2082E 柴油机柱塞偶件磨斜槽自动化翻转夹具的设计*

陈旭东 石剑锋

(南通职业大学机械工程学院，江苏 南通 226007)

柱塞偶件是柴油机喷油泵总成的3 大精密偶件之一。作用是把柴油泵入高压油管，通过出油阀的控制，使高压油管内的柴油保持高压，它的工作状态的好坏直接影响到柴油机的正常工作性能［1］。某油嘴油泵有限公司生产的2082E 柴油机柱塞偶件，为改变落后的生产方式和工艺路线，在较多的工序中，采用先进的自动化专用夹具。笔者针对2082E 柴油机柱塞偶件磨斜槽工序设计翻转式自动化专用夹具，以保证加工质量，提高生产效率。

1 工序要求分析

2082E 柴油机柱塞偶件磨斜槽工序是柱塞加工的重要工序，加工内容是在简易数控工具磨床上磨削两侧斜槽和底面，工序图如图1 所示。该工序技术要求:斜槽离端面的尺寸为6.3 ±0.03 mm，两槽A、B 两底面的高度差控制在0.03 mm，斜槽与轴线的夹角为44°38' ±15'，径向与轴线的夹角为18° ±20'，槽的宽度为mm，槽的深度为mm，槽侧面与底面的过渡圆角为R0.mm，表面粗糙度为Ra1.6 μm，磨削表面无磨削烧伤。

该工序需通过设计自动化专用夹具来解决柱塞偶件的定位和夹紧，以实现工件在加工中占据和保持正确的空间位置，并通过夹具自动化翻转实现一次安装完成两侧斜槽和底面的磨削加工。

2 自动化翻转夹具的结构设计

2.1 定位方案的选择

一个尚未定位的工件，其空间位置是不确定的，空间任一自由物体共有六个自由度。工件的定位，就是使工件占据一致的、正确的位置，实质上就是要限制对加工有不良影响的自由度［2］。根据2082E 柴油机柱塞偶件磨斜槽工序要求可知必须将工件的六个自由度全部限制。

工件定位基准面的选择应尽可能满足工序基准和定位基准的重合，从工序图可知柱塞右端面是斜槽加工尺寸6.3 ±0.03mm 的工序基准，柱塞轴线是斜槽方向角度44°38' ±15'和18° ±20'的工序基准，因此选择柱塞偶件的前端锥面作为定位基准限制Y、Z 移动自由度，中心孔作为定位基准限制绕Y、Z 转动自由度，柱塞右端面限制X 移动自由度，柱塞中间侧平面限制绕X 转动自由度。2082E 柴油机柱塞偶件的六个自由度全部被限制，实现六点完全定位。

2.2 定位元件的设计

定位元件设计包括定位元件的结构、形状、尺寸及布置形式等。如图3 所示，根据2082E 柴油机柱塞偶件磨斜槽工序的定位方案，采用前顶尖5 中的锥孔与工件前端锥面接触、后顶尖12 与工件中心孔接触进行定位分别限制两移动和两转动4 个自由度，采用挡板10 与工件右端面接触限制轴向移动自由度，采用浮动定位块19 与工件中间侧平面接触限制工件转动自由度。装夹工件时采用V 形块22 作为辅助定位块进行预定位。

2.3 夹紧方案的选择

在机械加工过程中，为保持工件定位时所确定的正确加工位置，防止工件在切削力、惯性力、离心力及重力等到作用下发生位移和振动，一般机床夹具都应有一个夹紧装置以将工件夹紧［3］。如图3 所示，2082E 柴油机柱塞偶件磨斜槽工序翻转式自动化专用夹具采用夹紧气缸2 推动前顶尖5 将工件夹紧，夹紧气缸2 产生的力必须克服磨削力在柱塞轴线方向的分力，磨削力产生的绕轴线转矩由定位块19 承受，定位块19 是浮动式的，由定位气缸18 推动。

2082E 柴油机柱塞偶件磨斜槽工序采用CBN 金刚石砂轮，直径为φ100 mm，宽度为3.5 mm，数控工具磨床主轴转速为6 000 r/mim，工件进给速度Vw为8 m/mim，磨削深度为0.02 mm。砂轮的切削速度为:

柱塞偶件磨斜槽磨削力包括切向磨削力Ft、径向磨削力Fs和轴向磨削力Fn，轴向磨削力很小，可忽略不计，径向磨削力对工件夹紧影响不大，所以主要计算切向磨削力Ft。平面磨削力的实验公式为

