上海中船三井造船柴油机有限公司 上海 201306
摘要：十字头销是MAN系列船用低速柴油机的重要精密零部件，但其传统机械加工工艺路线冗长，工序繁琐，有效切削率低，从而导致生产效率低。本研究旨在创新十字头销机械加工工艺，通过专用工装的引用，改变原有加工方式，极大简化了工艺，缩短了加工路线，节省大量辅助时间，使机床有效切削率大幅提升，即机床利用率大幅提高，提高了生产效率，降低了生产成本，实现了在不增加机床设备及劳动人员的前提下，帮企业实现更大的产出，提高企业经营效益。
关键词：MAN系列船用低速柴油机，十字头销，加工工艺，工艺路线，加工效率，切削时间，辅助时间，有效切削率，卡盘顶尖，托磨。
一：前言
十字头销是船用低速柴油机的重要精密零部件，其主要用于连接连杆及活塞杆，并在两端安装滑块，以机架导板为导向，通过活塞杆的推动上、下往复运动，并带动连杆及曲轴转动，从而推动船舶前进及后退，是柴油机的关键运动连接部件。十字头销大外圆的表面粗糙度需要达到Ra0.05的镜面要求，大外圆的圆柱度需不超过0.01mm，相对小外圆中心的跳动度需不超过0.01mm，其大外圆直径可达到1000mm，单个零件重量可达到6吨，属于高精密的大型零件。十字头销的大外圆与轴瓦配合，随连杆转动时十字头销大外圆与轴瓦发生相对转动，因此精度要求极高，需经过外圆研磨加工及振抛加工的工序。以往加工十字头销的工艺方法比较繁琐，工艺路线长，工序多，而且一道工序中还包含多道工步，工件上、下车次数多，机床占用时间长，整体加工效率低。
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图1十字头销结构示意图
二：十字头销传统加工工艺
船用低速柴油机的十字头销的结构是主要包括大外圆，小外圆，缺口平面，端面等的大型轴类零件，目前传统的加工工艺路线如下：
工序一：划线——划各端面余量线及端面中心线；
工序二：镗床——加工两端顶尖孔；
工序三：车床（粗车）——1、一夹一顶粗车大外圆及倒角；2、一夹一托车一端端面，小外圆及顶尖孔；3、一夹一托车大外圆长度，总长，另一端小外圆及顶尖孔；
工序四：划线——划端面十字线，起吊螺孔，缺口平面（件号3）等加工线；
工序五：镗床——1、卧式工位，工件平放，加工两端面（件号3）起吊螺孔；2、立式工位，工件一端面（件号3）朝下，铣缺口平面（件号3），加工大、小外圆圆周上的孔；
工序六：钻床——1、工件竖放，钻一端端面（件号3）的孔，2、工件翻转180度，钻另一端端面的孔；
工序七：车床（精车）——在缺口平面（件号3）安装工艺镶块（件号4），1、一夹一顶，车大外圆，一端小外圆及端面，2、一夹一顶，车另一端小外圆及端面；
工序八：立车——1、工件竖放，精加工一端面的顶尖孔倒角，2、工件翻转180度，精加工另一端的顶尖孔倒角；
工序九：磨床——顶两端面顶尖孔，研磨大外圆（件号1）及两端小外圆（件号2）；
工序十：抛光——顶两端面顶尖孔，振抛大外圆（件号1）至镜面要求；
以上为传统工艺方法，共包含十道加工工序，每个工序中还涉及到多个工步，及多次上、下车。如工序三：车床（粗车），需要3次上、下车；工序五：镗床，需要2次上、下、车；工序六：钻床，需要2次上、下车；工序七：车床（精车），需要2次上、下车；工序八：立车，需要2次上、下车。全部工序累计需要16次上、下车，这需要耗费大量额外辅助加工时间，这些时间都是不产生铁屑的无效的加工时间，因此导致加工效率低下。
传统的十字头销加工方法中需要多次上、下车也是出于保证零件加工精度的需要，如车床（粗车）加工时，因为要保证车削的平衡性，所以缺口平面没有提前加工，导致两端面的起吊孔也不能提前加工（与缺口平面有角度关系），从而也不能使用两顶尖的加工方式，所以只能采用一夹一顶，一夹一托的传统加工方法。镗床加工时，因为工件紧固方式的原因，不能一次加工出所有端面孔，必须使用钻床加工端面孔，因此也多出工序及上、下车时间。而磨床采用顶磨的方式，这样对顶尖孔（件号5）加工要求高，必须增加立车的工序，精加工两端顶尖孔（件号5），同样也多出工序及上、下车时间。
三：十字头销创新的加工工艺
新的工艺方法主要是配合使用创新设计的工装，解决传统工艺方法中的需要多道工序，多次上、下车的问题，能大幅缩短工艺路线，减少上、下车时间，减少无效的辅助工作时间，提高零件的整体加工效率。
3.1十字头销创新工艺方法：
工序一：镗床（如图2）——卧式工位，利用V型定位工装（件号7），轴向定位好工件，并使用手拉葫芦（件号8）径向上锁紧工件外圆，加工十字头销两端面（件号4）上所有的孔，加工对总长，粗加工缺口平面（件号3），及加工缺口平面上车床工艺镶块（件号9）的安装工艺孔。
