发动机缸体斜油孔加工专用机床设计*

李 卉，肖铁忠，黄 娟

(1.天津市职业大学 机电工程与自动化学院, 天津 300402；2.四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)

0 引言

发动机缸体是汽车动力总成的重要组成部件之一，其各项精度直接决定着汽车动力总成的品质[1-2]。目前，针对发动机缸体的加工生产线，主要存在两种模式[3-4]：一是全是由加工中心组成的“柔性”生产线，二是由加工中心+专用机床组成的“刚柔混合”生产线。前者由于专用度不够，要想达到大批量生产，某些关键工序需投入多台设备用以提高生产节拍，达到企业生产纲领需要[5-6]；后者是在某些关键工序中使用专用机床，既保证产品质量，又满足大批量生产效率要求[7-8]。经市场多年生产验证，在大批量生产中，“刚柔混合”生产线因具有高效率、高精度而更受企业欢迎[9-11]。本文所生产的发动机缸体年生产纲领为25万件，属于大批量生产，企业前期采用“柔性”生产线，由于关键工序受限，设备投入大，生产成本居高不下，因而选择生产线改造，即在关键工序上设计专用工艺与装备，以满足生产需要。缸体斜油孔加工即是其中一环，通过改造，提出了一次装夹同时完成5斜油孔加工的工艺与装备方案，并设计了专用机床结构，实践表明，新设计的工艺及装备既满足了企业大批量生产生产节拍要求，又保证了产品的精度及合格率要求。

1 工件加工难点分析

缸体斜油孔的加工工艺要求如图1所示，由图1可知，缸体上共有5个直径5mm深度67mm的斜油孔需要加工，其深径比为13.4，主要工艺要求如下：11各斜油孔中心轴线间尺寸精度为72±0.2mm，表面粗糙度要求Ra=6.3μm；22各孔中心轴线与水平面呈48°56′角度；33生产线上单台专用设备生产纲领要求达到25万件/年以上，合格率达到99.9%以上；44实现除人工上下料之外的所有加工自动化。

由前述要求可知，缸体斜油孔加工过程中需要解决如下问题：11提高生产效率。需设计合适的工艺，满足生产节拍需要；22降低废品率。由于是在圆弧面上钻孔，在起钻时很容易引偏，导致废品率过高，需要设计相应的工艺及结构尽可能降低废品率；33降低加工过程中窜孔率。斜油孔的深径比达到13.4，加工时由于刀具强度不够，很容易出现窜孔及断刀现象。

综上所述，要达到企业要求的生产节拍及合格率要求，难度较大。

(a) 主视图

(b) 左视图 图1 零件加工要求示意图

2 工艺方案设计

斜油孔是发动机缸体加工的关键工序之一，斜油孔是连杆与曲轴间润滑油的通道，不允许窜孔或打偏，否则工件将直接变为废品。目前，企业基本采用加工中心对此工序进行加工，主要存在加工效率低、产品废品率高、人工成本高及设备投入大等问题。故本文提出了一次装夹同时完成5斜油孔加工的工艺方案，工艺方案如图2所示，具体工艺过程如下：循环加工时，将工件按图示位置的姿态在左夹具体内正确定位夹紧，使斜油孔中心轴线与水平面呈48°56′夹角；右夹具体上设置活动钻削导向模板，钻刀在导向模板作用下在轴承座曲面上正确起钻，同时，在右夹具体右端设置两根导向杆对导向钻模板及主轴箱进行导向，在此双重导向机构作用下，主轴箱拖动5根主轴同时完成5斜油孔的钻削加工。此工艺除人工上下料外，其余均为自动化。

1.左夹具体 2.夹紧机构 3.工件 4.刀具 5.导向模板 6.右夹具体 7.主轴箱导向杆 8.导向限位套图2 斜油孔加工工艺方案

3 专用机床结构设计

3.1 整体布局方案

通过对现有工艺及设备的优缺点分析可知，现有设备主要存在起钻引偏、钻削过程断刀、加工效率低等缺点，故本文提出了一次装夹同时完成5斜油孔加工的工艺方案。同时，通过对上下料、导向、精度要求、生产效率等的综合考虑，确定了如图3所示的整体布局方案，解决了起钻引偏及加工过程断刀的问题，机床实物见图4。

