端盖零件的加工中心生产工艺改进与夹具设计

·98·内燃机与配件端盖零件的加工中心生产工艺改进与夹具设计谢华贵（肇庆市技师学院，肇庆526020）摘要院本文基于大批量生产的模式，根据零件加工的特点和要求，针对加工中心生产进行工艺改良，设计和开发新的气压传动夹应用新的加工工艺较之传统的生产方式，其效率提升10倍以上，具系统。经实践证明，人力成本仅为工艺改善前的7%，因此取得了良好的经济效益。关键词院大批量；加工中心；气动夹具；生产效率0引言该批订单要求在一个月时现承接了一批企业订单，间内，交付二位五通双电控电磁阀的端盖零件五万件。月产量约为根据原有的工艺条件，开设三班的情况下，设备资源及34500件。订单交期紧迫、生产批量大、工艺条件较为落后等因素，使得生产部门不能实现如期交货。因生产模式较为落对该批零件进行工艺分析后发现：后，辅助工时占额定工时的比例极大；此外，钻模、钻套的磨损影响加工精度及生产稳定性。基于上述分析，充分利用处理效率高的VMC850加工中心资源推行批量生产模又能降低劳动力式，对于优化效率起到立竿见影的作用；与此同时，应对生产系统进行需求，大幅度降低生产成本。改善定工艺改良，基于加工中心生产开发新的夹具系统，从而满足该批订单的生位和装夹的效率以压缩辅助工时，产需要。1端盖零件的加工工序这批订单的端盖零件是二位五通电磁换向阀的主要如图1所示。由零件图可见，钻削元件，其材质为铝合金，端盖毛坯先经车床车削端盖工序的前道工序为车削工序，的顶面及底面，两平面有较高的平行度要求。端盖底面的覫22H7台阶孔与阀体装配，其尺寸精度要求较高。端盖顶其中覫10H7面的覫10H7/覫12台阶孔，亦经车削加工完成，沉头孔处安装阀芯。经车床设备加工后的坯件需完成钻削工序，覫4.5/覫9台阶孔及M3螺纹孔皆为安装孔，覫3通孔则为气道孔，该工序的主要工步内容见表1。形位和尺寸要求，结合综合分析端盖零件工步内容、制定钻削所选用VMC850加工中心性能和关键技术指标，（表1）方案并编写数控加工工艺卡表。2夹具设计原理分析充分发挥加工中心的效率为改善定位和装夹的效率，尺寸及形位精度较高优势，现因应端盖零件钻削工步多，要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要着手改善其工装夹具系统。要求新开发的夹具系研究方向为数控加工、的特点，作者简介院谢华贵，男，数控铣工高级技师，统反应速度块、操作简易，定位精度高且有助于提高生产夹具设计。到欧II和欧III排放指标这两个条件[4]。还需要满足在重型卡车与大巴柴油机的经济性方面，同时还应该注尾气与噪声的排放相关法律法规的基础上，重载重量在20-30t的重型卡车和豪华大巴的机型需要，应该大力发展排量在8-13L、功率在160-350kW的直列6缸柴油机机型。目前我国市场上的重型柴油机的种类齐全，但是通常情况下都是满足欧I的排放标准，这些柴油机具备共同的劣势，就是小排量、低功率、高燃油耗以及可靠性差。因此可我国必须要不断的增强自身重型柴油机的市场竞争力，发展具有先进水平的以借助国外的优势，与其进行合作，新型重型车用柴油机。与世与此同时，我国在加快重卡柴油机的发展进程，首先就是要转变人们对于界先进水平进行接轨的过程中，将中冷增压技术柴油机的看法，不断的研发新型的技术，运用到柴油机的研制之中，并且不断的改进进气与喷油控制系统，积极的运用电子控制技术，以此来减少与发达国家的重卡柴油机发展差距。3结语重卡柴油机的相关企业致力于对柴油机系统的改善与研究，使其能够不断的满足国家日益严格的排放标准，促进重卡柴在国产重卡柴油机的推广中运用先进的技术，增强排放功能，将重油机的功能方面的提升、降低耗油量、卡柴油机由传统的机械产品向机械电子技术产品转变。