，大頭孔為IT6，加工時一般采用以下兩種方案：第一種是選擇高精度加工中心，第二種是針對此工序設(shè)計專用機床。

采用第一種方案時，其優(yōu)點是可以直接采用現(xiàn)有加工中心對其進行加工，加工精度高，但是缺點也較為明顯，主要體現(xiàn)為只能單軸單工位加工，粗、精加工工序需分離，加工效率低，成本高，完全無法滿足36萬件/年大批量生產(chǎn)的要求，故本工序不選擇加工中心；采用第二種方案即設(shè)計專用機床，其特點是可以將粗、精加工集中在一臺機床上，專用性強，加工精度及自動化程度高，從長期來講加工成本較低，生產(chǎn)效率高，適合高精度、大批量生產(chǎn)。綜上，本文選擇設(shè)計專用工藝及裝備完成大小頭孔的粗精加工。

1.2.2 工藝設(shè)計

連桿大小頭孔加工是連桿最重要的工序，連桿大小頭孔的尺寸精度、形位精度及表面粗糙度要求均較高，采用專用機床對其進行粗、精加工。通過分析認(rèn)為，如果采用單工位單工件將粗精加工分開，主要存在如下缺點：一是需要兩次裝夾，會提高廢品率及降低加工精度；二是需要設(shè)計兩臺專用機床，增加前期設(shè)備投入，提高生產(chǎn)成本；三是單工位單工件生產(chǎn)效率較低，無法滿足生產(chǎn)效率要求。故本文采用工序集中原則，將粗精加工工序集中在一臺機床上，同時，為有效提升生產(chǎn)效率，每個工位設(shè)置3個工件，具體的方案如圖2所示。具體工藝過程是：循環(huán)加工時，在機床前端處裝夾3副連桿毛坯(連桿1)，啟動機床，連桿1由圓形數(shù)控轉(zhuǎn)臺順時針(圖2俯視圖，下同)旋轉(zhuǎn)90°至左端，對連桿大小頭孔進行粗鏜加工，同時在前端處裝夾第2套3副連桿(連桿2)，完成后圓形數(shù)控轉(zhuǎn)臺再順時針旋轉(zhuǎn)90°，直至機床夾具上裝滿工件，在機床的左端與右端同時完成連桿的粗、精加工，同時在前端處卸下完成粗精加工的連桿，并裝夾毛坯，如此循環(huán)往復(fù)對工件進行加工。

(a)主視圖

(b)俯視圖

2 專用機床結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 機床布局

通過對工件工藝方法、精度要求及機床運動、自動化程度及生產(chǎn)效率等的分析[8-9]，確定了如圖3所示的布局方案。由圖3可知，機床主要由床身、數(shù)控滑臺、圓形數(shù)控轉(zhuǎn)臺、專用夾具、主軸箱、專用刀具、主軸電機、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、機床整體防護等組成。床身的左右端各設(shè)置一個數(shù)控滑臺，數(shù)控滑臺由兩個伺服電機分別驅(qū)動，構(gòu)成專用機床的進給運動和快移運動系統(tǒng)；在數(shù)控滑臺上端各設(shè)置一個專用主軸箱，主軸箱由變頻電機驅(qū)動，左端主軸箱設(shè)置連桿大小頭孔粗鏜刀具，右端主軸箱設(shè)置連桿大小頭孔精鏜刀具，構(gòu)成機床的主運動系統(tǒng)；在床身的中間設(shè)置圓形數(shù)控轉(zhuǎn)臺，其上設(shè)置專用夾具，夾具可以同時裝夾12副連桿；另外機床設(shè)置有冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及整體防護等。

1.床身 2、19.伺服電機 3、17.數(shù)控滑臺 4、16.主軸箱 5.同步帶 6、15.主軸電機 7.連桿大頭孔粗鏜刀具 8.連桿小頭孔粗鏜刀具 9.圓形數(shù)控轉(zhuǎn)臺 10.夾具體 11.夾緊機構(gòu) 12.數(shù)控面板 13.連 桿大頭孔精鏜刀具 14.連桿小頭孔精鏜刀具 18.防護罩圖3 專用機床結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 機床工作循環(huán)

