石 峰， 胡 豪， 劉增凱， 羅一鳴

（1. 洛陽西苑車輛與動(dòng)力檢驗(yàn)所有限公司，河南 洛陽 471039；2. 中國中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，拖拉機(jī)每年的需求量居世界前列。受農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)季節(jié)性的影響，拖拉機(jī)年內(nèi)需求量分布不均衡，波動(dòng)性較大。拖拉機(jī)企業(yè)全年的生產(chǎn)計(jì)劃大多集中在銷售旺季的幾個(gè)月內(nèi)完成，因此，旺季時(shí)產(chǎn)能的提升一直是各拖拉機(jī)企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的問題。

柴油機(jī)是拖拉機(jī)的核心部件，其生產(chǎn)組織也面臨同樣的問題。其中柴油機(jī)缸體是精度要求高、加工工序最多的關(guān)鍵部件之一，目前大多廠家都采用自動(dòng)化加工線的生產(chǎn)組織形式，關(guān)鍵工序采用加工中心等高精設(shè)備加工，其余一些精度要求一般、數(shù)量眾多、非常規(guī)角度等會(huì)影響加工中心節(jié)拍的工序，大多采用專用組合機(jī)床加工的形式加工[1]。

本研究設(shè)計(jì)了一種集多種加工形式、自動(dòng)化程度高的柴油機(jī)缸體加工專用多工位組合機(jī)床加工工藝，解決柴油機(jī)缸體常規(guī)加工工序中遺留部位的集成加工問題。加工內(nèi)容涵蓋4、6 缸柴油機(jī)7 種型號(hào)缸體的鉆孔、攻絲、鏜車端面等加工形式，并配有4、6 缸缸體共線加工專用的自動(dòng)夾具和自動(dòng)移位輸送機(jī)構(gòu)。

1 加工內(nèi)容及加工方案

本工序處于柴油機(jī)缸體柔性加工線的末端，用以加工前邊工序中加工中心不便加工的一些孔和端面，需要兼顧4 缸和6 缸柴油機(jī)缸體的加工，包括4 項(xiàng)。①與缸體底面方向成5°夾角的直徑Φ9 mm、深度245 mm，孔口帶有NPT1/4 螺紋的孔的鉆孔、攻絲加工。②缸體側(cè)面外徑Φ82、Φ44 mm，落差為7 mm 的兩個(gè)圓形凸臺(tái)端面的鏜車加工。③與缸體底面方向成16°和42.5°夾角，深度58 和84 mm，直徑Φ19 mm 兩個(gè)鉆孔加工。④缸體底部豎直方向NPT3/8 絲孔的攻絲加工。

柴油機(jī)缸體的材質(zhì)為HT250，在上述加工內(nèi)容加工方式的選型上，依據(jù)整線生產(chǎn)節(jié)拍及經(jīng)濟(jì)性方面的考慮，鉆孔采用成型高速鋼或者硬質(zhì)合金麻花鉆，攻絲采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)用絲錐配合延伸桿的形式，臺(tái)階面的面加工設(shè)計(jì)了專用的車刀架，裝配標(biāo)準(zhǔn)的硬質(zhì)合金車刀片一次加工成型[2]。

1.1 Φ9 mm 深孔加工

Φ9 mm 深孔加工工序如圖1 所示，包括鉆螺紋底孔、攻NPT1/4 螺紋、鉆Φ9 mm 孔至135 mm 深、鉆Φ9 mm 孔至245 mm 深4 道工序。分別采用4 個(gè)可伸縮式BEP 型鉆攻動(dòng)力頭完成加工，鉆頭采用大螺旋角硬質(zhì)合金鉆頭，以方便排屑，并配合噴霧冷卻，防止產(chǎn)生積屑瘤[3]。鉆頭與動(dòng)力頭之間通過可調(diào)節(jié)剛性延伸桿連接，可以通過其調(diào)整鉆頭伸出尺寸，補(bǔ)償?shù)毒呤褂眠^程中的磨損量，提高刀具的耐用度。鉆孔轉(zhuǎn)速700 r/min，切削量0.11 mm/r；攻絲轉(zhuǎn)速70 r/min，切削量1.41 mm/r[4]。刀具布置如圖2 所示。

圖1 Φ9 mm 深孔加工工序Fig. 1 Processing procedure of Φ9 mm deep hole

圖2 Φ9 mm 深孔加工刀具布置Fig. 2 Tool arrangement for Φ9 mm deep hole machining

1.2 圓形凸臺(tái)端面加工

兩個(gè)圓形凸臺(tái)端面的鏜車加工工序如圖3 所示。刀具選用標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金車刀片，設(shè)計(jì)專用車刀架輔具，動(dòng)力頭選用1TA25 型鏜削頭，可徑向橫出刀30 mm 進(jìn)行車削加工，再配合HY32 型液壓滑臺(tái)提供進(jìn)出刀運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。鏜削頭轉(zhuǎn)速320 r/min，切削量0.05 mm/r[5]。刀具布置如圖4 所示。

