石 峰， 胡 豪， 刘增凯， 罗一鸣

（1. 洛阳西苑车辆与动力检验所有限公司，河南 洛阳 471039；2. 中国中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016）

0 引言

我国是农业大国，拖拉机每年的需求量居世界前列。受农业机械作业季节性的影响，拖拉机年内需求量分布不均衡，波动性较大。拖拉机企业全年的生产计划大多集中在销售旺季的几个月内完成，因此，旺季时产能的提升一直是各拖拉机企业重点关注的问题。

柴油机是拖拉机的核心部件，其生产组织也面临同样的问题。其中柴油机缸体是精度要求高、加工工序最多的关键部件之一，目前大多厂家都采用自动化加工线的生产组织形式，关键工序采用加工中心等高精设备加工，其余一些精度要求一般、数量众多、非常规角度等会影响加工中心节拍的工序，大多采用专用组合机床加工的形式加工[1]。

本研究设计了一种集多种加工形式、自动化程度高的柴油机缸体加工专用多工位组合机床加工工艺，解决柴油机缸体常规加工工序中遗留部位的集成加工问题。加工内容涵盖4、6 缸柴油机7 种型号缸体的钻孔、攻丝、镗车端面等加工形式，并配有4、6 缸缸体共线加工专用的自动夹具和自动移位输送机构。

1 加工内容及加工方案

本工序处于柴油机缸体柔性加工线的末端，用以加工前边工序中加工中心不便加工的一些孔和端面，需要兼顾4 缸和6 缸柴油机缸体的加工，包括4 项。①与缸体底面方向成5°夹角的直径Φ9 mm、深度245 mm，孔口带有NPT1/4 螺纹的孔的钻孔、攻丝加工。②缸体侧面外径Φ82、Φ44 mm，落差为7 mm 的两个圆形凸台端面的镗车加工。③与缸体底面方向成16°和42.5°夹角，深度58 和84 mm，直径Φ19 mm 两个钻孔加工。④缸体底部竖直方向NPT3/8 丝孔的攻丝加工。

柴油机缸体的材质为HT250，在上述加工内容加工方式的选型上，依据整线生产节拍及经济性方面的考虑，钻孔采用成型高速钢或者硬质合金麻花钻，攻丝采用标准机用丝锥配合延伸杆的形式，台阶面的面加工设计了专用的车刀架，装配标准的硬质合金车刀片一次加工成型[2]。

1.1 Φ9 mm 深孔加工

Φ9 mm 深孔加工工序如图1 所示，包括钻螺纹底孔、攻NPT1/4 螺纹、钻Φ9 mm 孔至135 mm 深、钻Φ9 mm 孔至245 mm 深4 道工序。分别采用4 个可伸缩式BEP 型钻攻动力头完成加工，钻头采用大螺旋角硬质合金钻头，以方便排屑，并配合喷雾冷却，防止产生积屑瘤[3]。钻头与动力头之间通过可调节刚性延伸杆连接，可以通过其调整钻头伸出尺寸，补偿刀具使用过程中的磨损量，提高刀具的耐用度。钻孔转速700 r/min，切削量0.11 mm/r；攻丝转速70 r/min，切削量1.41 mm/r[4]。刀具布置如图2 所示。

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

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

1.2 圆形凸台端面加工

两个圆形凸台端面的镗车加工工序如图3 所示。刀具选用标准硬质合金车刀片，设计专用车刀架辅具，动力头选用1TA25 型镗削头，可径向横出刀30 mm 进行车削加工，再配合HY32 型液压滑台提供进出刀运动的动力。镗削头转速320 r/min，切削量0.05 mm/r[5]。刀具布置如图4 所示。

图3 圆形凸台端面加工工序Fig. 3 Processing procedure of end face of circular boss

图4 圆形凸台端面加工刀具布置Fig. 4 Tool arrangement for machining end face of circular boss

1.3 Φ19 mm 孔加工

两个Φ19 mm 孔的加工工序如图5 所示。刀具采用普通硬质合金麻花钻头，设计专用延伸杆，配备两个可伸缩式BEP 型钻孔动力头提供钻孔进给力。钻孔转速260 r/min，切削量0.25 mm/r，其中由于空间限制，刀具延伸杆长度过长，为了减小加工时的振动、保证加工精度，在距加工点154 mm 位置处布置一个可旋转钻模用以导向和减振[6]。刀具布置如图6 所示。

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

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

1.4 NPT3/8 丝孔加工

NPT3/8 丝孔的攻丝加工工序如图7 所示。刀具选用标准机用丝锥，设计专用延伸杆，配备两个可伸缩式BEP 型攻丝动力头提供动力。攻丝转速90 r/min，切削量1.4 mm/r。刀具布置如图8 所示。

图7 PT3/8 丝孔加工工序Fig. 7 Processing procedure of PT3/8 wire hole

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

2 工位设计

总体工位布局按照加工内容中工序最多的加工项目来布置，其中Φ9 mm 深孔的加工工序最多，同时考虑了排屑和冷却的需要，采用了分段加工的方式[3]。结合上孔口处NPT1/4 螺纹孔的加工，共有4 步加工工序：①钻NPT1/4 螺纹底孔Φ11.3；②Φ9 mm 孔钻深至135 mm；③攻NPT1/4 螺纹孔；④Φ9 mm 孔钻深至245 mm。因此，整体工位布局依据这4 个步骤设计成4 工位的形式，每个工位间隔440 mm[7]。其余加工内容分配到4 个工位中联动加工，包括⑤ 与缸体底面方向成16°夹角Φ19 mm 孔的加工，⑥与缸体底面方向成42.5°夹角Φ19 mm 孔的加工，⑦底面NPT3/8 丝孔的攻丝加工，⑧外径Φ82、44 mm 两个圆形凸台端面的镗车加工。