目前我国现有的主要重卡生产厂商都在不断地改进自身的企业之间的柴油机技术，并且伴随着重卡柴油机的发展，使得重卡柴油机的先进组建、并购以及合资的发展态势，在生产技术已经成为重卡柴油机厂商发展最为核心内容。运用重卡柴油机主流技术的同时，注重重型柴油机的开发不断促进我国重卡柴与研究，并且引用国外先进的水平，油机市场的发展。参考文献院[1]肖永清.谈我国重卡柴油机高端产品的发展商机[J].柴油机设计与制造，2014（02）：9-14.[2]陆刚.我国大功率重卡用柴油机现状及发展前景[J].工程机械与维修，2015（15）：68-71，32.[3]司康.经济萎靡，车用柴油机市场复苏待明年———2012年1-10月车用柴油机市场分析及后市预测[J].轻型汽车技术，2013（Z1）：51-59.[4]袁学辉.我国重卡用发动机的市场发展和竞争态势分析[J].商用汽车，2017（09）：105-108.InternalCombustionEngine&Parts图1端盖零件图效率。通过对零件图（图1）进行工艺分析可知，先经车床车削的两端面平行度要求高，针对该批零件而设计制作的气动夹具，其底板作为支承板，能保证零件钻削加工后各孔轴线与上基面的垂直度。车床加工的覫22H7/覫24台阶孔，可考虑与镶嵌在底板上的覫22g6定位柱作间隙配合，以便于零件的安装。为简化夹具的设计制作过程，在设计气缸时可因材制宜，利用气缸元件端面零件的一个轴向转动自由度。传统的加工工艺，定位装夹的过程繁琐复杂、生产效率低。进行气动夹具设计时，应满足一次换刀完成多个零件的同一加工工步的生产需求，即采用多工位设计思路。针对生产流程规划和前道工序的产能状况，确定本夹具经一次装夹，可加工60个端盖零件。综上所述，在进行气压传动夹具设计时，以保证零件的尺寸精度和形位精度为前提，采用多工位结构充分发挥加工中心的效率优势，以“一面一芯一点”定位为核心设计思想。3气动夹具的设计尧制作和装配要求3.1气动夹具底板的设计和制作要求因Q235-A普通碳素结构钢含碳适中、具较好的综合性能，故将其作为气动夹具的底板材料。裁切后厚度12mm得较好的平面度、的坯料先于普通铣床铣削六面；平行度和垂直度；最后利用加工中心，后经磨削处理以获对底板上的各定位孔、安装孔和工艺孔进行加工。夹具底板图纸见图2。根据设计要求，镶嵌在底板上的60支定位柱，是零件安装的定位元件。定位柱可通过车床设备制作，底板与定位柱的配合部分为覫6H7/n6。装配时，使用木锤或铜棒敲击定位柱端面。装配后，应检测同一列定位柱的直线度、轴·99·表1数控加工工艺卡单位名称产品名称或代号零件名称零件图号二位五通双电控电磁阀端盖工序号程序编码夹具名称使用设备加工车间002VMC850数控车间序号工步内容刀具号刀具规格主轴转速进给速度背吃刀（r/min）（mm/min）量mm1安装孔处预制定位孔T01覫6120毅8002002钻覫9台阶孔钻覫4.5通孔T02覫4.4/覫8.8中心钻台阶钻32002003预制M3螺纹孔的底孔T03覫2.5钻头450045054M3-6H钻覫3螺纹孔攻丝气道孔T05T04M3覫3挤压丝锥钻头10002500200300编制审核批准年月日共页第页线与底板的垂直度，保证各定位柱之间的直线度及其与底板的垂直度在允许的误差范围内。考虑到气动夹具的使用频率，定位柱容易磨损，影响零件的定位精度，定位柱的材料为#45钢，车削后进行调质处理。定位柱以“镶块”形式，于夹具整体且易于更换。3.2夹具气缸体的设计为简化夹具气缸体的制作，在选材方面可采用掏空制作的方铝棒，铝棒内预留覫18mm通孔，可作为夹具的组合式气缸体。方铝棒一端采用内六角螺栓封闭，另一端连接气道。根据设计要求，每一组气缸共设12个工位。方铝棒经前期工序处理后，使用覫6/覫17.9台阶钻在气缸体侧基面以等距阵列钻孔，相邻两孔的定位基面，对称于气缸体两侧基面的中心平面。