機體組合機床通用性改造的研究

張大中

(中車戚墅堰機車有限公司 江蘇 常州 213011)

1 機床介紹

中車戚墅堰機車有限公司機體數控鏜銑組合機床(SFA-U103)于1999年投入使用，該機床主要由2個氣缸孔主鏜頭、2個油泵推桿孔鏜頭、4個進排氣推桿孔鏜頭、2個推桿孔平面銑削頭組成，均布在工作臺兩側，相對位置固定，而且所有鏜頭的行程均由擋鐵固定，上下Z向行程范圍不可調節，工作臺面沿X向對中布置2個固定的校調裝置，用于機體校調和定位。這臺機床屬于專用機床，主要用于16V280ZJA型機體氣缸孔、推桿孔、推桿孔平面的精加工。該機床的最大優點就是機體一次定位后兩側的工序可以同時加工，因而效率是其他加工中心的兩倍，加工后的產品精度也高。缺點就是該機床只能用于16V280ZJA型機體的加工，通用性差。

2 現狀

隨著公司產品結構的調整，16V280ZJA型機體的產量已明顯下降，升級后的R12V280ZJ型機體的產量大幅增加。經評估后發現，R12V280ZJ型機體長度方面比16V280ZJA型機體短900 mm，現有夾具無法校調和裝夾；R12V280ZJ型機體氣缸孔的深度大于16V280ZJA型機體，現氣缸孔工位的滑臺為機械滑臺，行程不夠，不能滿足加工的要求；R12V280ZJ型機體氣缸孔和油泵推桿孔的結構和16V280ZJA型機體的也不一樣，原鏜頭無法加工。目前上述工序只能由其他設備加工，生產能力受到了很大限制，為提高R12V280ZJ型機體的生產效率，開始了對機體數控鏜銑組合機床進行通用性改造的研究。

3 可行性分析

對兩種機體的相關參數進行了對比，發現有3個主要參數是相同的：氣缸孔中心線之間的夾角、氣缸孔中心至推桿孔中心距離、錯缸距。其中氣缸孔中心線之間的夾角相同意味著機床整體立柱不用改動，氣缸孔中心至推桿孔中心距離相同可以使氣缸孔加工完不用將機體重新定位就可加工推桿孔，錯缸距相同就能保證機體兩側的氣缸孔和推桿孔仍然可以同時加工，這3個參數相同為機床能夠進行通用性改造奠定了基礎。

4 方案制定

為實現機體數控鏜銑組合機床既能加工16V280ZJA型機體，又能加工R12V280ZJ型機體，制定了改造方案，主要有5個方面的內容：(1)對原機床夾具進行改造，滿足兩種機體的校調和裝夾功能；(2)將氣缸孔工位的機械滑臺改造為數控滑臺，滿足加工孔不同深度的要求；(3)重新設計氣缸孔加工的復合鏜頭，滿足兩種機體氣缸孔均能加工的要求；(4)增加設計R12V280ZJ型機車油泵推桿孔復合半精鏜鏜頭和復合精鏜鏜頭，滿足R12V280ZJ型機車油泵推桿孔的加工要求；(5)保留原油泵推桿孔和進排氣推桿孔的鏜頭，保留原推桿孔平面銑頭，對老化和磨損的零部件進行修復或換新。

5 改造實施

5.1 夾具改造

對機床夾具進行改造時，采用了后端主軸承孔中心線校調裝置固定，前端校調裝置可以在軌道上滑動的方式，根據機體的長度進行人工移位后鎖定，從而實現不同長度機體主軸承孔中心線的校調。在側面夾緊方式上，原16V280ZJA型機體每側有2個側面壓緊裝置，現使R12V280ZJ型機體的長度各增加1個側面壓緊裝置，從而實現兩種長度機體側面都有2個側面壓緊裝置進行夾緊。在端面夾緊方式上，原16V280ZJA型機體，后端有2個位置固定的止擋，前端有2個位置固定的壓緊裝置，現設計2個帶支架的接桿，如果加工R12V280ZJ型機體，則將接桿裝置安裝在前端壓緊裝置向后的預留位置，從而達到兩種機體都能實現端面夾緊的目的。

5.2 滑臺改造

氣缸孔工位的機械滑臺改造為數控滑臺，更換伺服電機及傳動箱，采用半閉環伺服驅動系統，加裝滾珠絲杠，取消原滑臺擋鐵機構，使滑臺行程增加并可以調節，從而滿足了這兩種不同深度的氣缸孔的加工要求。

5.3 重新設計氣缸孔復合鏜頭

原氣缸孔復合鏜頭在加工16V280ZJA型機體時要承擔3道工序的加工：氣缸孔上下孔的半精鏜和精鏜，上下孔的倒角和上孔孔口止推平面的加工。鏜頭由止推平面車刀、上下孔倒角刀、上下孔半精鏜和精鏜刀構成，其中止推平面車刀、上下孔倒角刀通過平面齒條差動機構可以根據加工的需要進行徑向伸出和退回，止推平面車刀根據加工的需要可獨立伸出和退回，考慮到生產效率將上下孔倒角刀設置成同步伸出和退回，也就是說，上下孔的倒角工序可以同步進行。