工位设计方案如图9 所示。Ⅰ工位：①、⑤、⑦同时加工，其中①、⑤两个钻孔动力头分别固定在5°和16°的两个斜面底座上进行加工，⑦的攻丝动力头固定在夹具的顶面上垂直向下加工。Ⅱ工位：②、⑥同时加工，两个钻孔动力头分别固定在5°和42.5°的两个斜面底座上进行加工。Ⅲ工位：③的加工，攻丝动力头固定在5°的斜面底座上进行加工。Ⅳ工位：④、⑧同时加工，其中④的钻孔动力头固定在5°斜面底座上进行加工，⑧的镗车头固定在水平方向上的液压滑台上进行加工。

图9 工位设计方案Fig. 9 Station design scheme

3 夹具设计及加工程序编制

3.1 夹具设计

受工位总体布局空间的限制，工件采用顶部向下的姿态进入设备[8]。工件输送采用一套液压缸提供动力的棘爪输送装置，液压缸行程440 mm，通过棘爪每次将工件向前推进440 mm，保证工件在每个工位间进行精准行走。棘爪输送装置如图10 所示。

图10 棘爪输送装置Fig. 10 Pawl conveyor

为了保证加工精度，每个工位的定位形式采取一面两销的方式，即利用面朝上的精加工底面和底面上的两个定位销孔来定位[9]。夹具在每个工位下方设计有举升顶紧装置，顶部设计有定位块和自动伸缩定位销，当工件到达相应工位后，感应开关发出信号，夹具顶部相应的定位销伸出定位块，底部的举升顶紧装置将工件顶起使工件底面与夹具顶板定位块贴合，同时夹具顶板上两个定位销插入工件底面上的两个定位销孔完成加工前的定位工作。在输送工件时，保持每两个工件间隔880 mm 的距离进入夹具，这样Ⅰ、Ⅲ工位和Ⅱ、Ⅳ工位就可以同时加工，联动加工的两个工位，其底部的抬起装置和顶部的伸缩定位销也同时运动[10]。自动定位装置如图11 所示。

图11 自动定位装置Fig. 11 Automatic positioning device

定位销是以液压缸为动力源的自动伸缩式结构，油缸水平方向推拉推杆做往复运动，推杆通过拨叉带动转轴做旋转运动，转轴上同样配有拨叉拨动定位销轴做垂直方向上的往复运动，从而实现定位销竖直方向上的自动伸缩。自动插拔销机构如图12 所示。

图12 自动插拔销机构Fig. 12 Automatic plug pin mechanism

顶紧机构也是由液压缸推动楔块顶起缸体实现顶紧功能的一套自动化机构，由油缸推动楔铁块（楔铁面斜度10°，具有自锁功能），楔铁块通过滚轮将升降杆顶起从而将缸体举起。机构配有位置传感器，举升到位和复位时都会发出信号给主程序，便于下一步动作的进行。自动顶紧机构如图13 所示。

图13 自动顶紧机构Fig. 13 Automatic jacking mechanism

3.2 加工程序编制

本设计的加工工序排布中有8 个加工用动力头，定位夹具中有4 个顶紧油缸和2 个插销用推力油缸，输送机构中有1 个移位油缸。为了控制这些动力源，分别给它们配备了2～3 个光电信号开关，结合4 个工位的加工内容，用PLC 编制了一套自动化加工程序。

程序包含6 套加工动作，通过光电信号开关对动力源进行联动控制。根据机型的不同调取相应的加工动作，首先棘爪输送装置自动将工件推进到Ⅰ工位，到位后顶紧油缸和插销油缸自动将工件抬起固定，相应的动力头开始加工工件，待加工完毕后棘爪输送装置将工件推入下一工位，同时将另一个工件推入Ⅰ工位进行加工。本套程序的信号采集点达到40 多个，充分协调了动力头、输送棘爪及定位夹具之间的联动工作，保证了加工工序顺畅进行。

4 结束语

针对柴油机缸体中常规加工工序中遗留部位的集成加工问题，设计了一套异型结构共线复合加工形式，可以实现4、6 缸柴油机7 种型号缸体的钻孔、攻丝、镗车端面等加工，并配有4、6 缸缸体共线加工专用的自动夹具和自动移位输送机构。该加工形式投入使用后效果良好，加工精度符合工艺要求，刀辅具设计经济合理，自动化夹具操作便捷，通过集成化加工的模式大大减少了整条自动加工线的设备数量，由之前的4台设备加工缩减到了1 台设备上，极大节约了资金投入和场地资源，精简了工艺流程。

本加工形式的设计是柴油机缸体加工工艺的一种尝试，该尝试可以推广到更多类似产品的整线加工中，如此类专用机床可以灵活布置到由多台加工中心组成的柔性加工线中，用于解决加工中心不易加工或者耗时加工的工序问题，打破高节奏自动线加工中的一些瓶颈，具有极大的推广价值。