發動機缸體斜油孔加工專用機床設計*

李 卉，肖鐵忠，黃 娟

(1.天津市職業大學 機電工程與自動化學院, 天津 300402；2.四川工程職業技術學院 四川省裝備制造業機器人應用技術工程實驗室，四川 德陽 618000)

0 引言

發動機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[1-2]。目前，針對發動機缸體的加工生產線，主要存在兩種模式[3-4]：一是全是由加工中心組成的“柔性”生產線，二是由加工中心+專用機床組成的“剛柔混合”生產線。前者由于專用度不夠，要想達到大批量生產，某些關鍵工序需投入多臺設備用以提高生產節拍，達到企業生產綱領需要[5-6]；后者是在某些關鍵工序中使用專用機床，既保證產品質量，又滿足大批量生產效率要求[7-8]。經市場多年生產驗證，在大批量生產中，“剛柔混合”生產線因具有高效率、高精度而更受企業歡迎[9-11]。本文所生產的發動機缸體年生產綱領為25萬件，屬于大批量生產，企業前期采用“柔性”生產線，由于關鍵工序受限，設備投入大，生產成本居高不下，因而選擇生產線改造，即在關鍵工序上設計專用工藝與裝備，以滿足生產需要。缸體斜油孔加工即是其中一環，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，并設計了專用機床結構，實踐表明，新設計的工藝及裝備既滿足了企業大批量生產生產節拍要求，又保證了產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生產線上單臺專用設備生產綱領要求達到25萬件/年以上，合格率達到99.9%以上；44實現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提高生產效率。需設計合適的工藝，滿足生產節拍需要；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，導致廢品率過高，需要設計相應的工藝及結構盡可能降低廢品率；33降低加工過程中竄孔率。斜油孔的深徑比達到13.4，加工時由于刀具強度不夠，很容易出現竄孔及斷刀現象。

綜上所述，要達到企業要求的生產節拍及合格率要求，難度較大。

(a) 主視圖

(b) 左視圖 圖1 零件加工要求示意圖

2 工藝方案設計

斜油孔是發動機缸體加工的關鍵工序之一，斜油孔是連桿與曲軸間潤滑油的通道，不允許竄孔或打偏，否則工件將直接變為廢品。目前，企業基本采用加工中心對此工序進行加工，主要存在加工效率低、產品廢品率高、人工成本高及設備投入大等問題。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：循環加工時，將工件按圖示位置的姿態在左夾具體內正確定位夾緊，使斜油孔中心軸線與水平面呈48°56′夾角；右夾具體上設置活動鉆削導向模板，鉆刀在導向模板作用下在軸承座曲面上正確起鉆，同時，在右夾具體右端設置兩根導向桿對導向鉆模板及主軸箱進行導向，在此雙重導向機構作用下，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.夾緊機構 3.工件 4.刀具 5.導向模板 6.右夾具體 7.主軸箱導向桿 8.導向限位套圖2 斜油孔加工工藝方案

3 專用機床結構設計

3.1 整體布局方案

通過對現有工藝及設備的優缺點分析可知，現有設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、導向、精度要求、生產效率等的綜合考慮，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，機床實物見圖4。

機床采用臥式結構，主要由夾具系統、鉆模導向系統、主軸箱、數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個相互獨立的模塊；工件置于左夾具體上，對工件進行正確定位及夾緊，并保證斜油孔角度要求；機床的最右端設置床身，其上安裝移動數控滑臺，數控滑臺由伺服電機驅動，數控滑臺上設置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)設置一根固定導向桿，下端設置一根活動導向桿，導向桿上設置活動鉆模板；活動模板前端設置5個鉆刀導向套，對鉆刀進行導向及增加強度。

(a) 機床主視圖

(b) 機床俯視圖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.主軸箱導向桿 8.導向套 9.主軸箱 10.主軸電機 11.數控滑臺 12.床身 13.伺服電機 圖3 機床布局方案

3.2 導向系統設計

在企業前期生產線上，針對發動機缸體的加工基本采用數控加工中心，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，沒有相應的導向機構，很容易引偏，從而出現竄孔及打偏現象；二是由于斜油孔深徑比達到13.4，缸體為灰鑄鐵，硬度相對較高，加工時刀具很容易出現折斷現象。綜上，原有生產線合格率很低，在80%左右，故而生產成本一直居高不下。針對前述現象，本文設計了如圖4所示的鉆削導向機構。本導向系統主要由兩套導向機構組成，即活動模板導向機構及鉆刀導向機構。加工時，主軸箱帶著活動導桿、活動模板及刀具系統處于機床右端，人工安裝工件后，主軸箱向左運動，活動導桿插入右夾具體右端孔內，活動模板在彈簧的壓力下貼緊右夾具體，鉆刀導向套前端靠近斜油孔起鉆位置，主軸箱繼續向右使鉆刀運動至起鉆位置，鉆刀在鉆刀導向套的作用下對工件進行起鉆，防止起鉆時引偏，起鉆后，在鉆刀導向套的導向及強度增強下完成5斜油孔的鉆削加工，防止鉆孔過程出現竄孔及斷刀現象。

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

4 效果驗證

針對機床結構設計特別是導向機構設計的合理性問題，做了如下實驗：

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

表1 無導向機構

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

表2 有導向機構

綜上所述，在沒有導向機構的作用下，由于刀具強度不夠，且在圓弧面上起鉆，所有刀具都存在引偏現象；同時，由于引偏，使得刀具發生了斷刀現象，隨著進給速度的增加，斷刀數量隨之增加。反之，當裝上導向機構后，起鉆引偏及斷刀現象均得以解決，只需要獲得合適的進給速度，平衡效率及刀具磨損即可，經實際應用表明，當取主軸轉速為1200r/min，進給速度為0.1mm/r時，加工效率及生產成本能達到較好的均衡。由本次實驗結果可知，導向機構設計及使用相對比較合理，可為同類設計提供有益參考。

5 結束語

(1)通過分析斜油孔的加工難點，分析現有設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，利用導向機構，多軸主軸箱等技術解決了起鉆引偏、加工過程斷刀及加工效率低等問題，實現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，右夾具體用于導向機構定位安裝，最右端設置床身，加工時工件精度未受振動影響；

(3)實際應用表明，此工藝方案產品合格率在99%以上，年生產綱領在30萬件左右。