圖3 圓形凸臺(tái)端面加工工序Fig. 3 Processing procedure of end face of circular boss

圖4 圓形凸臺(tái)端面加工刀具布置Fig. 4 Tool arrangement for machining end face of circular boss

1.3 Φ19 mm 孔加工

兩個(gè)Φ19 mm 孔的加工工序如圖5 所示。刀具采用普通硬質(zhì)合金麻花鉆頭，設(shè)計(jì)專用延伸桿，配備兩個(gè)可伸縮式BEP 型鉆孔動(dòng)力頭提供鉆孔進(jìn)給力。鉆孔轉(zhuǎn)速260 r/min，切削量0.25 mm/r，其中由于空間限制，刀具延伸桿長度過長，為了減小加工時(shí)的振動(dòng)、保證加工精度，在距加工點(diǎn)154 mm 位置處布置一個(gè)可旋轉(zhuǎn)鉆模用以導(dǎo)向和減振[6]。刀具布置如圖6 所示。

圖5 Φ19 mm 孔加工工序Fig. 5 Processing procedure of Φ19 mm hole

圖6 Φ19 mm 孔加工刀具布置Fig. 6 Tool arrangement for Φ19 mm hole machining

1.4 NPT3/8 絲孔加工

NPT3/8 絲孔的攻絲加工工序如圖7 所示。刀具選用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)用絲錐，設(shè)計(jì)專用延伸桿，配備兩個(gè)可伸縮式BEP 型攻絲動(dòng)力頭提供動(dòng)力。攻絲轉(zhuǎn)速90 r/min，切削量1.4 mm/r。刀具布置如圖8 所示。

圖7 PT3/8 絲孔加工工序Fig. 7 Processing procedure of PT3/8 wire hole

圖8 PT3/8 絲孔加工刀具布置Fig. 8 Tool arrangement for PT3/8 wire hole machining

2 工位設(shè)計(jì)

總體工位布局按照加工內(nèi)容中工序最多的加工項(xiàng)目來布置，其中Φ9 mm 深孔的加工工序最多，同時(shí)考慮了排屑和冷卻的需要，采用了分段加工的方式[3]。結(jié)合上孔口處NPT1/4 螺紋孔的加工，共有4 步加工工序：①鉆NPT1/4 螺紋底孔Φ11.3；②Φ9 mm 孔鉆深至135 mm；③攻NPT1/4 螺紋孔；④Φ9 mm 孔鉆深至245 mm。因此，整體工位布局依據(jù)這4 個(gè)步驟設(shè)計(jì)成4 工位的形式，每個(gè)工位間隔440 mm[7]。其余加工內(nèi)容分配到4 個(gè)工位中聯(lián)動(dòng)加工，包括⑤ 與缸體底面方向成16°夾角Φ19 mm 孔的加工，⑥與缸體底面方向成42.5°夾角Φ19 mm 孔的加工，⑦底面NPT3/8 絲孔的攻絲加工，⑧外徑Φ82、44 mm 兩個(gè)圓形凸臺(tái)端面的鏜車加工。

工位設(shè)計(jì)方案如圖9 所示。Ⅰ工位：①、⑤、⑦同時(shí)加工，其中①、⑤兩個(gè)鉆孔動(dòng)力頭分別固定在5°和16°的兩個(gè)斜面底座上進(jìn)行加工，⑦的攻絲動(dòng)力頭固定在夾具的頂面上垂直向下加工。Ⅱ工位：②、⑥同時(shí)加工，兩個(gè)鉆孔動(dòng)力頭分別固定在5°和42.5°的兩個(gè)斜面底座上進(jìn)行加工。Ⅲ工位：③的加工，攻絲動(dòng)力頭固定在5°的斜面底座上進(jìn)行加工。Ⅳ工位：④、⑧同時(shí)加工，其中④的鉆孔動(dòng)力頭固定在5°斜面底座上進(jìn)行加工，⑧的鏜車頭固定在水平方向上的液壓滑臺(tái)上進(jìn)行加工。

圖9 工位設(shè)計(jì)方案Fig. 9 Station design scheme

3 夾具設(shè)計(jì)及加工程序編制

3.1 夾具設(shè)計(jì)

受工位總體布局空間的限制，工件采用頂部向下的姿態(tài)進(jìn)入設(shè)備[8]。工件輸送采用一套液壓缸提供動(dòng)力的棘爪輸送裝置，液壓缸行程440 mm，通過棘爪每次將工件向前推進(jìn)440 mm，保證工件在每個(gè)工位間進(jìn)行精準(zhǔn)行走。棘爪輸送裝置如圖10 所示。

