李 卉，肖鐵忠，黃 娟

(1.天津市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院, 天津 300402；2.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川省裝備制造業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)工程實驗室，四川 德陽 618000)

0 引言

發(fā)動機(jī)缸體是汽車動力總成的重要組成部件之一，其各項精度直接決定著汽車動力總成的品質(zhì)[1-2]。目前，針對發(fā)動機(jī)缸體的加工生產(chǎn)線，主要存在兩種模式[3-4]：一是全是由加工中心組成的“柔性”生產(chǎn)線，二是由加工中心+專用機(jī)床組成的“剛?cè)峄旌稀鄙a(chǎn)線。前者由于專用度不夠，要想達(dá)到大批量生產(chǎn)，某些關(guān)鍵工序需投入多臺設(shè)備用以提高生產(chǎn)節(jié)拍，達(dá)到企業(yè)生產(chǎn)綱領(lǐng)需要[5-6]；后者是在某些關(guān)鍵工序中使用專用機(jī)床，既保證產(chǎn)品質(zhì)量，又滿足大批量生產(chǎn)效率要求[7-8]。經(jīng)市場多年生產(chǎn)驗證，在大批量生產(chǎn)中，“剛?cè)峄旌稀鄙a(chǎn)線因具有高效率、高精度而更受企業(yè)歡迎[9-11]。本文所生產(chǎn)的發(fā)動機(jī)缸體年生產(chǎn)綱領(lǐng)為25萬件，屬于大批量生產(chǎn)，企業(yè)前期采用“柔性”生產(chǎn)線，由于關(guān)鍵工序受限，設(shè)備投入大，生產(chǎn)成本居高不下，因而選擇生產(chǎn)線改造，即在關(guān)鍵工序上設(shè)計專用工藝與裝備，以滿足生產(chǎn)需要。缸體斜油孔加工即是其中一環(huán)，通過改造，提出了一次裝夾同時完成5斜油孔加工的工藝與裝備方案，并設(shè)計了專用機(jī)床結(jié)構(gòu)，實踐表明，新設(shè)計的工藝及裝備既滿足了企業(yè)大批量生產(chǎn)生產(chǎn)節(jié)拍要求，又保證了產(chǎn)品的精度及合格率要求。

1 工件加工難點分析

缸體斜油孔的加工工藝要求如圖1所示，由圖1可知，缸體上共有5個直徑5mm深度67mm的斜油孔需要加工，其深徑比為13.4，主要工藝要求如下：11各斜油孔中心軸線間尺寸精度為72±0.2mm，表面粗糙度要求Ra=6.3μm；22各孔中心軸線與水平面呈48°56′角度；33生產(chǎn)線上單臺專用設(shè)備生產(chǎn)綱領(lǐng)要求達(dá)到25萬件/年以上，合格率達(dá)到99.9%以上；44實現(xiàn)除人工上下料之外的所有加工自動化。

由前述要求可知，缸體斜油孔加工過程中需要解決如下問題：11提高生產(chǎn)效率。需設(shè)計合適的工藝，滿足生產(chǎn)節(jié)拍需要；22降低廢品率。由于是在圓弧面上鉆孔，在起鉆時很容易引偏，導(dǎo)致廢品率過高，需要設(shè)計相應(yīng)的工藝及結(jié)構(gòu)盡可能降低廢品率；33降低加工過程中竄孔率。斜油孔的深徑比達(dá)到13.4，加工時由于刀具強(qiáng)度不夠，很容易出現(xiàn)竄孔及斷刀現(xiàn)象。

