发动机缸体斜油孔钻削专用夹具设计.pdf

湖北汽车工业学院学报Journal of Hubei University of Automotive Technology第 37 卷第 2 期2023 年 6 月Vol.37 No.2Jun.2023doi：10.3969/j.issn.1008-5483.2023.02.016发动机缸体斜油孔钻削专用夹具设计陈子春，陈勇，王令，杨振华（湖北汽车工业学院 机械工程学院，湖北 十堰 442002）摘 要：针对某四缸发动机缸体5个斜油孔钻削中加工效率低、精度误差大、自动化水平低的问题，采取工序集中原则，提出一次装夹后对5个斜油孔同时加工的工艺方案；考虑缸体生产中经输送轨道运输，确定了由右端液压油缸带动中间被夹紧后的夹具和缸体一起旋转至斜油孔与左端水平放置的专用机床主轴同轴位置后，经导向装置引导加工的整体布局方案和加工姿态；阐述了夹具的结构组成和工作原理，进行了夹紧力计算和关键定位块有限元分析，验证了夹具的可行性。关键词：斜油孔；专用夹具；导向装置；有限元分析中图分类号：U468.2+1文献标识码：A文章编号：1008-5483（2023）02-0076-05Design of Special Fixture for Drilling Inclined OilHoles of Engine Cylinder BlockChen Zichun,Chen Yong,Wang Ling,Yang Zhenhua（School of Mechanical Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China）Abstract：In view of the problems of low processing efficiency,large precision error,and low automation level in the drilling of five inclined oil holes in the cylinder block of a four-cylinder engine,ascheme of simultaneously processing five inclined oil holes after one clamping was proposed based onthe principle of process centralization.By considering the transportation of the cylinder block throughthe conveying track during production,the overall layout scheme and processing attitude were determined.Specifically,with the help of the guiding instrument,the right hydraulic cylinder drove the middle clamped fixture and cylinder block to rotate to the coaxial position of the inclined oil hole and thespindle of the special machine tool placed horizontally at the left end.The structure and working principle of the fixture were clarified.The clamp force calculation and finite element analysis of the key positioning block were carried out to verify the feasibility of the fixture.Key words：inclinedoilhole;specialfixture;guidinginstrument;finiteelementanalysis收稿日期：2023-01-04基金项目：教育部产学合作协同育人项目（202102213049）；湖北省高等学校实验室研究项目（HBSY2021-19）第一作者：陈子春（1998-），男，硕士生，从事智能制造方面的研究。