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图2镗床卧式工位上车图
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图3车床装夹示意图
工序二：车床（如图3）——采用两顶尖的形式装夹工件，机床的卡盘侧安装传动盘（件号10）及卡盘顶尖（件号11），再利用十字头销端面的螺孔及传动棒（件号12），即可带动工件旋转，并在缺口平面（件号3）上安装车床工艺镶块（件号9），用以保证车削过程中的动平衡，利用机床尾座顶尖（件号13）及卡盘顶尖（件号11）两顶尖的方式装夹好工件。在此工位完成十字头销大外圆（件号1），小外圆（件号2）及各档端面的粗、精车削加工，仅大外圆（件号1）及小外圆（件号2）留磨削加工的余量。
工序三：镗床（如图4）——立式工位，利用等高垫块（件号20）及压板（件号18）、螺栓（件号16）、压紧螺母（件号17）、可调支撑（件号19）将工件固定在镗床旋转工作台（件号15）上，精加工缺口平面（件号3）——主要为防止缺口平面变形，所以采用粗、精加工分开的形式，以及加工圆周上所有的孔。
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图4是镗床立式工位装夹示意图
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图5是磨床装夹示意图
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图6抛光车床装夹示意图
工序四：磨床（如图5）——采用托磨的方式，磨削十字头销大外圆（件号1）及小外圆（件号2）。将十字头销放置在与机型匹配的磨床托架（件号24）上，磨床传动板（件号22）安装在十字头销端面（件号4），传动万向轴（件号23）一端与机床卡盘侧连接，一端与磨床传动板连接，并在缺口平面安装磨床工艺镶块（件号21），利用十字头销专用砂轮（件号26），磨削十字头销大外圆（件号1）及小外圆（件号2），磨床尾座顶尖（件号25）用来校调工件。
工序五：抛光（如图6）——装夹方式与车床装夹方式相同，都是两顶尖装夹的方式，磨床工艺镶块（件号21）任然安装在工件上，保证转动过程中的动平衡，使用抛光机及砂纸抛光工件表面至镜面要求。
3.2新的工艺方法主要解决的问题
3.2.1、新的工艺方法解决了同时加工十字头销两端面孔及缺口平面的问题。要想减少车床的工序次数及上、下车次数，必须使用两顶尖的装夹方式，使用两顶尖的装夹方法又必须利用端面的螺孔带动工件转动。使用镗床卧式工位的V型定位工装（件号7）及手拉葫芦（件号8）很好地解决了这一问题，利用V型形位工装（件号7）可以在轴向上固定工件，利用手拉葫芦可以在圆周径向上锁紧工件，此时就可以在一道工序同时完成两端面（件号4）孔的加工，缺口平面的粗加工，及缺口平面（件号3）工艺螺孔的加工。传统工艺方法及工装没有解决这一问题，不能加工缺口平面（件号3）也就不能加工两端面孔，因此也就不是使用两顶尖装夹工件进行车削加工。
3.2.2、新的工艺方法解决了粗、精车同工序加工的问题。因为前道工序加工两端面孔，所以利用传动盘（件号10），卡盘顶尖（件号11），及传动棒（件号12）就可以实现两顶尖的方式车削工件，且能实现全部外圆及端面的精车加工。同时车削工艺镶块（件号9）的使用也解决了因缺口平面（件号3）加工后车削动平衡的问题，保证了车削的精度。
3.2.3、新的工艺方法解决了必须精加工两顶尖孔才能磨削的问题。传统工艺采用顶磨磨削工件，因此对顶尖孔要求极高，否则不能保证磨削精度，新的工艺方法利用磨床托架及万向轴，磨床传动板带动工件转动，利用工件自重实现稳定旋转，不需要使用顶尖孔定位工件，就能很好地保证磨削的精度，减少了立车精加工顶尖孔的工序。磨削时安装的时磨削工艺镶块（件号21），保证了磨削转动过程中的动平衡，有效保证了磨削精度。
3.3取得的有益效果：
传统的十字头销加工工艺方法有8道工序，总共16次上、下车，工序路线长，单个工序工步多，辅助时间及无效劳动时间占用过多，加工效率低。而采用新的工艺方法，工序少，工艺路线短，仅需要5道工序即可完成十字头销的全部加工内容，每道工序只需要一次上车，总共只有5次上车，大幅提高十字头销加工效率，减少操作人员的劳动强度，省时省力。
四：结束语
该研究创新了船用低速柴油机十字头销加工的工艺方法，简化了工艺路线，在不增加机床设备投入的前提下，通过创新工装夹具的设计，极大优化了十字头销的加工工艺路线。其中的创新点包括：1）十字头销镗床卧式工位加工方法及配套的V型定位工装及锁紧装置设计；2）十字头销车床加工方法及配套的定位带动装置的设计；3）十字头销磨床加工方法及配套的定位传动装置的设计。