圖10 棘爪輸送裝置Fig. 10 Pawl conveyor

為了保證加工精度，每個(gè)工位的定位形式采取一面兩銷的方式，即利用面朝上的精加工底面和底面上的兩個(gè)定位銷孔來定位[9]。夾具在每個(gè)工位下方設(shè)計(jì)有舉升頂緊裝置，頂部設(shè)計(jì)有定位塊和自動(dòng)伸縮定位銷，當(dāng)工件到達(dá)相應(yīng)工位后，感應(yīng)開關(guān)發(fā)出信號(hào)，夾具頂部相應(yīng)的定位銷伸出定位塊，底部的舉升頂緊裝置將工件頂起使工件底面與夾具頂板定位塊貼合，同時(shí)夾具頂板上兩個(gè)定位銷插入工件底面上的兩個(gè)定位銷孔完成加工前的定位工作。在輸送工件時(shí)，保持每兩個(gè)工件間隔880 mm 的距離進(jìn)入夾具，這樣Ⅰ、Ⅲ工位和Ⅱ、Ⅳ工位就可以同時(shí)加工，聯(lián)動(dòng)加工的兩個(gè)工位，其底部的抬起裝置和頂部的伸縮定位銷也同時(shí)運(yùn)動(dòng)[10]。自動(dòng)定位裝置如圖11 所示。

圖11 自動(dòng)定位裝置Fig. 11 Automatic positioning device

定位銷是以液壓缸為動(dòng)力源的自動(dòng)伸縮式結(jié)構(gòu)，油缸水平方向推拉推桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，推桿通過撥叉帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸上同樣配有撥叉撥動(dòng)定位銷軸做垂直方向上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)定位銷豎直方向上的自動(dòng)伸縮。自動(dòng)插拔銷機(jī)構(gòu)如圖12 所示。

圖12 自動(dòng)插拔銷機(jī)構(gòu)Fig. 12 Automatic plug pin mechanism

頂緊機(jī)構(gòu)也是由液壓缸推動(dòng)楔塊頂起缸體實(shí)現(xiàn)頂緊功能的一套自動(dòng)化機(jī)構(gòu)，由油缸推動(dòng)楔鐵塊（楔鐵面斜度10°，具有自鎖功能），楔鐵塊通過滾輪將升降桿頂起從而將缸體舉起。機(jī)構(gòu)配有位置傳感器，舉升到位和復(fù)位時(shí)都會(huì)發(fā)出信號(hào)給主程序，便于下一步動(dòng)作的進(jìn)行。自動(dòng)頂緊機(jī)構(gòu)如圖13 所示。

圖13 自動(dòng)頂緊機(jī)構(gòu)Fig. 13 Automatic jacking mechanism

3.2 加工程序編制

本設(shè)計(jì)的加工工序排布中有8 個(gè)加工用動(dòng)力頭，定位夾具中有4 個(gè)頂緊油缸和2 個(gè)插銷用推力油缸，輸送機(jī)構(gòu)中有1 個(gè)移位油缸。為了控制這些動(dòng)力源，分別給它們配備了2～3 個(gè)光電信號(hào)開關(guān)，結(jié)合4 個(gè)工位的加工內(nèi)容，用PLC 編制了一套自動(dòng)化加工程序。

程序包含6 套加工動(dòng)作，通過光電信號(hào)開關(guān)對(duì)動(dòng)力源進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。根據(jù)機(jī)型的不同調(diào)取相應(yīng)的加工動(dòng)作，首先棘爪輸送裝置自動(dòng)將工件推進(jìn)到Ⅰ工位，到位后頂緊油缸和插銷油缸自動(dòng)將工件抬起固定，相應(yīng)的動(dòng)力頭開始加工工件，待加工完畢后棘爪輸送裝置將工件推入下一工位，同時(shí)將另一個(gè)工件推入Ⅰ工位進(jìn)行加工。本套程序的信號(hào)采集點(diǎn)達(dá)到40 多個(gè)，充分協(xié)調(diào)了動(dòng)力頭、輸送棘爪及定位夾具之間的聯(lián)動(dòng)工作，保證了加工工序順暢進(jìn)行。

4 結(jié)束語

針對(duì)柴油機(jī)缸體中常規(guī)加工工序中遺留部位的集成加工問題，設(shè)計(jì)了一套異型結(jié)構(gòu)共線復(fù)合加工形式，可以實(shí)現(xiàn)4、6 缸柴油機(jī)7 種型號(hào)缸體的鉆孔、攻絲、鏜車端面等加工，并配有4、6 缸缸體共線加工專用的自動(dòng)夾具和自動(dòng)移位輸送機(jī)構(gòu)。該加工形式投入使用后效果良好，加工精度符合工藝要求，刀輔具設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理，自動(dòng)化夾具操作便捷，通過集成化加工的模式大大減少了整條自動(dòng)加工線的設(shè)備數(shù)量，由之前的4臺(tái)設(shè)備加工縮減到了1 臺(tái)設(shè)備上，極大節(jié)約了資金投入和場(chǎng)地資源，精簡了工藝流程。

本加工形式的設(shè)計(jì)是柴油機(jī)缸體加工工藝的一種嘗試，該嘗試可以推廣到更多類似產(chǎn)品的整線加工中，如此類專用機(jī)床可以靈活布置到由多臺(tái)加工中心組成的柔性加工線中，用于解決加工中心不易加工或者耗時(shí)加工的工序問題，打破高節(jié)奏自動(dòng)線加工中的一些瓶頸，具有極大的推廣價(jià)值。