全自動CNC鏜削活塞銷孔專機的研究開發(fā)

   摘要：所研制的全自動CNC鏜削活塞銷孔專用機床可以實現(xiàn)工件的自動上、下料和自動定位、夾緊，并且在一次安裝、不停機、不換工位的情況下，高效地完成活塞銷孔的鏜孔、鏜外口、切擋圈槽、倒內(nèi)角和倒外角。該機床已在上�；钊麖S投入生產(chǎn)，并取得了良好的加工效果。 
關(guān)鍵詞：精鏜；活塞銷孔；專用機床；CNC 
1前言 
活塞是轎車發(fā)動機的關(guān)鍵零件，活塞的質(zhì)量和產(chǎn)量直接影響轎車的質(zhì)量和產(chǎn)量。目前我國轎車工業(yè)發(fā)展非常迅速，以上海大眾桑塔納轎車發(fā)展為例，1994年生產(chǎn)綱領(lǐng)為年產(chǎn)10萬輛，1995年為15萬輛，1996年達20萬輛，1997年達25萬輛，到本世紀末將達50萬輛。上海新建的SGM公司1998年底將推出新的中高檔轎車，這樣，活塞的需求量將更大。上海活塞廠是一家能直接與轎車配套生產(chǎn)活塞的專業(yè)廠，為了與桑塔納轎車生產(chǎn)配套，該廠從80年代中期開始逐漸從國外引進了1000多萬美元的活塞加工關(guān)鍵專用工藝設(shè)備，組成了我國第一條轎車用活塞生產(chǎn)線，但其生產(chǎn)能力只能為年產(chǎn)10～20萬桑塔納轎車配套服務(wù)。要與年產(chǎn)50萬輛桑塔納轎車配套生產(chǎn)活塞，必須引進上千萬美元的關(guān)鍵設(shè)備，這是企業(yè)難以承受的。為了降低活塞制造成本，發(fā)展我國先進制造技術(shù)，研制活塞加工關(guān)鍵工藝設(shè)備勢在必行。為此，1994年上�；钊麖S根據(jù)生產(chǎn)發(fā)展的需要，提出了引進設(shè)備國產(chǎn)化的設(shè)想。經(jīng)過半年多的調(diào)查研究，上海交通大學與上海活塞廠在上海市重點辦、上海桑塔納轎車國產(chǎn)化辦公室、上海汽車工業(yè)集團總公司、上海桑塔納轎車攻關(guān)項目辦公室的支持下，簽署了全自動CNC鏜削活塞銷孔專用機床合作研究開發(fā)協(xié)議，并且由上海交通大學、上海活塞廠以及有關(guān)機床廠組成了攻關(guān)隊伍，制定了詳細的研究計劃。經(jīng)過二年多的奮戰(zhàn)，全自動CNC鏜削活塞銷孔專用機床終于研制完畢，并于1997年8月運抵上海活塞廠投入了生產(chǎn)。 
經(jīng)機械工業(yè)部機床產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心上海分中心的檢測和生產(chǎn)實際考核，該機性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠。并于1998年1月通過了機械工業(yè)部和上海汽車工業(yè)總公司聯(lián)合組織的鑒定。 
2被加工零件的要求 
鏜削活塞銷孔是活塞加工工藝流程中較復(fù)雜的一道工序，包括鏜孔、鏜外口，切擋圈槽、倒內(nèi)角和倒外角等五個部位的加工。圖1是被加工零件簡圖。其材料為硅鋁合金，加工尺寸要求為：銷孔直徑為φ19.5+0.050mm、止口端面至銷孔內(nèi)圓面的距離為19.24±0．03mm，擋圈槽直徑為φ21.7+0.13-0.05mm、寬為1.6+0.10mm、槽底圓弧半徑為R0.8mm，外口直徑為φ22.2+0.40mm、圓弧半徑為R0.5mm，內(nèi)角圓弧半徑為R0.5mm、寬度為0.8+0.2-0.1mm，外角錐度為40°±10′，銷孔兩擋圈槽外部之間距離為60+0.20mm，兩外角之間距離為62.15±0．2mm，兩外口之間距離為65±0．2mm。位置度要求為：擋圈槽、外口、外角對活塞中心線的對稱度要求為0.2mm，兩內(nèi)角端面與銷孔中心線之間的垂直度要求為100∶0.8，擋圈槽相對銷孔中心線的徑向跳動為0.1mm，銷孔中心線與活塞中心線不共面，其間距為1.2±0.75mm。所有這些加工要求是在一次安裝、不停機、不換工位的情況下，一次性地加工完畢來保證的。  