E-mail：通信作者：陈勇（1972-），男，副教授，从事智能制造方面的研究。E-mail：斜油孔是润滑油的通道，润滑油经斜油孔进入连杆颈和主轴颈，通过对轴瓦与曲轴等相关部件摩擦表面进行油膜覆盖来达到润滑的目的1。类似于缸体曲轴斜油孔的深孔结构加工一直是机械加工的难点2-4：无法直接观察刀具加工状况，只能通过排屑形状和声音等来判断；加工时的振动对刀具第37卷 第2期的垂直度易产生影响；散热困难、排屑不易，易加剧钻头的磨损，影响加工质量等。刘玉梅5将组合机床主轴设计为斜向，对水平夹紧后的缸体沿斜油孔方向加工，降低了企业成本。单艳芳6设计专用夹具，将专用机床沿水平方向对经人工装夹后对倾斜的缸体斜油孔进行加工，提高了生产合格率。Tauviqirrahman7通过有限元方法对夹具系统进行载荷建模，得到了最大变形量。结合2种加工方式和生产实际，针对斜油孔的钻削过程设计了专用夹具，由液压缸拖动被加工缸体来回旋转进行加工，降低了人力消耗，提高了生产效率。同时添加相关电子元件来提高自动化水平，为斜深孔类零件大规模生产提供了参考。1工艺分析在对某缸体斜油孔进行枪钻加工时，由于没有较好的专用夹具，且是单孔加工，加工步骤繁琐，整体自动化水平偏低，导致影响误差因素较多，废品率较高，总加工时间过长，满足不了企业生产效能。缸体加工技术图如图1所示，被加工孔直径为5 mm，沿水平方向均匀分布，与垂直方向角度为321535，打通至主管路。a 主视图b 左视图图1 缸体加工技术图2工艺方案及夹具布局设计2.1 工艺方案以加工中心为主体的柔性生产线技术是未来加工制造的趋势8。鉴于缸体需大规模生产和具有多个待加工孔的特点，且各孔之间有位置度要求。为保证加工质量和生产效率，采取工序集中原则，加工中心选用ZK21025五轴数控深孔钻床，选取ZD1-1867（企业型号）5450双槽双刃枪钻。2.2 夹具布局设计整体工艺布局如图2所示。专用夹具和刀具等结构均固定于床身上方，左端加工刀具嵌入导向装置内，由上端多轴箱传动动力，共同位于伺服滑台上方，由安装在垫铁处的驱动装置驱动。中间缸体经专用夹具固定夹紧后，由右端液压油缸带动来回旋转。缸体与随行夹具由输送轨道输送至夹具中间位置后，托盘等辅助上料机构带动缸体和随行夹具下降，直至缸体落在夹具上的定位元件位置；夹紧机构向下对缸体夹紧；液压油缸收缩旋转直至夹具定位块C和支座定位块D贴合；驱动装置带动刚性多轴箱向右推进，在导向装置的配合下，由专用刀具对5个斜油孔同时加工，如图3所示。加工完成后向左退刀；液压油缸伸长带动整体旋转直到123456789 10 11 12 1314151617181-支座；2-定位柱A；3-定位柱B；4-驱动装置；5-床身；6-垫铁；7-伺服滑台；8-多轴箱；9-导向装置；10-刀具；11-辅助上料机构；12-随行夹具；13-缸体；14-夹具主体；15-夹紧机构；16-夹具定位块C；17-夹具定位块D；18-液压油缸图2 夹具布局图图3 斜油孔加工示意图陈子春，等：发动机缸体斜油孔钻削专用夹具设计 772023年6月湖北汽车工业学院学报定位柱A和B贴合；托盘等辅助上料机构带动随行夹具上升托起缸体返回输送轨道。3专用夹具设计3.1 定位及夹紧设计方案定位基准选择是否合理，不仅影响到工件装夹是否准确、可靠和方便，工件的加工精度是否易于保证，而且影响到零件各个加工表面的加工顺序，甚至还会影响到工艺装备的复杂程度9。结合“一面两销”定位方式和经输送轨道运输分析，采用垂直并相交于67A和67B孔的轴线作为定位基准。由于该轴线没有实际的几何形状，故将已经加工后的67A和67B作为限制自由度的定位孔，400面作为定位基面，完全限制缸体的自由度，避免缸体翻转。为防止缸体类大尺寸薄壁零件在夹紧、加工时产生较大的弹性形变，选取多个已加工平行400面的平面作为辅助支撑面。