發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋半圓槽數(shù)控銑床的研究

何榮開(kāi)

（東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新型光源技術(shù)及裝備教育部工程研究中心，江蘇南京 210096）

某型號(hào)摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸安裝在汽缸體和汽缸蓋之間，在汽缸蓋上留有半圓槽，并且兩端部不通（圖1），半圓槽直徑尺寸為φ28JS8（±0.016），槽底部離安裝面為14±0.016 mm，汽缸蓋的材料為L(zhǎng)Y102，毛坯為精密壓鑄鋁件，其半圓槽單邊加工余量在0.8 mm左右，要求加工機(jī)床的生產(chǎn)效率為3 min/件。

通過(guò)工藝試驗(yàn)，汽缸蓋毛坯件的半圓槽用二次銑削加工，粗銑半球頭銑刀去除毛坯余量85%，留余量的15%用精半球頭銑刀加工，銑削加工后半圓槽的表面粗糙度較好，加工精度也能達(dá)到工件圖紙要求。根據(jù)前面所述的技術(shù)要求和工藝試驗(yàn)結(jié)果，如采用加工中心加工，粗銑和精銑加工需不斷自動(dòng)更換刀具，裝夾工件也需要較多的輔助時(shí)間，生產(chǎn)效率低。所以設(shè)計(jì)專(zhuān)用于銑削汽缸蓋半圓槽的數(shù)控臥式銑床，可以減少輔助時(shí)間，提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。

1 半球頭銑刀銑削的工作原理

雙刀刃半球頭銑刀在銑削加工時(shí)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，由于半球頭銑刀頂點(diǎn)在銑刀的中心線(xiàn)上，銑刀旋轉(zhuǎn)，其線(xiàn)速度為0。如果半球頭銑刀的軸心線(xiàn)與汽缸蓋半圓槽的母線(xiàn)垂直，銑刀加工槽底部位的切削線(xiàn)速度為0，銑刀頂部無(wú)法參與切削加工，銑刀對(duì)半圓槽產(chǎn)生擠壓，這樣半圓槽深度尺寸一致性難以保證，表面粗糙度也無(wú)法達(dá)到圖紙要求。

為了使銑刀在切削過(guò)程中與半圓槽接觸的每一點(diǎn)刀具的線(xiàn)速度不為0，銑刀的軸線(xiàn)與半圓槽軸線(xiàn)處在同一平面內(nèi)，并且銑刀的軸線(xiàn)與半圓槽軸心線(xiàn)的垂直線(xiàn)成一定的角度α（圖3），α應(yīng)選在6°～12°之間。角度太大，會(huì)影響機(jī)床X向行程，并且銑刀會(huì)銑削到汽缸蓋側(cè)面邊框;角度太小，銑刀銑槽底點(diǎn)的線(xiàn)速度較小，會(huì)影響切削加工表面的粗糙度，加大切削抗力。

選擇α角為9°時(shí)，工件加工完成后，銑刀切削到汽缸蓋邊框的尺寸能滿(mǎn)足圖紙要求。機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，在半圓槽口部的銑刀切削線(xiàn)速度最大，半圓槽底部的銑刀切削線(xiàn)速度最小，其最大和最小的線(xiàn)速度如下。

半球頭銑刀刃口采用硬質(zhì)合金，這樣的線(xiàn)速度基本滿(mǎn)足切削的要求。汽缸蓋為精密壓鑄件，一次切削無(wú)法滿(mǎn)足加工精度要求，因而采用粗、精銑削二次加工。精銑削加工時(shí)由于球頭部各處的切削線(xiàn)速度相差較大，進(jìn)而影響汽缸蓋半圓槽表面粗糙度的一致性，所以在粗加工時(shí)，槽底部留的加工余量較小，而槽口沿處留的精加工余量較大（圖4）。通過(guò)工藝試驗(yàn)，以這樣的切削線(xiàn)速度和加工余量粗銑和精銑汽缸蓋的半圓槽，加工表面的粗糙度、尺寸和底部深度尺寸一致性都能達(dá)到工件圖紙要求。

