机体组合机床通用性改造的研究

张大中

(中车戚墅堰机车有限公司 江苏 常州 213011)

1 机床介绍

中车戚墅堰机车有限公司机体数控镗铣组合机床(SFA-U103)于1999年投入使用，该机床主要由2个气缸孔主镗头、2个油泵推杆孔镗头、4个进排气推杆孔镗头、2个推杆孔平面铣削头组成，均布在工作台两侧，相对位置固定，而且所有镗头的行程均由挡铁固定，上下Z向行程范围不可调节，工作台面沿X向对中布置2个固定的校调装置，用于机体校调和定位。这台机床属于专用机床，主要用于16V280ZJA型机体气缸孔、推杆孔、推杆孔平面的精加工。该机床的最大优点就是机体一次定位后两侧的工序可以同时加工，因而效率是其他加工中心的两倍，加工后的产品精度也高。缺点就是该机床只能用于16V280ZJA型机体的加工，通用性差。

2 现状

随着公司产品结构的调整，16V280ZJA型机体的产量已明显下降，升级后的R12V280ZJ型机体的产量大幅增加。经评估后发现，R12V280ZJ型机体长度方面比16V280ZJA型机体短900 mm，现有夹具无法校调和装夹；R12V280ZJ型机体气缸孔的深度大于16V280ZJA型机体，现气缸孔工位的滑台为机械滑台，行程不够，不能满足加工的要求；R12V280ZJ型机体气缸孔和油泵推杆孔的结构和16V280ZJA型机体的也不一样，原镗头无法加工。目前上述工序只能由其他设备加工，生产能力受到了很大限制，为提高R12V280ZJ型机体的生产效率，开始了对机体数控镗铣组合机床进行通用性改造的研究。

3 可行性分析

对两种机体的相关参数进行了对比，发现有3个主要参数是相同的：气缸孔中心线之间的夹角、气缸孔中心至推杆孔中心距离、错缸距。其中气缸孔中心线之间的夹角相同意味着机床整体立柱不用改动，气缸孔中心至推杆孔中心距离相同可以使气缸孔加工完不用将机体重新定位就可加工推杆孔，错缸距相同就能保证机体两侧的气缸孔和推杆孔仍然可以同时加工，这3个参数相同为机床能够进行通用性改造奠定了基础。

4 方案制定

为实现机体数控镗铣组合机床既能加工16V280ZJA型机体，又能加工R12V280ZJ型机体，制定了改造方案，主要有5个方面的内容：(1)对原机床夹具进行改造，满足两种机体的校调和装夹功能；(2)将气缸孔工位的机械滑台改造为数控滑台，满足加工孔不同深度的要求；(3)重新设计气缸孔加工的复合镗头，满足两种机体气缸孔均能加工的要求；(4)增加设计R12V280ZJ型机车油泵推杆孔复合半精镗镗头和复合精镗镗头，满足R12V280ZJ型机车油泵推杆孔的加工要求；(5)保留原油泵推杆孔和进排气推杆孔的镗头，保留原推杆孔平面铣头，对老化和磨损的零部件进行修复或换新。

5 改造实施

5.1 夹具改造

对机床夹具进行改造时，采用了后端主轴承孔中心线校调装置固定，前端校调装置可以在轨道上滑动的方式，根据机体的长度进行人工移位后锁定，从而实现不同长度机体主轴承孔中心线的校调。在侧面夹紧方式上，原16V280ZJA型机体每侧有2个侧面压紧装置，现使R12V280ZJ型机体的长度各增加1个侧面压紧装置，从而实现两种长度机体侧面都有2个侧面压紧装置进行夹紧。在端面夹紧方式上，原16V280ZJA型机体，后端有2个位置固定的止挡，前端有2个位置固定的压紧装置，现设计2个带支架的接杆，如果加工R12V280ZJ型机体，则将接杆装置安装在前端压紧装置向后的预留位置，从而达到两种机体都能实现端面夹紧的目的。

5.2 滑台改造

气缸孔工位的机械滑台改造为数控滑台，更换伺服电机及传动箱，采用半闭环伺服驱动系统，加装滚珠丝杠，取消原滑台挡铁机构，使滑台行程增加并可以调节，从而满足了这两种不同深度的气缸孔的加工要求。

5.3 重新设计气缸孔复合镗头

原气缸孔复合镗头在加工16V280ZJA型机体时要承担3道工序的加工：气缸孔上下孔的半精镗和精镗，上下孔的倒角和上孔孔口止推平面的加工。镗头由止推平面车刀、上下孔倒角刀、上下孔半精镗和精镗刀构成，其中止推平面车刀、上下孔倒角刀通过平面齿条差动机构可以根据加工的需要进行径向伸出和退回，止推平面车刀根据加工的需要可独立伸出和退回，考虑到生产效率将上下孔倒角刀设置成同步伸出和退回，也就是说，上下孔的倒角工序可以同步进行。

