活塞是轎車發動機的關鍵零件，活塞的質量和產量直接影響轎車的質量和產量。目前我國轎車工業發展非常迅速，以上海大眾桑塔納轎車發展為例，1994年生產綱領為年產10萬輛，1995年為15萬輛，1996年達20萬輛，1997年達25萬輛，到本世紀末將達50萬輛。上海新建的SGM公司1998年底將推出新的中高檔轎車，這樣，活塞的需求量將更大。上海活塞廠是一家能直接與轎車配套生產活塞的專業廠，為了與桑塔納轎車生產配套，該廠從80年代中期開始逐漸從國外引進了1000多萬美元的活塞加工關鍵專用工藝設備，組成了我國第一條轎車用活塞生產線，但其生產能力只能為年產10～20萬桑塔納轎車配套服務。要與年產50萬輛桑塔納轎車配套生產活塞，必須引進上千萬美元的關鍵設備，這是企業難以承受的。為了降低活塞制造成本，發展我國先進制造技術，研制活塞加工關鍵工藝設備勢在必行。為此，1994年上海活塞廠根據生產發展的需要，提出了引進設備國產化的設想。經過半年多的調查研究，上海交通大學與上海活塞廠在上海市重點辦、上海桑塔納轎車國產化辦公室、上海汽車工業集團總公司、上海桑塔納轎車攻關項目辦公室的支持下，簽署了全自動CNC鏜削活塞銷孔專用機床合作研究開發協議，并且由上海交通大學、上海活塞廠以及有關機床廠組成了攻關隊伍，制定了詳細的研究計劃。經過二年多的奮戰，全自動CNC鏜削活塞銷孔專用機床終于研制完畢，并于1997年8月運抵上海活塞廠投入了生產。
經機械工業部機床產品質量監督檢測中心上海分中心的檢測和生產實際考核，該機性能穩定，質量可靠。并于1998年1月通過了機械工業部和上海汽車工業總公司聯合組織的鑒定。
2被加工零件的要求
鏜削活塞銷孔是活塞加工工藝流程中較復雜的一道工序，包括鏜孔、鏜外口，切擋圈槽、倒內角和倒外角等五個部位的加工。圖1是被加工零件簡圖。其材料為硅鋁合金，加工尺寸要求為：銷孔直徑為φ19.5+0.050mm、止口端面至銷孔內圓面的距離為19.24±0．03mm，擋圈槽直徑為φ21.7+0.13-0.05mm、寬為1.6+0.10mm、槽底圓弧半徑為R0.8mm，外口直徑為φ22.2+0.40mm、圓弧半徑為R0.5mm，內角圓弧半徑為R0.5mm、寬度為0.8+0.2-0.1mm，外角錐度為40°±10′，銷孔兩擋圈槽外部之間距離為60+0.20mm，兩外角之間距離為62.15±0．2mm，兩外口之間距離為65±0．2mm。位置度要求為：擋圈槽、外口、外角對活塞中心線的對稱度要求為0.2mm，兩內角端面與銷孔中心線之間的垂直度要求為100∶0.8，擋圈槽相對銷孔中心線的徑向跳動為0.1mm，銷孔中心線與活塞中心線不共面，其間距為1.2±0.75mm。所有這些加工要求是在一次安裝、不停機、不換工位的情況下，一次性地加工完畢來保證的。
圖1被加工零件簡圖
3機床工作原理
活塞加工的特點是批量大、加工精度要求高、生產節拍快、自動化程度高、加工穩定性要好。針對這些特點，本課題設計了如圖2所示的全自動CNC鏜削活塞銷孔專用機床(圖中D氣缸和E氣缸帶動的齒輪找正機構對準O1處待加工活塞的后部，G和F氣缸分別對準O2處待加工活塞的前部和后部)。整臺機床由床身、主軸系統、偏心機構、刀排、自動上下料機構、氣動系統、數控與伺服系統等組成。下面分別介紹其自動上下料和數控多刀雙偏心鏜削原理。