采用雙刀刃平口半球頭銑刀，刃口與銑刀的旋轉(zhuǎn)軸夾角為0°，銑刀旋轉(zhuǎn)軸與工件的切削進(jìn)給方向夾角是81°，所以刀刃在切削時(shí)，銑刀頂部的刃口先接觸工件，而半圓槽的沿口后接觸工件，雖然切削是斷續(xù)加工，但鋁合金的切削抗力較小，切削使刀具產(chǎn)生的振動(dòng)較小，能達(dá)到加工要求。如改用多刀刃螺旋刃口的半球頭銑刀，切削為連續(xù)加工，切削產(chǎn)生的振動(dòng)更小，使用效果更好，但刀具造價(jià)較高。

2 機(jī)床工作原理

汽缸蓋銑半圓槽采用臥式數(shù)控銑床，其工作臺(tái)不移動(dòng)，而銑刀在X、Y、Z軸3個(gè)坐標(biāo)方向移動(dòng)。

2．1 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)

機(jī)床的總體布局如圖5所示，銑刀采用臥式布局，主軸安裝在垂直拖板上，而垂直拖板裝在立柱上可上下移動(dòng)，立柱裝在X、Z軸的十字拖板上。工件夾具裝在墊塊上，而墊塊安裝在工作臺(tái)上。汽缸蓋安裝在夾具上，夾具可分成左右2個(gè)工位，一個(gè)工位正在加工，而另一工位可以裝卸工件，這樣裝卸工件不占用機(jī)床的輔助時(shí)間，提高加工效率。

機(jī)床采用雙主軸結(jié)構(gòu)，一個(gè)主軸上安裝粗加工銑刀，用于粗加工半圓槽，另一個(gè)主軸上安裝精加工銑刀，用于精加工半圓槽。立柱安裝在X、Z軸的十字拖板上，X軸用于切削進(jìn)給，立柱上的Y軸用于換刀加工，Z軸用于銑刀的進(jìn)給和退出。由于半球頭銑刀的加工工藝要求，立柱應(yīng)傾斜安裝在X軸拖板上，使半球頭銑刀與Z軸成α（9°）角。

半球頭銑刀刃口用硬質(zhì)合金材料，而工件材料為鋁合金，銑削加工時(shí)采用乳化液作潤(rùn)滑和冷卻，以提高加工面的粗糙度質(zhì)量和加工精度。把乳化液的噴嘴安裝在垂直拖板上，用兩個(gè)噴嘴分別對(duì)著精、粗銑刀進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，乳化液采用渦旋過(guò)濾器對(duì)鋁屑進(jìn)行過(guò)濾。

2．2 機(jī)床加工工藝流程

機(jī)床主要有X、Y、Z三軸運(yùn)動(dòng)，分別由伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)柔性聯(lián)軸節(jié)與滾珠絲杠副連接，構(gòu)成半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)，其加工控制程序框圖如圖6所示。冷卻乳化液有2個(gè)噴嘴分別冷卻粗、精銑刀，由2個(gè)流體電磁閥控制，銑刀在加工時(shí)把閥打開(kāi)，不加工時(shí)把閥關(guān)閉，電磁閥的開(kāi)閉由程序控制。

銑刀的加工線(xiàn)路圖如圖7所示，在夾具第一工位裝夾工件后，粗銑刀主軸從基點(diǎn)移到粗加工起點(diǎn)，銑削半圓槽，加工完成后，粗銑刀退出，精銑刀的主軸移到夾具第一工位加工起點(diǎn)，精銑半圓槽。在夾具第一工位加工的同時(shí)，夾具第二工位在裝卸工件，而第二工位加工的同時(shí)，夾具第一工位可以裝卸工件。在夾具第一工位加工完成后，銑刀移到夾具第二工位粗、精銑工件，完成后銑刀退回到基點(diǎn)。

3 機(jī)床關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

汽缸蓋半圓槽數(shù)控銑床底座由鋼板焊接而成，工作臺(tái)與床身連成整體，工件的夾具安裝在工作臺(tái)上，X、Y、Z三軸拖板移動(dòng)采用伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與滾珠絲杠副連接，構(gòu)成半閉環(huán)系統(tǒng)。

3．1 雙主軸結(jié)構(gòu)

由于機(jī)床用于汽缸蓋半圓槽的加工，只需要粗、精銑兩步加工工序，如采用傳統(tǒng)的單主軸機(jī)床布局，需在機(jī)床上增加自動(dòng)換刀機(jī)械手和刀庫(kù)，機(jī)床造價(jià)較高，機(jī)床加工的輔助時(shí)間占用比例大，生產(chǎn)效率較低。根據(jù)汽缸蓋工件銑削半圓槽加工工藝的特點(diǎn)，采用雙主軸結(jié)構(gòu)，分別安裝粗加工銑刀和精加工銑刀，只需拖板在Y軸上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀。

