发动机连杆螺栓孔、轴瓦卡槽加工专用机床设计

２０１６年４月第４４卷第８期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＡｐｒ􀆰２０１６Ｖｏｌ􀆰４４Ｎｏ􀆰８ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１００１－３８８１􀆰２０１６􀆰０８􀆰０１１收稿日期：２０１５－０３－１６基金项目：重庆市科委科技项目（ＣＳＴＣ２０１３ＪＣＣＸＢ６０００１）作者简介：黄娟（１９８７—），女，硕士研究生，助教，研究方向为机械电子工程。Ｅ－ｍａｉｌ：４６００４６９３１＠ｑｑ􀆰ｃｏｍ。发动机连杆螺栓孔、轴瓦卡槽加工专用机床设计黄娟１，肖铁忠２，罗静３（１􀆰四川工程职业技术学院机电工程系，四川德阳６１８０００；２．四川工程职业技术学院车辆工程系，四川德阳６１８０００；３􀆰重庆理工大学机械工程学院，重庆４０００５４）摘要：连杆是发动机的重要传动部件之一，连杆体、连杆盖螺栓孔的精度直接影响连杆的工作精度。通过分析连杆螺栓孔加工难点，并对比传统加工方法的优劣，提出双工位三面同时加工多副连杆的全新工艺方案；通过对机床工艺方法、运动装配、精度要求、自动化程度及生产效率等的分析，确定机床的整体布局，重点介绍后端五主轴变速箱及进给数控滑台的结构。生产实践表明：设计的工艺及装备使连杆螺栓孔的生产效率提高了３０％左右，产品合格率达到９８％以上。关键词：连杆；螺栓孔；工艺方案；结构设计中图分类号：ＴＨ１２２　　文献标志码：Ｂ　　文章编号：１００１－３８８１（２０１６）０８－０３１－３ＤｅｓｉｇｎｏｆＳｐｅｃｉａｌＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌｆｏｒＭａｃｈｉｎｉｎｇＢｏｌｔＨｏｌｅｓ，ＢｅａｒｉｎｇＳｌｏｔｉｎＥｎｇｉｎｅＣｏｎｎｅｃｔｉｎｇＲｏｄＨＵＡＮＧＪｕａｎ１，ＸＩＡＯＴｉｅｚｈｏｎｇ２，ＬＵＯＪｉｎｇ３（１􀆰ＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＳｉｃｈｕａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ，ＤｅｙａｎｇＳｉｃｈｕａｎ６１８０００，Ｃｈｉｎａ；２􀆰ＶｅｈｉｃｌｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＳｉｃｈｕａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ，ＤｅｙａｎｇＳｉｃｈｕａｎ６１８０００，Ｃｈｉｎａ；３􀆰ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００５４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｒｏｄｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐａｒｔｓｉｎｅｎｇｉｎｅ．Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｂｏｌｔｈｏｌｅｓｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｒｏｄｂｏｄｙａｎｄｒｏｄｃａｐｄｉｒｅｃｔｌｙａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｏｆｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｒｏｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｚｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｏｆｂｏｌｔｈｏｌｅｓｉｎｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｒｏｄａｎｄｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｐｒｏｓａｎｄｃｏｎｓｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｅｗｐｒｏｃｅｓｓｓｃｈｅｍｅｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄｔｏｐｒｏｃｅｓｓｍｕｌｔｉ⁃ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｒｏｄｓａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅｂｙｄｏｕｂｌｅｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｒｅｅｓｉｄｅｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｍａｃｈｉｎｅｐｒｏｃｅｓｓｍｅｔｈｏｄｓ，ｍｏｔｉｏｎａｓ⁃ｓｅｍｂｌｙ，ａｃｃｕｒａｃｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ａｕｔｏｍａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｌａｙｏｕｔｏｆｔｈｅｍａｃｈｉｎｅｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．ＴｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｂａｃｋｅｎｄｆｉｖｅｍａｉｎｓｈａｆｔｇｅａｒｂｏｘａｎｄｆｅｅｄＣＮＣｓｌｉｄｉｎｇｔａｂｌｅｗｅｒｅｈｉｇｈｌｉｇｈｔｅｄ．Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒａｃｔｉｃｅｓｈｏｗｓｔｈａｔｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｄｅｓｉｇｎｅｄｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｍａｋｅｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｒｏｄｂｏｌｔｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙｉｎｃｒｅａｓｅｂｙａｂｏｕｔ３０％，ａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｑｕａｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｒａｔｅｒｅａｃｈｓｍｏｒｅｔｈａｎ９８％．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｒｏｄ；Ｂｏｌｔｈｏｌｅｓ；Ｐｒｏｃｅｓｓｓｃｈｅｍｅ；Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎ　　连杆是发动机的重要传动部件之一，在工作中承受着剧烈变化的动载荷，连杆体与连杆盖一般通过螺栓及螺母连接，故螺栓孔的尺寸及形位精度将直接影响体、盖的连接精度，从而影响连杆的工作精度［１－２］。连杆螺栓孔的传统加工方法是在钻床上对体、盖分别钻削、粗铰、精铰加工，其缺点是两螺栓孔中心距公差、中心线的平行度、结合面的垂直度等均较难达到图纸的设计要求，且生产效率、合格率低［３－４］。为此，文中提出了全新的工艺方案，并设计了机床结构。通过实践证明：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要求及合格率。１　工件加工难点分析连杆螺栓孔及轴瓦卡槽的加工工艺要求如图１所示，可知：连杆加工的形位、尺寸精度要求均较高，难度较大，主要体现在：（１）螺栓孔的粗、精加工及卡槽的加工均在同一台机床上完成；（２）此工序生产节拍为０􀆰８ｍｉｎ／件；（３）４个螺栓孔的尺寸精度为ＩＴ６级，即ϕ８＋０􀆰０９０ｍｍ；（４）螺栓孔中心距（５０±０􀆰１）ｍｍ；（５）４个螺栓孔精加工后表面粗糙度值为１􀆰６μｍ；（６）连杆体螺栓孔轴线与连杆盖螺栓孔轴线同轴度为ϕ０􀆰００６ｍｍ；（７）４个螺栓孔轴线与连杆侧面平行度为０􀆰００８ｍｍ；（８）４个螺栓孔轴线与连杆连杆体、连杆盖结合面的垂直度为０􀆰００８ｍｍ。图１　连杆加工精度要求示意图　　综上，要达到图样的精度及生产节拍要求，难度较大。２　工艺方案设计连杆螺栓孔的加工是连杆加工的关键工序之一，连杆的尺寸精度、形位精度及表面粗糙度要求均较高［５－６］。企业一般在摇臂钻床上采用钻削、粗铰、精铰加工工艺完成螺栓孔的加工，因体、盖分开加工，钻、铰工序间需要换刀，故此方法存在较大的缺陷：加工效率低，加工精度不高且不稳定，废品率高，无法满足高精度、低废品率及大批量生产的要求［７］。文中提出了如图２所示的加工工艺方案，具体工艺过程是：循环加工时，在机床前端工位二处装夹第一副连杆，启动机床循环，数控圆台旋转９０°至机床的左端，对连杆螺栓孔进行钻削加工，完成后再旋转９０°至机床的后端，对连杆体小头润滑油孔进行钻削加工，完成后再旋转９０°至机床的右端，此时工件不加工，之后再旋转９０°至机床前端工件装卸处，完成工件的粗加工（第一副连杆再次达到机床前端工件装卸处前均在工位二处装夹新工件）；然后，将工位二的第一副连杆半成品移至工位一处装夹，工位二处装夹第五副连杆，数控圆台旋转９０°至机床的左端，对第五副连杆螺栓孔进行钻削加工，对第一副连杆进行粗铰，再旋转９０°至机床的后端，对第五副连杆体小头进行钻削加工，对第一副连杆进行精铰加工，再旋转９０°至机床的右端，第五副连杆不加工，对第一副连杆轴瓦卡槽铣槽，再旋转９０°至机床前端工件装卸处，第一副连杆加工完毕，将第五副连杆移至工位一处，工位二处装夹新连杆；第一副连杆加工完毕前，均在机床前端将工位二的连杆移至工位一，工位二上装夹新连杆，完成第一副连杆加工后，将工位一的成品取下，将工位二的半成品移至工位一，工位二装夹新连杆，如此循环往复对工件进行加工。