发动机连杆双面镗孔专用机床设计*

李欣星 ，黄 娟 ，肖铁忠，罗 静

(1.四川工程职业技术学院 四川省装备制造业机器人应用技术工程实验室，四川 德阳 618000；2.重庆理工大学 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054)

0 引言

发动机是汽车的心脏，是汽车的动力之源，其结构复杂，且各项性能要求高[1-2]。连杆是发动机的重要部件之一，其作用是将活塞的往复直线运动转换为曲轴的旋转运动[3-4]。随着汽车工业的不断发展，对发动机性能要求越来越高，促使连杆生产技术也在提高，主要体现在连杆尺寸公差、形位公差以及机械性能要求的提高[5]。虽然国内的连杆产量已经能满足本土市场需求，但国产连杆的质量以及加工效率却远没达到令人满意程度，使得精密连杆仍需要进口[6-7]。某企业现有某型号连杆需要大量生产，但企业现有设备需多次装夹及换刀，无法保证生产效率及加工精度要求，需重新设计工艺及装备，满足企业生产需要。针对上述问题，本文提出了一次装夹、双工位、多工件粗、精复合加工的全新工艺方案，并设计了机床结构，通过实验证明，新工艺及装备既满足了大批量生产的效率要求，又保证了产品的精度及合格率要求。

1 连杆大小头孔工艺方案设计

1.1 加工技术要求

连杆大小头孔精加工精度要求如图1所示，主要精度要求总结如下：

(2)小头孔的圆柱度与圆度均为0.005mm，大头孔的圆柱度与圆度均为0.004mm，大、小头孔中心线的平行度为0.04mm，大、小头孔中心线相对于连杆侧面的垂直度为0.04mm；

(3)大、小头孔中心线的尺寸精度为112±0.011mm；

(4)大、小头孔的表面粗糙度Ra=1.6μm。

图1 连杆精镗加工精度要求示意图

1.2 工艺方案的确定

1.2.1 工艺的选择

针对此连杆，企业提出的年生产纲领是40万件，产品合格率为99.9%以上，由于大、小头孔加工工序的精度要求均较高，小头孔为IT7，大头孔为IT6，加工时一般采用以下两种方案：第一种是选择高精度加工中心，第二种是针对此工序设计专用机床。

采用第一种方案时，其优点是可以直接采用现有加工中心对其进行加工，加工精度高，但是缺点也较为明显，主要体现为只能单轴单工位加工，粗、精加工工序需分离，加工效率低，成本高，完全无法满足36万件/年大批量生产的要求，故本工序不选择加工中心；采用第二种方案即设计专用机床，其特点是可以将粗、精加工集中在一台机床上，专用性强，加工精度及自动化程度高，从长期来讲加工成本较低，生产效率高，适合高精度、大批量生产。综上，本文选择设计专用工艺及装备完成大小头孔的粗精加工。

1.2.2 工艺设计

连杆大小头孔加工是连杆最重要的工序，连杆大小头孔的尺寸精度、形位精度及表面粗糙度要求均较高，采用专用机床对其进行粗、精加工。通过分析认为，如果采用单工位单工件将粗精加工分开，主要存在如下缺点：一是需要两次装夹，会提高废品率及降低加工精度；二是需要设计两台专用机床，增加前期设备投入，提高生产成本；三是单工位单工件生产效率较低，无法满足生产效率要求。故本文采用工序集中原则，将粗精加工工序集中在一台机床上，同时，为有效提升生产效率，每个工位设置3个工件，具体的方案如图2所示。具体工艺过程是：循环加工时，在机床前端处装夹3副连杆毛坯(连杆1)，启动机床，连杆1由圆形数控转台顺时针(图2俯视图，下同)旋转90°至左端，对连杆大小头孔进行粗镗加工，同时在前端处装夹第2套3副连杆(连杆2)，完成后圆形数控转台再顺时针旋转90°，直至机床夹具上装满工件，在机床的左端与右端同时完成连杆的粗、精加工，同时在前端处卸下完成粗精加工的连杆，并装夹毛坯，如此循环往复对工件进行加工。