式中:Ft为切向磨削力;ap为磨削深度;Vs为砂轮的切削速度;Vw为工件的速度;CF为实验条件下常数值，CF=28 282;x、y、z 分别为磨削深度、砂轮速度、工件速度对磨削力的影响指数，x=0.86、y=-1.06、z=0.44［4］。

如图4 所示，切向磨削力Ft产生的X 轴、Y 轴方向的分力FX、FY分别为

夹紧气缸2 产生的轴向夹紧力应为

定位块19 支承点离柱塞轴线距离为3 mm，磨削分力FY离轴线距离为2.71 mm。因此定位气缸产生的夹紧力应为:

根据计算得出的夹紧力，夹紧气缸2、定位气缸18都选用薄型气缸CQ2，缸径为16 mm，行程为12 mm，在气压0.5 MPa 条件下，气缸产生推力为101 N，符合工件夹紧要求，但通过试验发现，需1.5 MPa 条件下方能工作可靠。

3 自动翻转夹具气动系统设计

气动系统主要功能体现在3 个方面:提供翻转机构的动力、提供定位气缸的动力、提供夹紧气缸的夹紧动力。

翻转机构的动力:为了保证柱塞偶件磨斜槽工序的技术要求，减小装夹误差，要求一次安装完成柱塞偶件两个斜槽的磨削加工，两个斜槽的位置相差180°，因此工件磨削一个斜槽后需要自动翻转180°，根据翻转夹具的结构要求，选择型号为CRBU2W 旋转气缸，摆动角度180°，缸径10 mm，在气压0.5 MPa 条件下，气缸输出力矩为0.4 N·m，最大摆动速度为0.03 s/90°(500 r/min)。根据夹具定位、夹紧和翻转的动作要求，设计2082E 柴油机柱塞偶件磨斜槽工序自动翻转夹具气动控制原理图，如图5 所示。

定位气缸的动力:由于柱塞偶件磨斜槽加工精度要求较高，在2.2 节定位元件选择时已介绍了需采用浮动定位块19 进行定位，为了定位可靠，经过多次试验，在气压1.0 MPa 时，定位可靠。因定位气缸行程较小，安装空间有限，故定位气缸为自制而成。

夹紧气缸的动力:夹紧气缸的主要作用是工件定位后提供夹紧力，便于可靠加工，根据2.3 节部分所述，夹紧气缸采用CQ2、1.5 MPa。

从上述分析可知，3 个气缸的工作气压并不一样，故而在设计气动系统时需考虑这些因素。本文采用的方案如图5 所示，采用4 个减压阀(Y0～Y3)分别控制气路总气压和各个支路气压。

4 自动翻转夹具电气控制硬件系统设计

4.1 电气控制原理图

根据2082E 柴油机柱塞偶件磨斜槽工序自动翻转夹具气动控制的工作性能要求，并结合磨床的数控系统，考虑预留工件检测、可靠性等功能，选择S7 -200 CPU224 PLC 控制器，输入点数14/输出点数10，设计自动翻转夹具的电气控制原理图，如图6 所示。

4.2 控制流程图

2082E 柴油机柱塞偶件磨斜槽工序自动翻转夹具需要完成工件定位、气缸夹紧、夹具翻转等动作，控制模式有手动、自动两种。同时考虑到夹紧时中侧面定位的可靠性，通过长时间观察原先手工夹具工人操作，模拟工人手动操作过程，在夹紧时增加了振动环节(及夹紧1 ms 后，松开1 ms，然后再夹紧)，这样工件通过振动后在自重的作用下实现了与中侧定位面的紧密结合。

具体控制流程如图7 所示。

5 试验结果与结论

2082E 柴油机柱塞偶件磨斜槽工序翻转式自动化专用夹具在某油嘴油泵有限公司试制成功，目前已通过了各个方面的测试，结果均很好。改进后的气动夹具如图8 所示。

经过生产实践验证，该专用夹具使用性能可靠、操作方便、生产效率高。柱塞偶件磨斜槽工序合格率从92.3%提高至98.7%，生产效率提高了60%，保证了产品的加工质量，降低了产品的制造成本，取得了很大的经济效益，对其他同类零件生产也有借鉴意义。

［1］朱华.柴油机柱塞偶件损坏的原因预防及维修［J］.农业机械，2010(4):160 -161.

［2］陈旭东.机床夹具设计［M］.北京:清华大学出版社，2010:12 -13.

［3］肖继德，陈宁平.机床夹具设计［M］.北京:机械工业出版社，1998:46 -47.

［4］陈章燕.平面、外圆磨削力计算公式的研究和应用［J］.磨床与磨削，1992(4):27 -31.