綜上所述，要達(dá)到企業(yè)要求的生產(chǎn)節(jié)拍及合格率要求，難度較大。

(a) 主視圖

(b) 左視圖 圖1 零件加工要求示意圖

2 工藝方案設(shè)計

斜油孔是發(fā)動機(jī)缸體加工的關(guān)鍵工序之一，斜油孔是連桿與曲軸間潤滑油的通道，不允許竄孔或打偏，否則工件將直接變?yōu)閺U品。目前，企業(yè)基本采用加工中心對此工序進(jìn)行加工，主要存在加工效率低、產(chǎn)品廢品率高、人工成本高及設(shè)備投入大等問題。故本文提出了一次裝夾同時完成5斜油孔加工的工藝方案，工藝方案如圖2所示，具體工藝過程如下：循環(huán)加工時，將工件按圖示位置的姿態(tài)在左夾具體內(nèi)正確定位夾緊，使斜油孔中心軸線與水平面呈48°56′夾角；右夾具體上設(shè)置活動鉆削導(dǎo)向模板，鉆刀在導(dǎo)向模板作用下在軸承座曲面上正確起鉆，同時，在右夾具體右端設(shè)置兩根導(dǎo)向桿對導(dǎo)向鉆模板及主軸箱進(jìn)行導(dǎo)向，在此雙重導(dǎo)向機(jī)構(gòu)作用下，主軸箱拖動5根主軸同時完成5斜油孔的鉆削加工。此工藝除人工上下料外，其余均為自動化。

1.左夾具體 2.夾緊機(jī)構(gòu) 3.工件 4.刀具 5.導(dǎo)向模板 6.右夾具體 7.主軸箱導(dǎo)向桿 8.導(dǎo)向限位套圖2 斜油孔加工工藝方案

3 專用機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 整體布局方案

通過對現(xiàn)有工藝及設(shè)備的優(yōu)缺點分析可知，現(xiàn)有設(shè)備主要存在起鉆引偏、鉆削過程斷刀、加工效率低等缺點，故本文提出了一次裝夾同時完成5斜油孔加工的工藝方案。同時，通過對上下料、導(dǎo)向、精度要求、生產(chǎn)效率等的綜合考慮，確定了如圖3所示的整體布局方案，解決了起鉆引偏及加工過程斷刀的問題，機(jī)床實物見圖4。

機(jī)床采用臥式結(jié)構(gòu)，主要由夾具系統(tǒng)、鉆模導(dǎo)向系統(tǒng)、主軸箱、數(shù)控滑臺及床身等組成。為了防止加工時振動相互傳遞影響加工精度，將左夾具體、右夾具體及床身做成3個相互獨(dú)立的模塊；工件置于左夾具體上，對工件進(jìn)行正確定位及夾緊，并保證斜油孔角度要求；機(jī)床的最右端設(shè)置床身，其上安裝移動數(shù)控滑臺，數(shù)控滑臺由伺服電機(jī)驅(qū)動，數(shù)控滑臺上設(shè)置5軸主軸箱，每根主軸拖動一把鉆刀；右夾具體置于左夾具體與床身中央，上端(圖3俯視圖)設(shè)置一根固定導(dǎo)向桿，下端設(shè)置一根活動導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿上設(shè)置活動鉆模板；活動模板前端設(shè)置5個鉆刀導(dǎo)向套，對鉆刀進(jìn)行導(dǎo)向及增加強(qiáng)度。

(a) 機(jī)床主視圖

(b) 機(jī)床俯視圖1.左夾具體 2.工件 3、14.鉆刀 4.活動鉆模板 5.右夾具體 6.彈簧 7.主軸箱導(dǎo)向桿 8.導(dǎo)向套 9.主軸箱 10.主軸電機(jī) 11.數(shù)控滑臺 12.床身 13.伺服電機(jī) 圖3 機(jī)床布局方案