圖2全自動CNC鏜削活塞銷孔專用機床示意圖
1.下料槽 2、3.伺服電機 4.主軸電機 5.主軸 6.偏心套 7.機械手 8.刀排 9.上料槽 10.控制臺
3.1全自動上下料
全自動上下料機構具有自動檢測、故障診斷和報警功能，是實現大批量、快節拍和自動化加工的關鍵。它可以提高勞動生產率、減少勞動強度、保證加工精度的一致性和自動化生產線的協調性。其工作過程如下：由上道工序(全自動CNC精車活塞止口專用機床)自動輸入的活塞儲存在上料槽9中，在壓緊缸A松開后，活塞自動下滾，至擋料缸B擋住為止(擋料缸B和壓緊缸A之間的距離只能容納一只活塞)；隨后壓緊缸A恢復壓緊狀態，阻止后面的活塞下滾；接著擋料缸B松開，活塞滾入V型塊中，擋料缸B復位；之后，推料缸D推動活塞進入機械手7中；此時找正缸E轉動活塞，進行定向找正；找正后，D、E氣缸復位；然后上料缸C將機械手7推至定位元件止口座前端；頂緊缸G推動活塞進入止口座中，并頂緊；隨后上料缸C復位；接著開始加工。在加工的同時，A、B、D和E氣缸動作，作上料準備，這樣可以減少上料輔助時間。加工完畢后，頂緊氣缸G放松，卸料缸F推動活塞從止口座中彈出，通過導向桿下滑卸料。
以上動作的協調都是通過數控系統和PLC控制系統來完成的，而動作的可靠性完全取決于氣動系統的性能。
3.2數控多刀雙偏心鏜削原理
由于活塞是大批量生產，因而需要有高效的加工設備和合理的加工工藝。數控技術和在線檢測技術是實現高效、柔性自動化生產的關鍵技術。而工序的相對集中，則有利于減少工件安裝次數、避免安裝誤差、減少機床和工裝數量、減少占地面積和輔助時間，同時降低故障概率、提高加工精度。為此，本機床采用數控多刀雙偏心鏜削技術，在一次安裝、不換刀排、不停機、不換工位的情況下，實現了活塞銷孔、外口、環槽、內外倒角的高效全自動加工。
如圖1所示，活塞銷孔分為左右二段，每段孔有五個加工部位，即外口、外倒角、銷孔、環槽和內倒角。數控多刀雙偏心鏜削技術是在保證同軸度要求的前提下，采用數控技術和偏心機構，控制兩個主軸頭同時進行加工。每個主軸頭裝有一個刀排，每個刀排上裝了五把刀具，分別完成鏜孔、鏜外口、切擋圈槽、倒內角和倒外角等五個部位的加工。其工作原理如圖2所示：主軸電機通過皮帶盤帶動主軸連同偏心旋轉驅動軸、聯軸器、偏心套、偏心軸和刀排一起旋轉作主切削運動，偏心套中心線與主軸旋轉中心線之間有一偏心量e1，刀排安裝孔中心線與偏心軸中心線之間又有一偏心量e2，一般設計成e1＝e2。在初始位置時，刀排中心線與主軸旋轉中心線重合。當偏心旋轉驅動軸通過聯軸器驅動偏心套中的偏心軸以及固定在其上的刀排旋轉180°時，刀排中心線與主軸旋轉中心線之間的距離為e1＋e2。而當刀排返回到0°時，刀排中心線與主軸旋轉中心線又重合。
根據活塞的加工要求，在刀排對稱位置上分別裝有鏜孔刀、鏜外口刀和切槽、倒內角、倒外角刀。首先，在刀排中心線與主軸旋轉中心線重合時鏜內孔和鏜外口，鏜到尺寸后，伺服電機3帶動偏心軸沿主軸旋轉方向旋轉，由于偏心作用，鏜孔刀和鏜外口刀沿徑向退刀，而其余三把刀(切槽刀、倒外角刀和倒內角刀)則沿徑向進刀，完成切擋圈槽、倒外角和倒內角的工作。軸向進給由伺服電機2帶動滾珠絲杠副及直線導軌來實現，主要完成鏜孔的進給和主軸箱的快進及快退動作。這樣，在一次安裝、不換刀排、不停機、不換工位的情況下，實現了活塞銷孔五個部位的高效自動加工。