圖1被加工零件簡圖 
3機床工作原理 

活塞加工的特點是批量大、加工精度要求高、生產(chǎn)節(jié)拍快、自動化程度高、加工穩(wěn)定性要好。針對這些特點，本課題設(shè)計了如圖2所示的全自動CNC鏜削活塞銷孔專用機床(圖中D氣缸和E氣缸帶動的齒輪找正機構(gòu)對準O1處待加工活塞的后部，G和F氣缸分別對準O2處待加工活塞的前部和后部)。整臺機床由床身、主軸系統(tǒng)、偏心機構(gòu)、刀排、自動上下料機構(gòu)、氣動系統(tǒng)、數(shù)控與伺服系統(tǒng)等組成。下面分別介紹其自動上下料和數(shù)控多刀雙偏心鏜削原理。  

圖2全自動CNC鏜削活塞銷孔專用機床示意圖 

1.下料槽 2、3.伺服電機 4.主軸電機 5.主軸 6.偏心套 7.機械手 8.刀排 9.上料槽 10.控制臺
3.1全自動上下料 

全自動上下料機構(gòu)具有自動檢測、故障診斷和報警功能，是實現(xiàn)大批量、快節(jié)拍和自動化加工的關(guān)鍵。它可以提高勞動生產(chǎn)率、減少勞動強度、保證加工精度的一致性和自動化生產(chǎn)線的協(xié)調(diào)性。其工作過程如下：由上道工序(全自動CNC精車活塞止口專用機床)自動輸入的活塞儲存在上料槽9中，在壓緊缸A松開后，活塞自動下滾，至擋料缸B擋住為止(擋料缸B和壓緊缸A之間的距離只能容納一只活塞)；隨后壓緊缸A恢復(fù)壓緊狀態(tài)，阻止后面的活塞下滾；接著擋料缸B松開，活塞滾入V型塊中，擋料缸B復(fù)位；之后，推料缸D推動活塞進入機械手7中；此時找正缸E轉(zhuǎn)動活塞，進行定向找正；找正后，D、E氣缸復(fù)位；然后上料缸C將機械手7推至定位元件止口座前端；頂緊缸G推動活塞進入止口座中，并頂緊；隨后上料缸C復(fù)位；接著開始加工。在加工的同時，A、B、D和E氣缸動作，作上料準備，這樣可以減少上料輔助時間。加工完畢后，頂緊氣缸G放松，卸料缸F推動活塞從止口座中彈出，通過導(dǎo)向桿下滑卸料。 

以上動作的協(xié)調(diào)都是通過數(shù)控系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)來完成的，而動作的可靠性完全取決于氣動系統(tǒng)的性能。 

3.2數(shù)控多刀雙偏心鏜削原理 

由于活塞是大批量生產(chǎn)，因而需要有高效的加工設(shè)備和合理的加工工藝。數(shù)控技術(shù)和在線檢測技術(shù)是實現(xiàn)高效、柔性自動化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。而工序的相對集中，則有利于減少工件安裝次數(shù)、避免安裝誤差、減少機床和工裝數(shù)量、減少占地面積和輔助時間，同時降低故障概率、提高加工精度。為此，本機床采用數(shù)控多刀雙偏心鏜削技術(shù)，在一次安裝、不換刀排、不停機、不換工位的情況下，實現(xiàn)了活塞銷孔、外口、環(huán)槽、內(nèi)外倒角的高效全自動加工。 

如圖1所示，活塞銷孔分為左右二段，每段孔有五個加工部位，即外口、外倒角、銷孔、環(huán)槽和內(nèi)倒角。數(shù)控多刀雙偏心鏜削技術(shù)是在保證同軸度要求的前提下，采用數(shù)控技術(shù)和偏心機構(gòu)，控制兩個主軸頭同時進行加工。每個主軸頭裝有一個刀排，每個刀排上裝了五把刀具，分別完成鏜孔、鏜外口、切擋圈槽、倒內(nèi)角和倒外角等五個部位的加工。其工作原理如圖2所示：主軸電機通過皮帶盤帶動主軸連同偏心旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸、聯(lián)軸器、偏心套、偏心軸和刀排一起旋轉(zhuǎn)作主切削運動，偏心套中心線與主軸旋轉(zhuǎn)中心線之間有一偏心量e1，刀排安裝孔中心線與偏心軸中心線之間又有一偏心量e2，一般設(shè)計成e1＝e2。在初始位置時，刀排中心線與主軸旋轉(zhuǎn)中心線重合。當偏心旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸通過聯(lián)軸器驅(qū)動偏心套中的偏心軸以及固定在其上的刀排旋轉(zhuǎn)180°時，刀排中心線與主軸旋轉(zhuǎn)中心線之間的距離為e1＋e2。而當?shù)杜欧祷氐?°時，刀排中心線與主軸旋轉(zhuǎn)中心線又重合。 