图２　连杆加工方案３　机床结构设计３􀆰１　整体布局方案通过对机床工艺方法、运动装配、精度要求、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。机床采用卧式结构，机床由床身、大圆形数控转台、４个工件夹具系统、３个数控滑台、３个进给电机、３个主轴箱、３个主轴电机、钻刀、铰刀、铣刀、数控装置等组成。大圆形数控转台设置在床身中央，带动其上的夹具旋转，该大圆形数控转台上均布４个夹具系统，用于连杆体和连杆盖的定位夹紧；机床左端、后端及右端各设置１个数控滑台，３个数控滑台均通过伺服电机经丝杠传动完成进给运动；数控·２３·机床与液压第４４卷滑台上设置主轴箱，主轴电机驱动设置在主轴箱上的主轴旋转，主轴带动钻刀、铰刀及铣刀转动，由钻刀、铰刀及铣刀对连杆加工。该机床经２次装夹完成工件的粗、精加工，工人劳动强度低，易于操作及维修。图３　机床布局方案３􀆰２　动力系统设计３􀆰２􀆰１　主运动传动系统结构设计主轴的旋转运动是主运动。机床的３个主轴箱均采用多主轴结构，以保证机床在循环加工时所有主轴同时旋转，带动刀具旋转，其中左端主轴箱有８个主轴、后端主轴箱有５个主轴、右端主轴箱有２个主轴。设计的后端５主轴箱结构如图４所示。由图４知，动力由输入轴６传进主轴箱，输入轴上的齿轮与传动轴上的齿轮啮合，再经相邻两传动轴上的齿轮两两啮合带动所有传动轴旋转，３个传动轴上的齿轮与主轴上的齿轮啮合，带动５个主轴旋转，从而带动刀具１０旋转；主轴箱的润滑油由油泵提供，油泵由传动轴上齿轮与油泵齿轮啮合带动；左端８主轴箱、右端２主轴箱结构都与后端主轴箱结构类似。图４　后端主轴箱结构图３􀆰２􀆰２　进给运动传动系统结构设计主轴的轴向运动是进给运动，即数控滑台的左右（左、右数控滑台）或前后（后数控滑台）运动。机床左、后及右数控滑台均采用伺服电机驱动的滚珠丝杠螺母副实现滑台的直线运动，其结构如图５所示。伺服电机轴通过联轴器将动力传递至滚珠丝杠，丝杠安装座与工件滑台固接在一起，将丝杠的旋转运动转化为滑台的直线运动，完成数控滑台的进给运动。图５　数控滑台结构４　结束语（１）通过分析连杆螺栓孔的加工难点，确定了工（下转第４８页）·３３·第８期黄娟等：发动机连杆螺栓孔、轴瓦卡槽加工专用机床设计　　　量越少，但总体对节能影响效果较小；从图６（ｂ）可以看出：ｐｃ越大，发动机在汽车行驶过程中输出能量越多但相差较小。出现这种差别主要是因为ｐｐｒｅ越大发动机介入越早，过早的介入会使得储能器放能速度变缓，待汽车制动回能时，储能器中的能量并未耗尽所致。通过能量曲线可以看出整个车辆行驶过程中串联型液压混合动力传动系统比传统的静液压传动系统节能４０％左右。图６　汽车耗能与发动机供能曲线６　结论设计了一种串联型液压混合动力传动系统，分析了该系统的各种工作状况，提出了相应的能量管理策略，以此为基础使用ＡＭＥＳｉｍ仿真软件建立了系统仿真模型，仿真结果表明所设计的串联型液压混合动力传动系统比传统的静液压传动系统节能４０％左右，通过对不同储能器的充气压力和发动机介入压力仿真曲线的比较发现：充气压力越大和发动机介入压力越小，系统节能效果越好，但总体影响较小。由于汽车行驶工况变化复杂，针对不同的行驶工况，如何使得发动机和液压储能器供能分配达到最优，以及该能量管理策略的优化和发动机匹配等问题需进一步研究。参考文献：［１］中国汽车工业协会．２０１４年１２月汽车工业产销情况简析［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃａａｍ．ｏｒｇ．ｃｎ／ｚｈｅｎｇｃｈｅ／２０１５０１１２／１７０５１４４３５１．ｈｔｍｌ，２０１５－０１－１２．［２］李永福．道路运输车辆燃料管理政策与发展方向［Ｒ］．北京：交通运输部公路科学研究院，２０１１．［３］王玮．液压混合动力车辆能量管理策略研究［Ｄ］．长春：吉林大学，２０１１．［４］杜玖玉．车辆液压机械储能传动技术研究［Ｄ］．北京：北京理工大学，２００９．［５］ＲＡＭＡＫＲＩＳＨＮＡＮＲ，ＨＩＲＥＭＡＴＨＳＳ，ＳＩＮＧＡＰＥＲＵＭＡＬＭ．ＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅＥｆｆｅｃｔｏｆＳｙｓｔｅｍＰａｒａｍ⁃ｅｔｅｒｓｉｎＳｅｒｉｅｓＨｙｄｒａｕｌｉｃＨｙｂｒｉｄＳｙｓｔｅｍｗｉｔｈＨｙｄｒｏｓｔａｔｉｃＲｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅＢｒａｋｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１２，２６（５）：１３２１－１３３１．［６］伍迪，姚进，韩嘉骅，等