4機床控制系統
全自動CNC鏜削活塞銷孔專用機床的控制系統主要由數控系統、伺服系統和氣動系統等組成。數控和伺服系統采用德國西門子公司的產品，由810M數控系統、611-AIRF驅動電源、主軸電機、交流伺服進給電機和伺服驅動模塊等組成。810M數控系統是用于銑削加工機床的緊湊型CNC控制系統，由CNC、PLC、操作面板、顯示器等組成。其中CNC是整臺機床的控制中心，可以通過它進行數控編程。在加工過程中，CNC接收有關機床位置和狀態信息，同時根據需要發出各種指令控制機床完成預期動作。PLC(可編程邏輯控制器)集成在CNC控制器內部，它是CNC和機床之間的接口，擔負著它們之間的信息交換，控制機床從自動上料、各種輔助動作的執行到自動下料等動作流程，實現機床的順序控制。PLC使用STEP5語言編程，可用“語句表”、“控制系統流程圖”或“梯形圖”三種表達方法來編寫。主軸電機采用了西門子的雙速電機，通過Y-Δ切換來改變轉速，通過皮帶盤帶動主軸連同偏心旋轉驅動軸、聯軸器、偏心套、偏心軸和刀排一起旋轉作主切削運動。四個伺服軸的驅動采用了SIMODRIVE 611-A伺服驅動模塊及其交流伺服電機，伺服驅動模塊主要根據CNC發出的信息控制左右鏜刀的同步直線進給和偏心進給。伺服電機內裝有速度編碼器和位置編碼器，便于精確控制刀具的進給。氣動系統采用德國FESTO公司生產的閥、氣缸和傳感器等，由PLC統一管理，具有動作可靠、性能穩定的特點。
5機床的主要特點
(1)基準統一，具有自動定位和自動壓緊功能。可以在一次安裝、不停機、不換刀排的情況下，高效、自動地實現活塞銷孔的鏜孔、鏜外口、切擋圈槽、倒內角和倒外角等五個部位的加工。基準統一可以減少安裝次數、安裝誤差和安裝時間，節省工裝夾具和機床占地面積，同時減少故障概率，提高加工精度。
(2)采用雙頭、雙偏心、多刀主軸系統和對稱伺服驅動結構，可以實現工序的相對集中，提高機床加工精度。
(3)具有自動檢測、故障報警的全自動上下料機構。它是實現大批量、快節拍和自動化加工的關鍵，可以提高勞動生產率、減少勞動強度、保證加工精度的一致性和自動化生產線的協調性。
(4)具有高穩定性與可靠性、操作容易、維修方便的氣動、電氣和數控系統。如上所述，所有氣動、電氣和數控系統的元器件都是目前國際上信譽良好的公司的產品。因而質量可靠、性能穩定、互換性好。
整臺機床充分體現了機、電、氣、PLC控制技術以及數控技術的有機結合，是先進制造技術的典型應用。
6結論
上述專用機床實現活塞銷孔的全自動化加工。在一次安裝、不停機、不換工位的情況下，從上料、加工到下料全自動完成。該機床已在上海活塞廠投入生產，而且已和上一臺全自動CNC精車活塞止口專用機床連在一起，實現連線自動化生產。經機械工業部機床產品質量監督檢測中心上海分中心的檢測和實際生產考核，機床的各項性能指標均達到了設計要求，加工節拍為：每只活塞加工時間少于20秒。