R12V280ZJ型機體與16V280ZJA型機體的氣缸孔在結構上主要有兩項不同：(1)R12V280ZJ型機體氣缸孔上孔下方多了一道直徑與上孔相同、厚度為15 mm的中孔；(2)下孔倒角至氣缸孔上平面距離不同，R12V280ZJ型機體比16V280ZJA型機體長4 mm。原氣缸孔復合鏜頭在加工R12V280ZJ型機體時，上孔的鏜刀要將R12V280ZJ型機體氣缸孔上孔和中孔都加工完，行程要延長80 mm，由于將氣缸孔工位的機械滑臺改造成了數控滑臺，通過程序設計可以滿足。但是原氣缸孔復合鏜頭在加工上下孔倒角時遇到了困難：由于R12V280ZJ型機體下孔倒角至氣缸孔上平面距離比16V280ZJA型機體長4 mm，原氣缸孔鏜頭的2把倒角刀已不能對R12V280ZJ型機體上下孔同時進行倒角加工，如果在加工完上孔倒角后再加工下孔倒角，上孔倒角刀必須退回，否則上孔倒角刀就會和上孔內壁發生干涉，由于當初設計的原因，上下孔倒角刀只能同步伸出和退回，所以原氣缸孔復合鏜頭不能滿足R12V280ZJ型機體氣缸孔下孔倒角的加工。

最終重新設計了一種復合鏜頭，基本采用原鏜頭的結構，仍然將止推平面車刀、上下孔倒角刀安裝在平面齒條差動機構上，只是將上下倒角刀的安裝座由圓形改成了縱向的長方形，并將下倒角刀安裝座上的刀具安裝孔設計成腰子孔，下倒角刀安裝在腰子孔下部時加工R12V280ZJ型機體，安裝在腰子孔上部時加工16V280ZJA型機體，刀具和安裝座之間還增加了調整螺栓來加強刀具位置的固定，確保刀具在加工時位置不發生變化。當加工產品發生變化時，只需將下倒角刀調整一次安裝位置就行了。新設計的氣缸孔復合鏜頭結合數控滑臺的功能，既保留了原16V280ZJA型機體氣缸孔上下孔的半精鏜和精鏜、上下孔的倒角和止推平面加工的需要，又解決了R12V280ZJ型機體氣缸孔比16V280ZJA型機體多了一道中孔、下孔倒角至氣缸孔上平面距離比16V280ZJA型機體長4 mm帶來的加工困難，實現了一個氣缸孔復合鏜頭能同時滿足當前兩種型號機體氣缸孔的加工要求。

5.4 增加R12V280ZJ型機體油泵推桿孔鏜頭

16V280ZJA和R12V280ZJ兩種型號機體的油泵推桿孔都分上下孔，前者上、下孔直徑都是100 mm,后者上孔96 mm，下孔94 mm。經評估后，保留原油泵推桿孔鏜頭，繼續用于加工16V280ZJA型機體油泵推桿孔的半精鏜和精鏜，考慮到R12V280ZJ型機體的上、下孔直徑不一樣，同時兼顧上下孔同軸度的要求，上下孔的精鏜必須一次完成，所以采取半精鏜和精鏜分開加工的模式，重新設計了兩個R12V280ZJ型機體油泵推桿孔鏜頭，一個用于半精鏜，一個用于精鏜[1]。在整個布局上，取消一個進排氣推桿孔鏜頭，將R12V280ZJ型機體油泵推桿孔半精鏜鏜頭安裝在這個位置，R12V280ZJ型機體油泵推桿孔精鏜鏜頭與16V280ZJA型機體油泵推桿孔鏜頭共用一個位置，根據生產需要進行調整。

5.5 其他部分

在改造過程中，為保證精度和設備可靠性，還對設備的基礎部件、工件臺、其他滑臺等進行了整修，對易損件進行了更換，電氣系統也進行了更新。

6 驗證

該設備于2016年4月～2017年12月間按上述方案實施了改造，經過驗證，改造后的夾具滿足了兩種機體校調和夾緊的要求(見圖1)。氣缸孔工位的機械滑臺改造為數控滑臺,并安裝上新設計的氣缸孔復合鏜頭，通過不同的程序控制，也實現了兩種機體不同結構氣缸孔的加工。由于新設計的兩個油泵推桿孔鏜頭采用原油泵推桿孔鏜頭的結構和安裝尺寸，當加工的機體種類變化時，每側只需更換1只油泵推桿孔鏜頭即可滿足生產的需要。在實際生產過程中，同種機體都是批量生產，實際更換的頻率并不高。進排氣推桿孔的鏜頭和推桿孔平面銑頭無須改造，即可滿足對兩種機體的加工。由于對老化和磨損的零部件進行修復、換新，電氣系統進行了更新，設備的銑頭、鏜頭、滑臺精度也達到了相關標準的要求。

圖1 改造完成后的機床照片

7 結束語

2017年12月份，完成了兩種機體實物加工的驗證，兩種機體均能一次定位后，兩側的氣缸孔、推桿孔和推桿孔平面可以同時加工，達到了對設備進行通用性改造的目的,目前該設備已經投入使用。