人工在專用機床(如圖3所示)前端裝夾工件，啟動自動加工程序，兩主軸電機啟動，分別帶動兩個主軸旋轉(zhuǎn)，兩數(shù)控滑臺在伺服電機的驅(qū)動下使主軸箱快移至工進位置，然后工進，分別完成工件的粗、精加工，然后主軸箱快退至起始位置，圓形數(shù)控轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)90°，專用夾具前端夾緊機構(gòu)松開，人工卸下加工好的工件并裝夾新工件，夾緊機構(gòu)自動夾緊后再次啟動自動加工程序，完成工件的粗、精加工，退刀，人工下料并再次上料，如此循環(huán)往復(fù)，對工件進行粗、精加工。

2.3 機床關(guān)鍵零部件設(shè)計

2.3.1 專用夾具設(shè)計

工件加工時，姿態(tài)如圖4(主視圖)所示，大頭孔在上，小頭孔在下，由開有兩孔的定位平板及3個合理分布(如圖4主視圖)的導(dǎo)向定位機構(gòu)對工件進行完全定位，限制工件的6個自由度；同時，為保證加工過程中正確的定位位置不變，每個工件設(shè)置3個夾緊機構(gòu)(如圖5所示)，夾緊機構(gòu)由氣缸1、回轉(zhuǎn)導(dǎo)桿3、回轉(zhuǎn)導(dǎo)向套5、壓板6及橡膠壓頭7、圓柱導(dǎo)向銷8等組成。氣缸向上運動時，推動回轉(zhuǎn)導(dǎo)桿在回轉(zhuǎn)導(dǎo)向套內(nèi)向上運動的同時，在螺旋槽及圓柱導(dǎo)向銷的作用下按需要左/右旋轉(zhuǎn)，松開工件，方便工件定位裝夾及人工下料；工件正確定位后，氣缸向下運動，回轉(zhuǎn)導(dǎo)向桿向下運動并按需要左/右旋轉(zhuǎn)對工件進行夾緊，保證加工過程中工件的正確定位位置固定不變，順利正確的完成大小頭孔的精加工。

主視圖

1、6.工件 2.夾具底座 3、5、9.導(dǎo)向定位機構(gòu) 4、7、8.夾緊機構(gòu) 10.定位平板

圖4專用夾具結(jié)構(gòu)

1.氣缸 2.夾具體 3.回轉(zhuǎn)導(dǎo)桿 4.螺旋槽 5.回轉(zhuǎn)導(dǎo)向套 6.壓板 7.橡膠壓頭 8.圓柱 導(dǎo)向銷圖5 夾緊機構(gòu)

2.3.2 專用主軸箱設(shè)計

本機專用主軸箱采用6主軸結(jié)構(gòu)，以保證機床在循環(huán)加工時，單個主軸箱有6個主軸同時帶動6把刀具旋轉(zhuǎn)，完成對應(yīng)工位上3個工件大小頭孔的粗/精鏜加工。設(shè)計的雙主軸箱結(jié)構(gòu)如圖6所示，由圖6知，主軸箱部件由主軸，傳動機構(gòu)，變頻電機，箱體，調(diào)節(jié)機構(gòu)等組成；大頭孔刀具主軸由電機軸通過同步帶直接驅(qū)動，同步帶的松緊程度通過調(diào)節(jié)螺桿確定；小頭孔刀具主軸由其上的大頭孔主軸通過齒輪a，b驅(qū)動；通過改變變頻電機的頻率可以達到控制主軸轉(zhuǎn)速的目的；更換主軸前端的刀具及改變切削參數(shù)即可實現(xiàn)粗、精鏜孔的目的。

(a)主視圖 (b)向視圖

1.小頭鏜孔主軸 2.大頭鏜孔主軸 3.主軸箱體 4.箱蓋 5.電機 支撐板 6.變頻電機 7.調(diào)節(jié)螺桿 8.主軸帶輪 9.同步帶 10.電 機軸 11.電機軸帶輪 12、13、14.主軸a、b.齒輪

圖6主軸箱結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)束語

(1)根據(jù)實際生產(chǎn)需要，采用工序集中原則，提出了一次裝夾、雙工位、6工件粗、精復(fù)合加工的工藝方案；

(2)根據(jù)工藝方案確定了專用機床中間設(shè)置夾具、前端上下料、左端粗鏜、右端 精鏜的整體布局方案；

(3)實驗表明：單臺設(shè)備年生產(chǎn)綱領(lǐng)為50萬件左右，合格率由80%提升至99.9%，尺寸及形位精度均達到或超過設(shè)計要求。