3.2 導(dǎo)向系統(tǒng)設(shè)計

在企業(yè)前期生產(chǎn)線上，針對發(fā)動機(jī)缸體的加工基本采用數(shù)控加工中心，而在斜油孔加工工序上，主要存在如下問題：一是在圓柱面上起鉆，沒有相應(yīng)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，很容易引偏，從而出現(xiàn)竄孔及打偏現(xiàn)象；二是由于斜油孔深徑比達(dá)到13.4，缸體為灰鑄鐵，硬度相對較高，加工時刀具很容易出現(xiàn)折斷現(xiàn)象。綜上，原有生產(chǎn)線合格率很低，在80%左右，故而生產(chǎn)成本一直居高不下。針對前述現(xiàn)象，本文設(shè)計了如圖4所示的鉆削導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。本導(dǎo)向系統(tǒng)主要由兩套導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成，即活動模板導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及鉆刀導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。加工時，主軸箱帶著活動導(dǎo)桿、活動模板及刀具系統(tǒng)處于機(jī)床右端，人工安裝工件后，主軸箱向左運(yùn)動，活動導(dǎo)桿插入右夾具體右端孔內(nèi)，活動模板在彈簧的壓力下貼緊右夾具體，鉆刀導(dǎo)向套前端靠近斜油孔起鉆位置，主軸箱繼續(xù)向右使鉆刀運(yùn)動至起鉆位置，鉆刀在鉆刀導(dǎo)向套的作用下對工件進(jìn)行起鉆，防止起鉆時引偏，起鉆后，在鉆刀導(dǎo)向套的導(dǎo)向及強(qiáng)度增強(qiáng)下完成5斜油孔的鉆削加工，防止鉆孔過程出現(xiàn)竄孔及斷刀現(xiàn)象。

1.工件 2、9.鉆刀 3、10.鉆刀導(dǎo)向套 4.右夾具體 5.活動鉆模板 6.活動導(dǎo)桿 7、12.彈簧 8、13.導(dǎo)向套 11.固定導(dǎo)桿 14.主軸箱圖4 導(dǎo)向系統(tǒng)

4 效果驗證

針對機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計特別是導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計的合理性問題，做了如下實驗：

(1)無導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，即去掉鉆刀導(dǎo)向套及活動鉆模板進(jìn)行加工實驗。此次實驗共有廢品缸體5件，在無導(dǎo)向機(jī)構(gòu)下進(jìn)行加工，鉆刀轉(zhuǎn)速為1200r/min，進(jìn)給速度分別為0.06mm/r、0.08mm/r、0.10mm/r、0.12mm/r、0.16mm/r，進(jìn)給行程75mm。實驗結(jié)果如表1所示。

表1 無導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

(2)有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，即裝上鉆刀導(dǎo)向套及活動鉆模板進(jìn)行加工實驗。此次實驗共有廢品缸體5件，在有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的情況下對工件進(jìn)行加工，鉆刀轉(zhuǎn)速為1200r/min，進(jìn)給速度分別為0.06mm/r、0.08mm/r、0.10mm/r、0.12mm/r、0.16mm/r，進(jìn)給行程75mm。實驗結(jié)果如表2所示。

表2 有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

綜上所述，在沒有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用下，由于刀具強(qiáng)度不夠，且在圓弧面上起鉆，所有刀具都存在引偏現(xiàn)象；同時，由于引偏，使得刀具發(fā)生了斷刀現(xiàn)象，隨著進(jìn)給速度的增加，斷刀數(shù)量隨之增加。反之，當(dāng)裝上導(dǎo)向機(jī)構(gòu)后，起鉆引偏及斷刀現(xiàn)象均得以解決，只需要獲得合適的進(jìn)給速度，平衡效率及刀具磨損即可，經(jīng)實際應(yīng)用表明，當(dāng)取主軸轉(zhuǎn)速為1200r/min，進(jìn)給速度為0.1mm/r時，加工效率及生產(chǎn)成本能達(dá)到較好的均衡。由本次實驗結(jié)果可知，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計及使用相對比較合理，可為同類設(shè)計提供有益參考。

5 結(jié)束語

(1)通過分析斜油孔的加工難點，分析現(xiàn)有設(shè)備加工時存在的缺點，確定了一次裝夾5軸同時加工的工藝方案，利用導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，多軸主軸箱等技術(shù)解決了起鉆引偏、加工過程斷刀及加工效率低等問題，實現(xiàn)了除人工上下料外的所有過程的自動化；

(2)為防止加工時的振動相互影響，采用夾具與床身相分離的方案，左夾具體裝夾工件，右夾具體用于導(dǎo)向機(jī)構(gòu)定位安裝，最右端設(shè)置床身，加工時工件精度未受振動影響；

(3)實際應(yīng)用表明，此工藝方案產(chǎn)品合格率在99%以上，年生產(chǎn)綱領(lǐng)在30萬件左右。