机床采用卧式结构，主要由夹具系统、钻模导向系统、主轴箱、数控滑台及床身等组成。为了防止加工时振动相互传递影响加工精度，将左夹具体、右夹具体及床身做成3个相互独立的模块；工件置于左夹具体上，对工件进行正确定位及夹紧，并保证斜油孔角度要求；机床的最右端设置床身，其上安装移动数控滑台，数控滑台由伺服电机驱动，数控滑台上设置5轴主轴箱，每根主轴拖动一把钻刀；右夹具体置于左夹具体与床身中央，上端(图3俯视图)设置一根固定导向杆，下端设置一根活动导向杆，导向杆上设置活动钻模板；活动模板前端设置5个钻刀导向套，对钻刀进行导向及增加强度。

(a) 机床主视图

(b) 机床俯视图1.左夹具体 2.工件 3、14.钻刀 4.活动钻模板 5.右夹具体 6.弹簧 7.主轴箱导向杆 8.导向套 9.主轴箱 10.主轴电机 11.数控滑台 12.床身 13.伺服电机 图3 机床布局方案

3.2 导向系统设计

在企业前期生产线上，针对发动机缸体的加工基本采用数控加工中心，而在斜油孔加工工序上，主要存在如下问题：一是在圆柱面上起钻，没有相应的导向机构，很容易引偏，从而出现窜孔及打偏现象；二是由于斜油孔深径比达到13.4，缸体为灰铸铁，硬度相对较高，加工时刀具很容易出现折断现象。综上，原有生产线合格率很低，在80%左右，故而生产成本一直居高不下。针对前述现象，本文设计了如图4所示的钻削导向机构。本导向系统主要由两套导向机构组成，即活动模板导向机构及钻刀导向机构。加工时，主轴箱带着活动导杆、活动模板及刀具系统处于机床右端，人工安装工件后，主轴箱向左运动，活动导杆插入右夹具体右端孔内，活动模板在弹簧的压力下贴紧右夹具体，钻刀导向套前端靠近斜油孔起钻位置，主轴箱继续向右使钻刀运动至起钻位置，钻刀在钻刀导向套的作用下对工件进行起钻，防止起钻时引偏，起钻后，在钻刀导向套的导向及强度增强下完成5斜油孔的钻削加工，防止钻孔过程出现窜孔及断刀现象。

1.工件 2、9.钻刀 3、10.钻刀导向套 4.右夹具体 5.活动钻模板 6.活动导杆 7、12.弹簧 8、13.导向套 11.固定导杆 14.主轴箱图4 导向系统

4 效果验证

针对机床结构设计特别是导向机构设计的合理性问题，做了如下实验：

(1)无导向机构，即去掉钻刀导向套及活动钻模板进行加工实验。此次实验共有废品缸体5件，在无导向机构下进行加工，钻刀转速为1200r/min，进给速度分别为0.06mm/r、0.08mm/r、0.10mm/r、0.12mm/r、0.16mm/r，进给行程75mm。实验结果如表1所示。

表1 无导向机构

(2)有导向机构，即装上钻刀导向套及活动钻模板进行加工实验。此次实验共有废品缸体5件，在有导向机构的情况下对工件进行加工，钻刀转速为1200r/min，进给速度分别为0.06mm/r、0.08mm/r、0.10mm/r、0.12mm/r、0.16mm/r，进给行程75mm。实验结果如表2所示。

表2 有导向机构

综上所述，在没有导向机构的作用下，由于刀具强度不够，且在圆弧面上起钻，所有刀具都存在引偏现象；同时，由于引偏，使得刀具发生了断刀现象，随着进给速度的增加，断刀数量随之增加。反之，当装上导向机构后，起钻引偏及断刀现象均得以解决，只需要获得合适的进给速度，平衡效率及刀具磨损即可，经实际应用表明，当取主轴转速为1200r/min，进给速度为0.1mm/r时，加工效率及生产成本能达到较好的均衡。由本次实验结果可知，导向机构设计及使用相对比较合理，可为同类设计提供有益参考。

5 结束语

(1)通过分析斜油孔的加工难点，分析现有设备加工时存在的缺点，确定了一次装夹5轴同时加工的工艺方案，利用导向机构，多轴主轴箱等技术解决了起钻引偏、加工过程断刀及加工效率低等问题，实现了除人工上下料外的所有过程的自动化；

(2)为防止加工时的振动相互影响，采用夹具与床身相分离的方案，左夹具体装夹工件，右夹具体用于导向机构定位安装，最右端设置床身，加工时工件精度未受振动影响；

(3)实际应用表明，此工艺方案产品合格率在99%以上，年生产纲领在30万件左右。