夹紧力在投影方向靠近定位基面对称布置，作用于300面及其平行面，方案如图4所示。67A67Ba 主视图300面400面b 左视图图4 定位夹紧方案3.2 夹具主体设计使用各种自动化设备辅助传统加工实现无人自动化生产是大势所趋10。夹具主体承受主要载荷，其质量品质决定整个工序生产的品质。设计装配后的模型如图5所示，主要包括承载的夹具主体、限制缸体自由度的定位元件、上方浮动夹紧机构、后方带动整体旋转的旋转机构、下方运输缸体的辅助上料机构、适应自动化需求安装的电子元件，还包括保证定位精度的气密性检测设计，如装配在夹具上的5个光电开关分别对应5个枪钻位置，若枪钻位置出现偏差，机床会报错，停止加工。3.3 定位元件设计定位元件安装误差和制造误差对夹具的定位精度有着极其重要的影响11。根据缸体结构和所拟定的定位方案，定位元件设计如图6所示。考虑到普通圆销定位受力容易变形，导致精度下降，故将其配合67A孔的高度低于右侧定位块高度，并将底部设计为较大锥形，加强刚度。67B孔周围配合部分空间不足，为避免定位销承载，将定位块与定位销合成一体。因67A孔与斜油孔有直接尺寸关系，故67B孔处选用菱形销，菱形销与销的连心线方向相同12，消除2个定位孔中心距误差造成的过定位影响13。同时，所有定位块内部均设有气密性检测的气孔，辅助检测定位精度。定位块菱形销定位块圆柱销定位块定位块图6 定位元件3.4 夹紧元件设计夹紧装置位于夹具上端，通过液压油缸提供压力进行夹紧。为保证缸体夹紧时受力均匀，对夹紧机构进行柔性设计，使压板在一定角度范围内旋转，末端采用压头对4个小平面进行压紧。同时为了提高夹具自动化程度，分别安装信号盘和无触点开关，控制液压油缸推进速度，减少人工操作。如图7所示，夹紧时上方信号盒偏移第1个开关后，液夹具主体光电开关定位元件辅助上料机构夹紧机构旋转机构图5 夹具主体 78第37卷 第2期压油缸快进推动轴向下移动，当下方信号盒到达第2个开关时，液压油缸杆工进，压头触碰缸体继而推动压板旋转，直到另一端压头触碰缸体，两边压头负载增加，当2个信号盒分别到达下方2个开关对应位置时，液压油缸停止运动，完成对缸体夹紧。3.4.1 夹紧力计算缸体材料为球墨铸铁，硬度HB取240，专用刀具为高速钢双槽双刃枪钻。单个斜油孔加工时的扭矩和轴向切削力计算公式为M=0.21D2f0.8KP（1）Fa=433Df0.8Kp（2）Kp=()HB1500.6（3）式中：M为切削转矩；Fa为轴向切削力；D为刀具直径，取5 mm；f为每转进给量，取0.047 mmr；KP为修正系数。求得M为0.617 Nm，Fa为524.7 N，KP为1.358。当5个斜油孔同时加工时，转矩对缸体造成的影响互相抵消。夹紧力Fb与轴向切削力Fa的夹角为122.15，依靠静摩擦力Ff保证缸体的夹紧状态，沿斜面受力分解得：F1=(FbK+Gcos32.15-5Fasin32.15)（4）F2=5Facos32.15+Gsin32.15（5）式中：为摩擦系数，取0.3；G为缸体质量，取1500 N；K为安全系数，取 2。F1与F2相等，联立式（4）（5），求得Fb为11 325 N。根据计算结果，采用进油腔压力5 MPa、活塞杆外径60 mm、内径22 mm的液压油缸提供夹紧力，保证定位销不受力，缸体加工时不会产生位移。3.5 旋转机构设计旋转机构如图8所示，支座上装配无触点开关以满足安全和自动化要求，相关定位元件增添气密性检测设计以保证整体精度。初始位置时，底部定位柱和夹具主体贴合，待上料和定位夹紧等工步完成后，液压油缸快速收缩带动夹具绕着转轴旋转。当夹具主体接近无触点开关时，信号反馈至液压系统，液压缸工进收缩直至夹具定位块和支座定位块贴合后停止运动。转轴与支座内部装配如图9所示，螺母和键分别限制转轴X方向移动和转动，轴与支座的长接触限制Y与Z方向的其余自由度，保证缸体旋转过程中不会发生偏移。夹具定位块支座定位块无触点开关液压油缸夹具支柱底部定位柱 转轴支座图8 旋转机构1234567XYZ1-转轴；2-右螺母；3-支座；4-键；5-油封；6-轴承；7-左螺母图9 支座内部装配图3.6 辅助上料机构设计辅助上料机构如图10所示，由托盘、油缸、导向机构组成。