孔径较小一侧安装自制活塞杆，元件见图3，为保证缸体静态条件下的气密性和延缓活塞杆的磨损，应于其切槽处套上O型密封圈；活塞杆还应配套复位弹簧，当缸内气压下降，弹簧反作用推力使活塞杆回复到初始位置；孔径较大一侧在钻削后以M20起到密封气缸体的作用，同时亦可以作为零件安装的定丝锥攻丝，安装自制非标六角螺旋端盖，元件见图4，位支承点。技术要求：未标注倒圆角R0.5，未标注倒角技术要求：为C0.5未标注倒圆角R0.5图3气缸活塞杆图4气缸六角螺旋端盖3.3夹具气缸的安装·100·内燃机与配件图2夹具底板气缸体的装配如图5所示。气缸体的装配完成后，气可直接安装在夹具底板上。为保证零件的定位精度，气缸侧基面与气缸底板缸侧基面与底板侧基面平行度、应检的垂直度，都有着较严格的装配要求。气缸装配后，查气缸上每列六个六角螺栓端盖的外立面是否处于同一平面上。图5气缸装配图使夹具的底板与通过上述一系列的装配、调整过程，气缸形成一个有机的整体，充分保证零件的定位精度和加工精度。4零件的定位以及夹紧4.1零件的定位分析（1）将其放置在加工中心工作台面气动夹具制作完成后，上。使用百分表检测夹具侧基面与机床各轴向的平行度，注：Ft—轴向进给力；Kc—单位切削力；Dc—钻头直径；继而使用Fn—每转进给量；并对夹具主要定位基准面与工作台面校正平行，Kr—主偏角压板紧固气动夹具。（2）零件于夹具上的定位元件，主要为定位柱和夹具底板。定位柱只能零件的X、Y轴向移动自由度，作为零Z轴向移动自由度以及件主要定位基准的夹具底板，即一面一芯的定位组合方式共X、Y轴向转动自由度。气缸上的外六角螺栓端盖立面与零件零件的五个自由度。的接触面积较小，可视为支撑点Z轴向转动自由度，以实现零件的完全定位。4.2气动夹具夹紧装置的设计通过气压推动活塞杆，零件定位安装后，对零件施加夹紧力。夹紧力作用方向与定位柱轴线支点构成夹紧力比较而言，臂，夹紧力臂大于切削力与定位柱轴线支点所皆形成的切削力臂。当夹紧与切削两力矩作用方向相同，为顺时针时，作用力施加在支承点上；当两力矩作用方向基于力矩平衡原则，实际所需夹紧力小于切削力。相反时，杠杆式定位夹紧机构，既有利于提高装夹稳定性和切削刚度，又能有效降低对夹紧出力的需求。在核定夹紧力时，应在合理适量前提下设置夹紧出力。因此，夹紧力的计算应根据夹具机构的工作原理，综合分析切削力、复位弹簧反作用力以及气缸内各构件摩擦系数等主要因素对夹紧装置的影响。4.2.1理论切削力的计算要求使用不同规格的钻头端盖零件的钻削处理工序，（表1）进行钻削。基于数控加工工艺卡表，利用以下的切削力、功率及扭矩计算公式计算切削力。InternalCombustionEngine&Parts注：Pc—净功率；Vc—切削速度。·101·注：k1—基本安全系数；k2—粗/精加工性质系数；k3—刀具钝化因子；k4—切削特性参数。（3）本案的k1、k2、k3、k4系数分别为1.2、1、1.1、1，即总安全系数约为1.3。赋予安全系数后的实际夹紧力为注：Mc—扭矩；仔—圆周率；n—主轴转速。夹紧机构所提供的夹紧力应不少上述公式不适115.7N。根据上述论证，M3-6H螺纹孔使用M3挤压丝锥攻丝，于116N（约11.8kgf）。应通过以下公式计算：用于攻丝切削力的计算过程，4.2.4气缸压力计算及气动控制系统（4）生产车间空压站核定最大供压约为0.7MPa，考虑负注：A—切屑截面积，A=0.25伊P2，P为牙距；d1为丝锥大径。钻削切向力F运动为旋转运动并产生主要切削力，c可由力矩计算模型进行推导。刃具主研究分析表明，切向切削力大于钻削过程中的轴向切削力以及径向切削力。因此，本案在进行切削力分析时，仅考虑切向切削力对气动夹具夹紧装置的影响。