2082E 柴油機(jī)柱塞偶件磨斜槽自動化翻轉(zhuǎn)夾具的設(shè)計(jì)*

陳旭東 石劍鋒

(南通職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226007)

柱塞偶件是柴油機(jī)噴油泵總成的3 大精密偶件之一。作用是把柴油泵入高壓油管，通過出油閥的控制，使高壓油管內(nèi)的柴油保持高壓，它的工作狀態(tài)的好壞直接影響到柴油機(jī)的正常工作性能［1］。某油嘴油泵有限公司生產(chǎn)的2082E 柴油機(jī)柱塞偶件，為改變落后的生產(chǎn)方式和工藝路線，在較多的工序中，采用先進(jìn)的自動化專用夾具。筆者針對2082E 柴油機(jī)柱塞偶件磨斜槽工序設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)式自動化專用夾具，以保證加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

1 工序要求分析

2082E 柴油機(jī)柱塞偶件磨斜槽工序是柱塞加工的重要工序，加工內(nèi)容是在簡易數(shù)控工具磨床上磨削兩側(cè)斜槽和底面，工序圖如圖1 所示。該工序技術(shù)要求:斜槽離端面的尺寸為6.3 ±0.03 mm，兩槽A、B 兩底面的高度差控制在0.03 mm，斜槽與軸線的夾角為44°38' ±15'，徑向與軸線的夾角為18° ±20'，槽的寬度為mm，槽的深度為mm，槽側(cè)面與底面的過渡圓角為R0.mm，表面粗糙度為Ra1.6 μm，磨削表面無磨削燒傷。

該工序需通過設(shè)計(jì)自動化專用夾具來解決柱塞偶件的定位和夾緊，以實(shí)現(xiàn)工件在加工中占據(jù)和保持正確的空間位置，并通過夾具自動化翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)一次安裝完成兩側(cè)斜槽和底面的磨削加工。

2 自動化翻轉(zhuǎn)夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 定位方案的選擇

一個尚未定位的工件，其空間位置是不確定的，空間任一自由物體共有六個自由度。工件的定位，就是使工件占據(jù)一致的、正確的位置，實(shí)質(zhì)上就是要限制對加工有不良影響的自由度［2］。根據(jù)2082E 柴油機(jī)柱塞偶件磨斜槽工序要求可知必須將工件的六個自由度全部限制。

工件定位基準(zhǔn)面的選擇應(yīng)盡可能滿足工序基準(zhǔn)和定位基準(zhǔn)的重合，從工序圖可知柱塞右端面是斜槽加工尺寸6.3 ±0.03mm 的工序基準(zhǔn)，柱塞軸線是斜槽方向角度44°38' ±15'和18° ±20'的工序基準(zhǔn)，因此選擇柱塞偶件的前端錐面作為定位基準(zhǔn)限制Y、Z 移動自由度，中心孔作為定位基準(zhǔn)限制繞Y、Z 轉(zhuǎn)動自由度，柱塞右端面限制X 移動自由度，柱塞中間側(cè)平面限制繞X 轉(zhuǎn)動自由度。2082E 柴油機(jī)柱塞偶件的六個自由度全部被限制，實(shí)現(xiàn)六點(diǎn)完全定位。

2.2 定位元件的設(shè)計(jì)

定位元件設(shè)計(jì)包括定位元件的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸及布置形式等。如圖3 所示，根據(jù)2082E 柴油機(jī)柱塞偶件磨斜槽工序的定位方案，采用前頂尖5 中的錐孔與工件前端錐面接觸、后頂尖12 與工件中心孔接觸進(jìn)行定位分別限制兩移動和兩轉(zhuǎn)動4 個自由度，采用擋板10 與工件右端面接觸限制軸向移動自由度，采用浮動定位塊19 與工件中間側(cè)平面接觸限制工件轉(zhuǎn)動自由度。裝夾工件時采用V 形塊22 作為輔助定位塊進(jìn)行預(yù)定位。

2.3 夾緊方案的選擇

在機(jī)械加工過程中，為保持工件定位時所確定的正確加工位置，防止工件在切削力、慣性力、離心力及重力等到作用下發(fā)生位移和振動，一般機(jī)床夾具都應(yīng)有一個夾緊裝置以將工件夾緊［3］。如圖3 所示，2082E 柴油機(jī)柱塞偶件磨斜槽工序翻轉(zhuǎn)式自動化專用夾具采用夾緊氣缸2 推動前頂尖5 將工件夾緊，夾緊氣缸2 產(chǎn)生的力必須克服磨削力在柱塞軸線方向的分力，磨削力產(chǎn)生的繞軸線轉(zhuǎn)矩由定位塊19 承受，定位塊19 是浮動式的，由定位氣缸18 推動。

2082E 柴油機(jī)柱塞偶件磨斜槽工序采用CBN 金剛石砂輪，直徑為φ100 mm，寬度為3.5 mm，數(shù)控工具磨床主軸轉(zhuǎn)速為6 000 r/mim，工件進(jìn)給速度Vw為8 m/mim，磨削深度為0.02 mm。砂輪的切削速度為:

柱塞偶件磨斜槽磨削力包括切向磨削力Ft、徑向磨削力Fs和軸向磨削力Fn，軸向磨削力很小，可忽略不計(jì)，徑向磨削力對工件夾緊影響不大，所以主要計(jì)算切向磨削力Ft。平面磨削力的實(shí)驗(yàn)公式為

