李 明1  栗全庆1  王合增2  刘健康2

　　1.郑州航空工业管理学院  2.中国一拖集团有限公司工装设计研究所

　1 概述

　　凸轮轴是拖拉机发动机中的重要零件之一， 它的加工精度直接影响拖拉机的整机质量。凸轮轴法兰面上的孔系加工工序较多、 精度要求高， 原采用多台机床进行加工， 不但设备投资大， 占地面积多， 浪费资源， 而且因多次采用毛胚面定位， 使加工质量难以保证， 废品率较高， 因此法兰面孔系的加工就成为凸轮轴生产线上的瓶颈工序。在全面分析原加工工艺和设备的基础上， 我们采用工件自动输送， 并用机械手实现工件返回的方式设计了七工位组合机床。该机床设计方案合理， 加工精度、 自动化程度和效率高， 运行稳定可靠， 获得了年河南省机械工业科技进步二等奖。

　　图1 凸轮轴示意图

　　2 凸轮轴法兰面的加工内容及工艺分析

　　图1是某型号履带拖拉机六缸柴油发动机的凸轮轴示意图。法兰面上的加工内容有： 一个定位中心孔¢16H6， 一个定位销孔¢16H6 ， 四个螺纹孔M8 。该6个孔的加工工艺为：工序1： 钻中心孔。

　　工序2： 铰中心孔， 成型¢16H6， 表面粗糙度Ra1.6µm

　　工序3： 钻销孔底孔。

　　工序4： 钻连接螺孔底孔， 铰销孔， 成型¢16H6 ， 表面粗糙度Ra1.6µm。

　　工序5： 攻连接螺纹孔。

　　凸轮轴上的桃形表面是凸轮轴中的重要表面， 各形表面在圆周方向的相对位置有严格的精度要求，一缸进气凸轮桃形面是其它桃形面的周向设计基， 也是法兰面上定位销孔的周向设计基准。由于该。

　　表面在加工法兰面上各孔前不可能加工， 因此， 通常情况下是以该面作为粗基准来加工法兰面上的中心孔、定位销孔及其它孔， 以后以中心孔、 销孔为精基准来加工各桃形面。过去， 法兰面孔系加工是在多台机床上完成的， 未加工的桃形面被作为粗基准多次使用， 产生较大误差。尽量避免粗基准的多次使用是工艺设计的基本原则， 根据这一原则， 我们考虑了机床的总体方案。

　　3  机床的总体方案

　　根据上述原则， 我们的设计思想是将凸轮轴法兰面上的孔系加工用一台多工位机床来完成， 以便用一次粗基准就可以完成所有孔的全部加工工序。多工位组合机床可采用回转工作台， 也可采用直线移动工作台。对该零件来讲， 如果采用回转工作台， 就需设计大型回转台 (工件长度长) ， 且要设计5面组合机床来完成5道加工工序; 而采用标准移动工作台， 就无法实现工件的加工时间与装卸时间重合， 难以满足生产率的要求。经分析比较， 我们设计了直线移动式七工位单面组合机床。用一个多轴箱在5个加工工位上完成5道加工工序。由于工件法兰面尺寸较小， 因此多轴箱的尺寸也不大。在加工工位之前， 有一个零件装卸工位。为了在装卸工位卸下工件， 必须解决工件的返回问题， 我们采用机械手在加工工位之后的等待工位抓取随行夹具及工件并实现工件的返回。这样用一台七工位组合机床， 工件一次装夹在随行夹具上， 就可以完成孔系的全部加工， 实现顺序加工、 原位装卸工件的全自动加工循环。如图2所示，工位Ⅰ是装卸工位; 工位Ⅱ—Ⅵ是加工工位， 分别实现工序1—5 的全部加工内容; 工位Ⅶ是等待工位， 机械手在这里抓取随行夹具和工件， 送回工位Ⅰ， 以实现工件和随行夹具的返回。这样， 工件的回送和装卸时间与加工时间重合， 同时一个工作循环可对五个工件进行加工， 从而大大地提高了生产率。

　　图2 机床各工位布局图

工件在随行夹具上定位并夹紧，且桃形面是其周向定位基准;而随行夹具在机床上定位。这样，相对于工件在机床上的定位而言，实际上就是将粗定位基准(桃形面)转换成了精定位基准(随行夹具)。机床底座上安装有直线移动输送装置，为步伐式棘爪输送机构。它采用液压步伐式推进机构，由棘爪推动随行夹具，每工位棘爪上设置有调整环节，以确保随行夹具准确到位，为机床的准确定位提供了良好的条件。液压推进装置中设计了缓冲机构，以避免输送到位后由于被加工零件和随行夹具的惯性造成的前冲。机床总图如图3所示。

　　图3 机床总图

　　1.机械手装置 2.活动{dj1} 3.钻、攻复合主轴箱 4.滑台

　　5.带冷却的中间底座 6..随行夹具 7..输送装置 8.夹具 9.侧底座

　　4  机械手的设计

　　本机床采用了单臂回转抓取式机械手，如图 所示。机械手装置安装在机床的侧面，机械手大臂的回转运动，靠液压缸2通过齿轮、齿条机构来实现。机械手小臂的升降，由油缸1驱动。手爪4的开合动作由液压缸3驱动的连杆、滑块机构来实现。为了确保机械手大臂回转输送时，随行夹具在此时是平面平行移动，采用了平行四边形机构。机械手的动作顺序是：机械手在等待工位(抓取工件工位)等候 机械手小臂下降 手爪收拢抓取随行夹具 小臂上升 大臂回转至装卸料工位 小臂下降 手爪放松 小臂上升 大臂回转至等待工位等候。机械手的动作全部采用液压驱动，电气控制。

图四 机械手

　5  机床的特点

　　这台机床的特点就是零件在一次装夹下，完成了凸轮轴法兰面上孔系的全部粗、精加工，加工过程实现了xx自动化。与国内同类机床相比，它有如下优点：

　　1)用一台机床代替了原采用的多台机床，减少了机床的总投资，减少了机床的占地面积;

　　2)用一台机床代替多台机床，避免了粗基准的重复使用，大大提高了加工精度。

　　3)自动化程度高，劳动生产率高，工人的劳动强度低。

　　6  机床运行情况

　　该机床自九九年投入生产后，运行可靠，产品加工质量稳定，大大地提高了劳动生产率，降低了工人的劳动强度，产品合格率达到99.9% 以上，深受用户和操作者的好评。