使用标准台阶钻加工覫4.5/覫9台阶孔的切削力为110N，M3挤压丝锥攻丝时为150N，两工步的切削力大于其他工步。零件在加工过程中，当切削力形成逆时针转动最大力矩时，实际所需夹紧力最大。基于力矩平衡原则，夹紧力臂与切削力臂之比，计算理论切削力。结果显示加工覫9台阶孔时所需理论夹紧力最大，约为76N。4.2.2复位弹簧反作用力的计算夹具夹紧过程中，夹紧力还应克服复位弹簧的反作用力，才能实现对零件的夹紧。弹簧复位力与弹簧常数密切相关，本案弹簧常数计算公式如下：（5）D注：K—弹簧常数；G—线材刚性系数；d—弹簧线径；m—弹簧中径；N经计算，弹簧常数计算结果为c—有效圈数。0.10698kgf，即弹簧每压缩1mm，产生0.10698千克力。本案的复位弹簧最大压缩量约4mm，复位弹簧最大弹簧复位负载为4.2N。当气缸内气压下降，复位弹簧的反作用推力使活塞杆离开夹紧力作用点，以便于零件的拆卸。此外，活塞杆材质为黄铜，经计算其自身重力远小于弹簧复位力，复位弹簧力足以推动动活塞杆作复位运动。4.2.3夹紧力的核算理论上而言，夹紧机构所提供的夹紧力，应大于理论切削力与弹簧复位力的总和，即夹紧力不能低于80N。但在实际操作过程中，该值为基于静力平衡状态下所估算的理论夹紧力，还需要将气缸摩擦系数以及夹紧力安全系数纳入到实际夹紧力计算的考虑范畴。经分析，夹具气缸摩擦系数核定为0.9。夹紧机构提供的夹紧力还应克服气缸内密封圈的摩擦阻力，即夹紧力的理论值不能低于N。为保障生产稳定性和夹紧可靠性，夹紧机构的实际夹紧力应赋予其一定的安全系数权重。安全总系数K计算公式如下：（6）载及气损等问题，一般不高于0.6MPa（约6atm）。现计算压缩空气压力，公式如下：（7）注：P—压缩空气压力；F—夹紧力；d—气缸直径。气动夹具气缸的活塞杆零件直径1.8cm，夹紧力不少于4.6atm11.8kgf气压力调整。（即。经计算，实际所需压缩空气压力的约值为0.46MPa空气压力调整后为），可使用QTY-150.5MPa调压阀进行压缩空（约5atm），完全能够满足生产的实际需要。生产中经常遇到输气管破损或其他原因导致气缸内的气压逆流，可加装单向控制阀，为气动夹具气压回路提供有效保护。5总结采用传统工装夹具的生产方式，熟练工人每处理一个端盖零件平均耗时32动夹具进行批量生产，个零件。本案选用15VMC850分钟，一名熟练工人每班只能生产经一次装夹能加工加工中心，并配套多工位气60件端盖零件。在应用实践阶段进行工时测定，加工60件端盖零件仅需一小时，生产效率较以往提高了10多倍。更为重要的是，根据原工艺条件需36名工人轮班生产。生产50000件零件需耗时44天。而使用加工中心进行排产，186名加工中心操作工安排三班，完成订单任务仅需动力。天，人力成本仅为工艺改善前的7%，节省了大量的劳综上所述，利用VMC850加工中心资源推行批量生产模式，并在此基础上进行装夹工艺的改良，使生产效率得到大幅度的提升，既能保证按时交付订单产品，又节省了大量的劳动力资源，并取得了良好的经济效益。参考文献2008.[1]卢秉恒院.机械制造技术基础[M].二版.机械工业出版社，[2]京航空航天大学学报：[3]朱祖良金燕鸣，.孔加工刀具钟文旺，熊国雄[M].北京：.高速钻削复合材料的切削力国防工业出版社社，1990.[J].2010.[4]孟强.浅谈麻花钻几何角度对切削性能的影响英文版，2007.南[J].科技风，2012.[5]王超.钻削力的仿真分析与实验研究[D].西安理工大学，出版社，[6]尹成湖，周湛学.机械加工工艺简明速查手册[M].2010.[7]朱耀祥，2016.化学工业浦林祥.现代夹具设计手册[M].机械工业出版社，[8]成大先，等.机械设计手册[M].六版.化学工业出版社，2016.