雙主軸結(jié)構(gòu)如圖8所示，在機(jī)床立柱的垂直拖板上布置2個(gè)主軸，上方用于安裝粗加工銑刀，下方用于安裝精加工銑刀。銑刀采用錐柄，用碟形彈簧拉緊，裝卸方便，使用可靠。2個(gè)主軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)，由一組齒形皮帶相連接，由于2個(gè)主軸中心距不可調(diào)節(jié)，所以在2個(gè)主軸齒形帶輪中間裝有漲緊齒形帶輪。下主軸與主伺服電動(dòng)機(jī)由齒形皮帶相連，電動(dòng)機(jī)軸與主軸的中心距可以調(diào)節(jié)，以漲緊齒形帶。

3．2 工件夾具設(shè)計(jì)

汽缸蓋夾具采用2個(gè)裝夾工件的工位，一個(gè)工位在加工時(shí)，另一個(gè)工位裝卸工件，這樣可以減少機(jī)床的加工輔助時(shí)間。夾具結(jié)構(gòu)如圖9所示，因?yàn)橐ＷC切削深度在尺寸14±0.016 mm公差范圍以?xún)?nèi)，工件安裝基面設(shè)在A面，用2個(gè)圓銷(xiāo)孔φ6H6作為定位基準(zhǔn)孔，采用一對(duì)圓柱銷(xiāo)和棱形銷(xiāo)作為定位銷(xiāo)釘。

工件夾緊采用杠桿，一端用鉸鏈固定，另一端用液壓缸拉緊。把工件上的定位銷(xiāo)孔對(duì)準(zhǔn)夾具的定位銷(xiāo)，使工件的A面與夾具定位面緊貼，杠桿旋轉(zhuǎn)，安裝在杠桿中間的浮動(dòng)壓塊壓緊工件。浮動(dòng)壓塊采用十字萬(wàn)向結(jié)構(gòu)，壓緊工件時(shí)壓塊可自由擺動(dòng)，使工件壓緊時(shí)受力均勻。旋轉(zhuǎn)液壓缸前端的旋轉(zhuǎn)拉桿，扣在杠桿的拉桿槽中，液壓缸退回，杠桿壓緊工件。如圖9中1號(hào)工位所示，工件裝夾完成，可進(jìn)行工件加工。工件加工完成后，液壓缸松開(kāi)，手工旋轉(zhuǎn)液壓缸活塞桿前端的旋轉(zhuǎn)拉桿，并旋轉(zhuǎn)杠桿，使工件從夾具上拆卸，如圖9中2號(hào)工位。此夾具工件裝卸方便、快速，定位精度高，工件夾持可靠，達(dá)到減少輔助時(shí)間，提高機(jī)床工作效率的目的。

因?yàn)楣ぜ谘b卸時(shí)，液壓缸的動(dòng)作會(huì)使液壓系統(tǒng)壓力產(chǎn)生波動(dòng)，從而使另一個(gè)液壓缸的壓力波動(dòng)，導(dǎo)致工件夾持力的波動(dòng)，會(huì)影響正在加工工件表面粗糙度和深度一致性。所以?xún)蓚€(gè)工位夾緊用的液壓缸采用兩套系統(tǒng)供油，采用兩個(gè)氣轉(zhuǎn)液泵站。

4 結(jié)語(yǔ)

摩托車(chē)零件的生產(chǎn)屬于大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率要求高，在半圓槽數(shù)控銑床設(shè)計(jì)時(shí)，在加工精度達(dá)到要求后，必須首先考慮機(jī)床的工作效率。

采用雙主軸設(shè)計(jì)，用銑床Y、Z軸快速移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)換刀，使刀具離開(kāi)工件到接觸工件換刀時(shí)間較短;夾具設(shè)計(jì)采用雙工位，工件裝卸不占用機(jī)床工作時(shí)間。機(jī)床正在某摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司使用，生產(chǎn)率為2.5 min/件，加工精度達(dá)到7級(jí)，表面粗糙度達(dá)到Ra1.6 μm，能滿(mǎn)足工件生產(chǎn)要求，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002．

［2］楊黎明．機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京:北京國(guó)防工業(yè)出版社，1996．

［3］畢承恩．現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991．

［4］周蘭，常曉?。F(xiàn)代數(shù)控加工設(shè)備［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005．