柴油機缸體異型結構共線復合加工

石 峰， 胡 豪， 劉增凱， 羅一鳴

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

0 引言

我國是農業大國，拖拉機每年的需求量居世界前列。受農業機械作業季節性的影響，拖拉機年內需求量分布不均衡，波動性較大。拖拉機企業全年的生產計劃大多集中在銷售旺季的幾個月內完成，因此，旺季時產能的提升一直是各拖拉機企業重點關注的問題。

柴油機是拖拉機的核心部件，其生產組織也面臨同樣的問題。其中柴油機缸體是精度要求高、加工工序最多的關鍵部件之一，目前大多廠家都采用自動化加工線的生產組織形式，關鍵工序采用加工中心等高精設備加工，其余一些精度要求一般、數量眾多、非常規角度等會影響加工中心節拍的工序，大多采用專用組合機床加工的形式加工[1]。

本研究設計了一種集多種加工形式、自動化程度高的柴油機缸體加工專用多工位組合機床加工工藝，解決柴油機缸體常規加工工序中遺留部位的集成加工問題。加工內容涵蓋4、6 缸柴油機7 種型號缸體的鉆孔、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夾具和自動移位輸送機構。

1 加工內容及加工方案

本工序處于柴油機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 缸柴油機缸體的加工，包括4 項。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缸體側面外徑Φ82、Φ44 mm，落差為7 mm 的兩個圓形凸臺端面的鏜車加工。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。

柴油機缸體的材質為HT250，在上述加工內容加工方式的選型上，依據整線生產節拍及經濟性方面的考慮，鉆孔采用成型高速鋼或者硬質合金麻花鉆，攻絲采用標準機用絲錐配合延伸桿的形式，臺階面的面加工設計了專用的車刀架，裝配標準的硬質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 個可伸縮式BEP 型鉆攻動力頭完成加工，鉆頭采用大螺旋角硬質合金鉆頭，以方便排屑，并配合噴霧冷卻，防止產生積屑瘤[3]。鉆頭與動力頭之間通過可調節剛性延伸桿連接，可以通過其調整鉆頭伸出尺寸，補償刀具使用過程中的磨損量，提高刀具的耐用度。鉆孔轉速700 r/min，切削量0.11 mm/r；攻絲轉速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 圓形凸臺端面加工

兩個圓形凸臺端面的鏜車加工工序如圖3 所示。刀具選用標準硬質合金車刀片，設計專用車刀架輔具，動力頭選用1TA25 型鏜削頭，可徑向橫出刀30 mm 進行車削加工，再配合HY32 型液壓滑臺提供進出刀運動的動力。鏜削頭轉速320 r/min，切削量0.05 mm/r[5]。刀具布置如圖4 所示。

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

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

1.3 Φ19 mm 孔加工

兩個Φ19 mm 孔的加工工序如圖5 所示。刀具采用普通硬質合金麻花鉆頭，設計專用延伸桿，配備兩個可伸縮式BEP 型鉆孔動力頭提供鉆孔進給力。鉆孔轉速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，為了減小加工時的振動、保證加工精度，在距加工點154 mm 位置處布置一個可旋轉鉆模用以導向和減振[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。刀具選用標準機用絲錐，設計專用延伸桿，配備兩個可伸縮式BEP 型攻絲動力頭提供動力。攻絲轉速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 工位設計

總體工位布局按照加工內容中工序最多的加工項目來布置，其中Φ9 mm 深孔的加工工序最多，同時考慮了排屑和冷卻的需要，采用了分段加工的方式[3]。結合上孔口處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，整體工位布局依據這4 個步驟設計成4 工位的形式，每個工位間隔440 mm[7]。其余加工內容分配到4 個工位中聯動加工，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 兩個圓形凸臺端面的鏜車加工。

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

圖9 工位設計方案Fig. 9 Station design scheme

3 夾具設計及加工程序編制

3.1 夾具設計

受工位總體布局空間的限制，工件采用頂部向下的姿態進入設備[8]。工件輸送采用一套液壓缸提供動力的棘爪輸送裝置，液壓缸行程440 mm，通過棘爪每次將工件向前推進440 mm，保證工件在每個工位間進行精準行走。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定位銷孔來定位[9]。夾具在每個工位下方設計有舉升頂緊裝置，頂部設計有定位塊和自動伸縮定位銷，當工件到達相應工位后，感應開關發出信號，夾具頂部相應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，同時夾具頂板上兩個定位銷插入工件底面上的兩個定位銷孔完成加工前的定位工作。在輸送工件時，保持每兩個工件間隔880 mm 的距離進入夾具，這樣Ⅰ、Ⅲ工位和Ⅱ、Ⅳ工位就可以同時加工，聯動加工的兩個工位，其底部的抬起裝置和頂部的伸縮定位銷也同時運動[10]。自動定位裝置如圖11 所示。

圖11 自動定位裝置Fig. 11 Automatic positioning device

定位銷是以液壓缸為動力源的自動伸縮式結構，油缸水平方向推拉推桿做往復運動，推桿通過撥叉帶動轉軸做旋轉運動，轉軸上同樣配有撥叉撥動定位銷軸做垂直方向上的往復運動，從而實現定位銷豎直方向上的自動伸縮。自動插拔銷機構如圖12 所示。

圖12 自動插拔銷機構Fig. 12 Automatic plug pin mechanism

頂緊機構也是由液壓缸推動楔塊頂起缸體實現頂緊功能的一套自動化機構，由油缸推動楔鐵塊（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。機構配有位置傳感器，舉升到位和復位時都會發出信號給主程序，便于下一步動作的進行。自動頂緊機構如圖13 所示。

圖13 自動頂緊機構Fig. 13 Automatic jacking mechanism

3.2 加工程序編制

本設計的加工工序排布中有8 個加工用動力頭，定位夾具中有4 個頂緊油缸和2 個插銷用推力油缸，輸送機構中有1 個移位油缸。為了控制這些動力源，分別給它們配備了2～3 個光電信號開關，結合4 個工位的加工內容，用PLC 編制了一套自動化加工程序。

程序包含6 套加工動作，通過光電信號開關對動力源進行聯動控制。根據機型的不同調取相應的加工動作，首先棘爪輸送裝置自動將工件推進到Ⅰ工位，到位后頂緊油缸和插銷油缸自動將工件抬起固定，相應的動力頭開始加工工件，待加工完畢后棘爪輸送裝置將工件推入下一工位，同時將另一個工件推入Ⅰ工位進行加工。本套程序的信號采集點達到40 多個，充分協調了動力頭、輸送棘爪及定位夾具之間的聯動工作，保證了加工工序順暢進行。

4 結束語

針對柴油機缸體中常規加工工序中遺留部位的集成加工問題，設計了一套異型結構共線復合加工形式，可以實現4、6 缸柴油機7 種型號缸體的鉆孔、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夾具和自動移位輸送機構。該加工形式投入使用后效果良好，加工精度符合工藝要求，刀輔具設計經濟合理，自動化夾具操作便捷，通過集成化加工的模式大大減少了整條自動加工線的設備數量，由之前的4臺設備加工縮減到了1 臺設備上，極大節約了資金投入和場地資源，精簡了工藝流程。

本加工形式的設計是柴油機缸體加工工藝的一種嘗試，該嘗試可以推廣到更多類似產品的整線加工中，如此類專用機床可以靈活布置到由多臺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加工的工序問題，打破高節奏自動線加工中的一些瓶頸，具有極大的推廣價值。