(a)主视图

(b)俯视图

2 专用机床结构设计

2.1 机床布局

通过对工件工艺方法、精度要求及机床运动、自动化程度及生产效率等的分析[8-9]，确定了如图3所示的布局方案。由图3可知，机床主要由床身、数控滑台、圆形数控转台、专用夹具、主轴箱、专用刀具、主轴电机、控制系统、冷却系统、机床整体防护等组成。床身的左右端各设置一个数控滑台，数控滑台由两个伺服电机分别驱动，构成专用机床的进给运动和快移运动系统；在数控滑台上端各设置一个专用主轴箱，主轴箱由变频电机驱动，左端主轴箱设置连杆大小头孔粗镗刀具，右端主轴箱设置连杆大小头孔精镗刀具，构成机床的主运动系统；在床身的中间设置圆形数控转台，其上设置专用夹具，夹具可以同时装夹12副连杆；另外机床设置有冷却系统、控制系统及整体防护等。

1.床身 2、19.伺服电机 3、17.数控滑台 4、16.主轴箱 5.同步带 6、15.主轴电机 7.连杆大头孔粗镗刀具 8.连杆小头孔粗镗刀具 9.圆形数控转台 10.夹具体 11.夹紧机构 12.数控面板 13.连 杆大头孔精镗刀具 14.连杆小头孔精镗刀具 18.防护罩图3 专用机床结构示意图

2.2 机床工作循环

人工在专用机床(如图3所示)前端装夹工件，启动自动加工程序，两主轴电机启动，分别带动两个主轴旋转，两数控滑台在伺服电机的驱动下使主轴箱快移至工进位置，然后工进，分别完成工件的粗、精加工，然后主轴箱快退至起始位置，圆形数控转台旋转90°，专用夹具前端夹紧机构松开，人工卸下加工好的工件并装夹新工件，夹紧机构自动夹紧后再次启动自动加工程序，完成工件的粗、精加工，退刀，人工下料并再次上料，如此循环往复，对工件进行粗、精加工。

2.3 机床关键零部件设计

2.3.1 专用夹具设计

工件加工时，姿态如图4(主视图)所示，大头孔在上，小头孔在下，由开有两孔的定位平板及3个合理分布(如图4主视图)的导向定位机构对工件进行完全定位，限制工件的6个自由度；同时，为保证加工过程中正确的定位位置不变，每个工件设置3个夹紧机构(如图5所示)，夹紧机构由气缸1、回转导杆3、回转导向套5、压板6及橡胶压头7、圆柱导向销8等组成。气缸向上运动时，推动回转导杆在回转导向套内向上运动的同时，在螺旋槽及圆柱导向销的作用下按需要左/右旋转，松开工件，方便工件定位装夹及人工下料；工件正确定位后，气缸向下运动，回转导向杆向下运动并按需要左/右旋转对工件进行夹紧，保证加工过程中工件的正确定位位置固定不变，顺利正确的完成大小头孔的精加工。

主视图

1、6.工件 2.夹具底座 3、5、9.导向定位机构 4、7、8.夹紧机构 10.定位平板

图4专用夹具结构

1.气缸 2.夹具体 3.回转导杆 4.螺旋槽 5.回转导向套 6.压板 7.橡胶压头 8.圆柱 导向销图5 夹紧机构

2.3.2 专用主轴箱设计

本机专用主轴箱采用6主轴结构，以保证机床在循环加工时，单个主轴箱有6个主轴同时带动6把刀具旋转，完成对应工位上3个工件大小头孔的粗/精镗加工。设计的双主轴箱结构如图6所示，由图6知，主轴箱部件由主轴，传动机构，变频电机，箱体，调节机构等组成；大头孔刀具主轴由电机轴通过同步带直接驱动，同步带的松紧程度通过调节螺杆确定；小头孔刀具主轴由其上的大头孔主轴通过齿轮a，b驱动；通过改变变频电机的频率可以达到控制主轴转速的目的；更换主轴前端的刀具及改变切削参数即可实现粗、精镗孔的目的。

(a)主视图 (b)向视图

1.小头镗孔主轴 2.大头镗孔主轴 3.主轴箱体 4.箱盖 5.电机 支撑板 6.变频电机 7.调节螺杆 8.主轴带轮 9.同步带 10.电 机轴 11.电机轴带轮 12、13、14.主轴a、b.齿轮

图6主轴箱结构图

3 结束语

(1)根据实际生产需要，采用工序集中原则，提出了一次装夹、双工位、6工件粗、精复合加工的工艺方案；

(2)根据工艺方案确定了专用机床中间设置夹具、前端上下料、左端粗镗、右端 精镗的整体布局方案；

(3)实验表明：单台设备年生产纲领为50万件左右，合格率由80%提升至99.9%，尺寸及形位精度均达到或超过设计要求。