式中:Ft為切向磨削力;ap為磨削深度;Vs為砂輪的切削速度;Vw為工件的速度;CF為實(shí)驗(yàn)條件下常數(shù)值，CF=28 282;x、y、z 分別為磨削深度、砂輪速度、工件速度對磨削力的影響指數(shù)，x=0.86、y=-1.06、z=0.44［4］。

如圖4 所示，切向磨削力Ft產(chǎn)生的X 軸、Y 軸方向的分力FX、FY分別為

夾緊氣缸2 產(chǎn)生的軸向夾緊力應(yīng)為

定位塊19 支承點(diǎn)離柱塞軸線距離為3 mm，磨削分力FY離軸線距離為2.71 mm。因此定位氣缸產(chǎn)生的夾緊力應(yīng)為:

根據(jù)計(jì)算得出的夾緊力，夾緊氣缸2、定位氣缸18都選用薄型氣缸CQ2，缸徑為16 mm，行程為12 mm，在氣壓0.5 MPa 條件下，氣缸產(chǎn)生推力為101 N，符合工件夾緊要求，但通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，需1.5 MPa 條件下方能工作可靠。

3 自動翻轉(zhuǎn)夾具氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動系統(tǒng)主要功能體現(xiàn)在3 個方面:提供翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動力、提供定位氣缸的動力、提供夾緊氣缸的夾緊動力。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動力:為了保證柱塞偶件磨斜槽工序的技術(shù)要求，減小裝夾誤差，要求一次安裝完成柱塞偶件兩個斜槽的磨削加工，兩個斜槽的位置相差180°，因此工件磨削一個斜槽后需要自動翻轉(zhuǎn)180°，根據(jù)翻轉(zhuǎn)夾具的結(jié)構(gòu)要求，選擇型號為CRBU2W 旋轉(zhuǎn)氣缸，擺動角度180°，缸徑10 mm，在氣壓0.5 MPa 條件下，氣缸輸出力矩為0.4 N·m，最大擺動速度為0.03 s/90°(500 r/min)。根據(jù)夾具定位、夾緊和翻轉(zhuǎn)的動作要求，設(shè)計(jì)2082E 柴油機(jī)柱塞偶件磨斜槽工序自動翻轉(zhuǎn)夾具氣動控制原理圖，如圖5 所示。

定位氣缸的動力:由于柱塞偶件磨斜槽加工精度要求較高，在2.2 節(jié)定位元件選擇時已介紹了需采用浮動定位塊19 進(jìn)行定位，為了定位可靠，經(jīng)過多次試驗(yàn)，在氣壓1.0 MPa 時，定位可靠。因定位氣缸行程較小，安裝空間有限，故定位氣缸為自制而成。

夾緊氣缸的動力:夾緊氣缸的主要作用是工件定位后提供夾緊力，便于可靠加工，根據(jù)2.3 節(jié)部分所述，夾緊氣缸采用CQ2、1.5 MPa。

從上述分析可知，3 個氣缸的工作氣壓并不一樣，故而在設(shè)計(jì)氣動系統(tǒng)時需考慮這些因素。本文采用的方案如圖5 所示，采用4 個減壓閥(Y0～Y3)分別控制氣路總氣壓和各個支路氣壓。

4 自動翻轉(zhuǎn)夾具電氣控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 電氣控制原理圖

根據(jù)2082E 柴油機(jī)柱塞偶件磨斜槽工序自動翻轉(zhuǎn)夾具氣動控制的工作性能要求，并結(jié)合磨床的數(shù)控系統(tǒng)，考慮預(yù)留工件檢測、可靠性等功能，選擇S7 -200 CPU224 PLC 控制器，輸入點(diǎn)數(shù)14/輸出點(diǎn)數(shù)10，設(shè)計(jì)自動翻轉(zhuǎn)夾具的電氣控制原理圖，如圖6 所示。

4.2 控制流程圖

2082E 柴油機(jī)柱塞偶件磨斜槽工序自動翻轉(zhuǎn)夾具需要完成工件定位、氣缸夾緊、夾具翻轉(zhuǎn)等動作，控制模式有手動、自動兩種。同時考慮到夾緊時中側(cè)面定位的可靠性，通過長時間觀察原先手工夾具工人操作，模擬工人手動操作過程，在夾緊時增加了振動環(huán)節(jié)(及夾緊1 ms 后，松開1 ms，然后再夾緊)，這樣工件通過振動后在自重的作用下實(shí)現(xiàn)了與中側(cè)定位面的緊密結(jié)合。

具體控制流程如圖7 所示。

5 試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

2082E 柴油機(jī)柱塞偶件磨斜槽工序翻轉(zhuǎn)式自動化專用夾具在某油嘴油泵有限公司試制成功，目前已通過了各個方面的測試，結(jié)果均很好。改進(jìn)后的氣動夾具如圖8 所示。

經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，該專用夾具使用性能可靠、操作方便、生產(chǎn)效率高。柱塞偶件磨斜槽工序合格率從92.3%提高至98.7%，生產(chǎn)效率提高了60%，保證了產(chǎn)品的加工質(zhì)量，降低了產(chǎn)品的制造成本，取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益，對其他同類零件生產(chǎn)也有借鑒意義。

［1］朱華.柴油機(jī)柱塞偶件損壞的原因預(yù)防及維修［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械，2010(4):160 -161.

［2］陳旭東.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010:12 -13.

［3］肖繼德，陳寧平.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998:46 -47.

［4］陳章燕.平面、外圓磨削力計(jì)算公式的研究和應(yīng)用［J］.磨床與磨削，1992(4):27 -31.