R12V280ZJ型机体与16V280ZJA型机体的气缸孔在结构上主要有两项不同：(1)R12V280ZJ型机体气缸孔上孔下方多了一道直径与上孔相同、厚度为15 mm的中孔；(2)下孔倒角至气缸孔上平面距离不同，R12V280ZJ型机体比16V280ZJA型机体长4 mm。原气缸孔复合镗头在加工R12V280ZJ型机体时，上孔的镗刀要将R12V280ZJ型机体气缸孔上孔和中孔都加工完，行程要延长80 mm，由于将气缸孔工位的机械滑台改造成了数控滑台，通过程序设计可以满足。但是原气缸孔复合镗头在加工上下孔倒角时遇到了困难：由于R12V280ZJ型机体下孔倒角至气缸孔上平面距离比16V280ZJA型机体长4 mm，原气缸孔镗头的2把倒角刀已不能对R12V280ZJ型机体上下孔同时进行倒角加工，如果在加工完上孔倒角后再加工下孔倒角，上孔倒角刀必须退回，否则上孔倒角刀就会和上孔内壁发生干涉，由于当初设计的原因，上下孔倒角刀只能同步伸出和退回，所以原气缸孔复合镗头不能满足R12V280ZJ型机体气缸孔下孔倒角的加工。

最终重新设计了一种复合镗头，基本采用原镗头的结构，仍然将止推平面车刀、上下孔倒角刀安装在平面齿条差动机构上，只是将上下倒角刀的安装座由圆形改成了纵向的长方形，并将下倒角刀安装座上的刀具安装孔设计成腰子孔，下倒角刀安装在腰子孔下部时加工R12V280ZJ型机体，安装在腰子孔上部时加工16V280ZJA型机体，刀具和安装座之间还增加了调整螺栓来加强刀具位置的固定，确保刀具在加工时位置不发生变化。当加工产品发生变化时，只需将下倒角刀调整一次安装位置就行了。新设计的气缸孔复合镗头结合数控滑台的功能，既保留了原16V280ZJA型机体气缸孔上下孔的半精镗和精镗、上下孔的倒角和止推平面加工的需要，又解决了R12V280ZJ型机体气缸孔比16V280ZJA型机体多了一道中孔、下孔倒角至气缸孔上平面距离比16V280ZJA型机体长4 mm带来的加工困难，实现了一个气缸孔复合镗头能同时满足当前两种型号机体气缸孔的加工要求。

5.4 增加R12V280ZJ型机体油泵推杆孔镗头

16V280ZJA和R12V280ZJ两种型号机体的油泵推杆孔都分上下孔，前者上、下孔直径都是100 mm,后者上孔96 mm，下孔94 mm。经评估后，保留原油泵推杆孔镗头，继续用于加工16V280ZJA型机体油泵推杆孔的半精镗和精镗，考虑到R12V280ZJ型机体的上、下孔直径不一样，同时兼顾上下孔同轴度的要求，上下孔的精镗必须一次完成，所以采取半精镗和精镗分开加工的模式，重新设计了两个R12V280ZJ型机体油泵推杆孔镗头，一个用于半精镗，一个用于精镗[1]。在整个布局上，取消一个进排气推杆孔镗头，将R12V280ZJ型机体油泵推杆孔半精镗镗头安装在这个位置，R12V280ZJ型机体油泵推杆孔精镗镗头与16V280ZJA型机体油泵推杆孔镗头共用一个位置，根据生产需要进行调整。

5.5 其他部分

在改造过程中，为保证精度和设备可靠性，还对设备的基础部件、工件台、其他滑台等进行了整修，对易损件进行了更换，电气系统也进行了更新。

6 验证

该设备于2016年4月～2017年12月间按上述方案实施了改造，经过验证，改造后的夹具满足了两种机体校调和夹紧的要求(见图1)。气缸孔工位的机械滑台改造为数控滑台,并安装上新设计的气缸孔复合镗头，通过不同的程序控制，也实现了两种机体不同结构气缸孔的加工。由于新设计的两个油泵推杆孔镗头采用原油泵推杆孔镗头的结构和安装尺寸，当加工的机体种类变化时，每侧只需更换1只油泵推杆孔镗头即可满足生产的需要。在实际生产过程中，同种机体都是批量生产，实际更换的频率并不高。进排气推杆孔的镗头和推杆孔平面铣头无须改造，即可满足对两种机体的加工。由于对老化和磨损的零部件进行修复、换新，电气系统进行了更新，设备的铣头、镗头、滑台精度也达到了相关标准的要求。

图1 改造完成后的机床照片

7 结束语

2017年12月份，完成了两种机体实物加工的验证，两种机体均能一次定位后，两侧的气缸孔、推杆孔和推杆孔平面可以同时加工，达到了对设备进行通用性改造的目的,目前该设备已经投入使用。