导向机构与托盘通过螺栓连接，在油缸带动托盘和随行夹具上下运动时，避免托盘偏移，保证缸体的上下料工序正常进行。随行夹具托盘油缸导向机构图10 辅助上料机构4有限元验证因夹具模型和缸体结构左右偏差相对夹具整信号盒无触点开关导杆液压油缸压轴活动压板压头图7 夹紧装置陈子春，等：发动机缸体斜油孔钻削专用夹具设计 792023年6月湖北汽车工业学院学报体质量占比较小，故设定装夹后的夹具整体质量左右近似相等。分析旋转定位，钻削过程中主要涉及夹具倾斜部分和缸体重力（10 238N）、Fa（2623.5 N）、Fc（12 236.5 N）、液压油缸拉力（17 592.9 N）和支座定位块支撑力Fe。支座定位块体积远小于底部转轴，即承载能力远小于转轴，且定位件对加工精度影响较大，故选取支座定位块进行分析。以转轴中心为坐标原点，列力矩平衡方程，得Fe为16 164.4 N，即支座处左右定位块受力分别为8082.2 N。定位块材料为20CrMnTi，弹性模量为2.071011Pa，泊松比为0.25，密度为7800 kgm-3。在HyperMesh中建立定位块有限元模型，划分网格并施加约束和载荷，分析缸体在加工过程定位块的应力和应变。如图11所示，最大应力为51.2 MPa，远小于材料的屈服强度835 MPa，最大应变为2.03310-3mm，斜油孔角度偏移忽略不计，满足加工要求。a 网格模型图b 定位块应力图c 定位块应变图图11 定位块有限元模型5结论文中对发动机缸体斜油孔加工技术要求进行工艺分析，确定了夹具整体布局和加工姿态，设计了钻削过程的专用夹具，阐述了夹具工作原理，通过HyperMesh对加工过程中关键定位块进行静力学分析，验证了夹具的可行性。参考文献：1罗静，肖铁忠，龚文均，等.发动机缸体曲轴孔加工专用镗床设计 J.制造技术与机床，2013（9）：76-79.2赵明月.复合钻风电大齿圈螺纹连接深孔加工工艺研究 J.机械工程与自动化，2022（3）：127-128.3张思婉.机械加工中的深孔加工技术研究 J.中国设备工程，2021（14）：198-199.4吴宏宝，秦俊，张毅，等.基于机械加工的深孔加工技术探析 J.中国金属通报，2019（8）：270，272.5刘玉梅，邢鹏飞，潘为祥，等.发动机机体通大侧面斜油孔加工工艺研究 J.制造技术与机床，2009（2）：159-161.6单艳芬，肖铁忠，黄娟.汽车发动机缸体斜油孔加工工艺 J.制造技术与机床，2019，69（2）：109-112.7Tauviqirrahman M.Pemodelan Pemesinan Untuk PrediksiDeformasi Benda Kerja Dalam Sistem Fixture DenganMetode Elemen Hingga J.ROTASI，2006，8（3）：35-40.8李鹏.现代汽车发动机制造工艺的发展动向 J.内燃机与配件，2019（11）：119-120.9喻步贤，钟毅，朱守干.分动箱壳数控铣削工艺及多工位夹具设计与应用 J.组合机床与自动化加工技术，2015（10）：134-137.10杨俊，卢勇，吴义荣.基于GSK-RB工业机器人的电机端盖加工自动上下料功能实现 J.机电工程技术，2013，42（7）：42-44，146.11王凯.工件夹具系统综合误差建模及夹具优化设计方法研究 D.天津：天津大学，2014.12Liang G X，Lv M，Gao X X.The Relationship betweenthe Distribution Characteristics of Cutting Speed at theContact-point and the Surface Quality of Gear Teeth J.Advanced Materials Research，2010，135：128-133.13齐彦，汪韬，康西英.一种生产线用缸体夹具的设计与实现 J.制造技术与机床，2021（10）：128-132，139.80