根據(jù)活塞的加工要求，在刀排對稱位置上分別裝有鏜孔刀、鏜外口刀和切槽、倒內(nèi)角、倒外角刀。首先，在刀排中心線與主軸旋轉(zhuǎn)中心線重合時鏜內(nèi)孔和鏜外口，鏜到尺寸后，伺服電機3帶動偏心軸沿主軸旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)，由于偏心作用，鏜孔刀和鏜外口刀沿徑向退刀，而其余三把刀(切槽刀、倒外角刀和倒內(nèi)角刀)則沿徑向進刀，完成切擋圈槽、倒外角和倒內(nèi)角的工作。軸向進給由伺服電機2帶動滾珠絲杠副及直線導(dǎo)軌來實現(xiàn)，主要完成鏜孔的進給和主軸箱的快進及快退動作。這樣，在一次安裝、不換刀排、不停機、不換工位的情況下，實現(xiàn)了活塞銷孔五個部位的高效自動加工。 

4機床控制系統(tǒng) 

全自動CNC鏜削活塞銷孔專用機床的控制系統(tǒng)主要由數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)等組成。數(shù)控和伺服系統(tǒng)采用德國西門子公司的產(chǎn)品，由810M數(shù)控系統(tǒng)、611-AIRF驅(qū)動電源、主軸電機、交流伺服進給電機和伺服驅(qū)動模塊等組成。810M數(shù)控系統(tǒng)是用于銑削加工機床的緊湊型CNC控制系統(tǒng)，由CNC、PLC、操作面板、顯示器等組成。其中CNC是整臺機床的控制中心，可以通過它進行數(shù)控編程。在加工過程中，CNC接收有關(guān)機床位置和狀態(tài)信息，同時根據(jù)需要發(fā)出各種指令控制機床完成預(yù)期動作。PLC(可編程邏輯控制器)集成在CNC控制器內(nèi)部，它是CNC和機床之間的接口，擔負著它們之間的信息交換，控制機床從自動上料、各種輔助動作的執(zhí)行到自動下料等動作流程，實現(xiàn)機床的順序控制。PLC使用STEP5語言編程，可用“語句表”、“控制系統(tǒng)流程圖”或“梯形圖”三種表達方法來編寫。主軸電機采用了西門子的雙速電機，通過Y-Δ切換來改變轉(zhuǎn)速，通過皮帶盤帶動主軸連同偏心旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸、聯(lián)軸器、偏心套、偏心軸和刀排一起旋轉(zhuǎn)作主切削運動。四個伺服軸的驅(qū)動采用了SIMODRIVE 611-A伺服驅(qū)動模塊及其交流伺服電機，伺服驅(qū)動模塊主要根據(jù)CNC發(fā)出的信息控制左右鏜刀的同步直線進給和偏心進給。伺服電機內(nèi)裝有速度編碼器和位置編碼器，便于精確控制刀具的進給。氣動系統(tǒng)采用德國FESTO公司生產(chǎn)的閥、氣缸和傳感器等，由PLC統(tǒng)一管理，具有動作可靠、性能穩(wěn)定的特點。 
5機床的主要特點 
(1)基準統(tǒng)一，具有自動定位和自動壓緊功能。可以在一次安裝、不停機、不換刀排的情況下，高效、自動地實現(xiàn)活塞銷孔的鏜孔、鏜外口、切擋圈槽、倒內(nèi)角和倒外角等五個部位的加工�；鶞式y(tǒng)一可以減少安裝次數(shù)、安裝誤差和安裝時間，節(jié)省工裝夾具和機床占地面積，同時減少故障概率，提高加工精度。 
(2)采用雙頭、雙偏心、多刀主軸系統(tǒng)和對稱伺服驅(qū)動結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)工序的相對集中，提高機床加工精度。 
(3)具有自動檢測、故障報警的全自動上下料機構(gòu)。它是實現(xiàn)大批量、快節(jié)拍和自動化加工的關(guān)鍵，可以提高勞動生產(chǎn)率、減少勞動強度、保證加工精度的一致性和自動化生產(chǎn)線的協(xié)調(diào)性。 
(4)具有高穩(wěn)定性與可靠性、操作容易、維修方便的氣動、電氣和數(shù)控系統(tǒng)。如上所述，所有氣動、電氣和數(shù)控系統(tǒng)的元器件都是目前國際上信譽良好的公司的產(chǎn)品。因而質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定、互換性好。 
整臺機床充分體現(xiàn)了機、電、氣、PLC控制技術(shù)以及數(shù)控技術(shù)的有機結(jié)合，是先進制造技術(shù)的典型應(yīng)用。 
6結(jié)論 
上述專用機床實現(xiàn)活塞銷孔的全自動化加工。在一次安裝、不停機、不換工位的情況下，從上料、加工到下料全自動完成。該機床已在上�；钊麖S投入生產(chǎn)，而且已和上一臺全自動CNC精車活塞止口專用機床連在一起，實現(xiàn)連線自動化生產(chǎn)。經(jīng)機械工業(yè)部機床產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心上海分中心的檢測和實際生產(chǎn)考核，機床的各項性能指標均達到了設(shè)計要求，加工節(jié)拍為：每只活塞加工時間少于20秒。 
參考文獻 
[1]陸際清主編.汽車發(fā)動機設(shè)計.北京：清華大學出版社，1993 
[2]王兆義主編.可編程控制器教程.北京：機械工業(yè)出版社，1993