12V柴油機(jī)機(jī)體精銑缸面、精鏜氣缸孔數(shù)控專機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

馬敏莉，王建章

(1.南通職業(yè)大學(xué)，江蘇南通226007;2.南通柴油機(jī)股份有限公司，江蘇南通226002)

12V 柴油機(jī)因承載負(fù)荷大，對其關(guān)鍵零件的加工有很高的要求。以12V 基本型柴油機(jī)機(jī)體為例，左右缸面及12 個(gè)氣缸孔是機(jī)體零件的重要加工表面，其加工精度直接影響柴油機(jī)的整機(jī)性能。以往某公司基本利用普通專機(jī)分序加工左右缸面及12 個(gè)氣缸孔，缸面及缸孔質(zhì)量難以保證;同時(shí)工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，難以滿足要求。2009年，作者開始研發(fā)12V 柴油機(jī)機(jī)體精銑缸面、精鏜氣缸孔數(shù)控專機(jī)，根據(jù)12V 機(jī)體零件精銑缸面、精鏜氣缸孔的工序要求，有針對性地設(shè)計(jì)了機(jī)床布局和各個(gè)功能部件，解決了缸面平面度、缸套孔止口深度mm、底面0.3°～0.5°斜面、孔與底面的過度圓角

1 12V 柴油機(jī)機(jī)體零件精銑缸面、精鏜氣缸孔工序要求分析

該工序加工內(nèi)容及加工精度見圖1，加工表面為左右缸面及12 個(gè)氣缸孔。以12V 基本型柴油機(jī)機(jī)體為例，左右缸面的加工精度要求:與主軸孔高度460 ±0.1 mm、與機(jī)身對稱中心面的角度為、平面度為0.06 mm、與A－B 的平行度為0.1 mm、表面粗糙度小于Ra1.6 μm;12 個(gè)氣缸孔的加工要求:止口直徑mm、上缸套孔直徑mm、下缸套孔直徑mm，缸套孔的止口深度為mm、底面0.3° ～0.5°斜面、mm 孔與底面的過渡圓角為mm，與mm、各缸止口與缸面的平行度、各缸孔與缸面的垂直度等加工中的瓶頸問題，確保了工序加工精度及效率，在實(shí)際應(yīng)用中其技術(shù)得到了充分驗(yàn)證。主軸孔的垂直度要求小于φ0.08/460 mm、與缸面的垂直度要求小于0.03 mm、表面粗糙度小于Ra1.6 μm，還有平行度等其他要求。通過分析機(jī)體零件工序圖加工要求可知，左右缸面及12 個(gè)氣缸孔加工要求非常高。

該工序加工內(nèi)容原本由2 臺(tái)專機(jī)分2 道工序完成。原缸套孔精鏜專機(jī)設(shè)有兩個(gè)鏜頭，加工時(shí)互相干擾，缸套孔尺寸精度、圓柱度及表面粗糙度難以保證;其精鏜頭軸向走刀，底面的0.3° ～0.5° mm 斜面、mm 孔與底面的過渡圓角mm不易保證，均采用手工刮削，生產(chǎn)效率低。

因此能夠在一臺(tái)數(shù)控專機(jī)上完成左右缸面的精銑加工、12 個(gè)氣缸孔的精鏜加工是企業(yè)解決這一問題的理想途徑。

圖1 精銑缸面、精鏜氣缸孔工序簡圖

2 數(shù)控專機(jī)設(shè)計(jì)及難點(diǎn)

在最少的裝夾下完成左右缸面的精銑、12 個(gè)氣缸孔的精鏜等工藝過程，并保證工件的加工精度和要求，是該專用機(jī)床的設(shè)計(jì)目標(biāo)。為完成設(shè)計(jì)目標(biāo)，在設(shè)計(jì)時(shí)必須解決以下4 個(gè)難點(diǎn)問題:(1)必須解決前文中提到的6 大瓶頸問題;(2)需解決機(jī)床各部件相互協(xié)調(diào)完成較為復(fù)雜動(dòng)作的問題［1］;(3)由于機(jī)體質(zhì)量達(dá)到750 kg，需解決如何保證各部件有足夠的承載能力問題;(4)為了滿足不同種類的12V、16V 機(jī)體加工，需解決縮短機(jī)床調(diào)整、上下料等輔助時(shí)間等問題。

3 數(shù)控專機(jī)的布局與動(dòng)作順序

綜合考慮該專用機(jī)床整體剛性、空間結(jié)構(gòu)和排屑性能等因素，采用立式單面布置。為確保整機(jī)穩(wěn)定性和剛性，床身底面形狀設(shè)計(jì)為“L”形，而非一般機(jī)床所采用的“I”形。機(jī)床各部件布局見圖2，其主要部件為數(shù)控移位滑臺(tái)、數(shù)控進(jìn)給滑臺(tái)、強(qiáng)力銑削頭、精鏜頭、連體斜立柱、夾具等。

機(jī)床完成設(shè)計(jì)目標(biāo)的動(dòng)作順序是:按鈕，定位面吹屑，人工推工件到機(jī)動(dòng)滾道，按鈕，隔料裝置放行，工件進(jìn)入夾具，滾道落下，液壓插銷，夾緊油缸夾緊工件，自動(dòng)裝置鎖緊，氣檢檢測，銑頭主軸啟動(dòng)，數(shù)控滑臺(tái)快進(jìn)，工進(jìn)(銑削切削液啟動(dòng))，加工完成后，銑頭主軸停止(銑削切削液停止)。數(shù)控滑臺(tái)快進(jìn)至鏜孔一工位，鏜頭主軸啟動(dòng)，立式滑臺(tái)快進(jìn)，工進(jìn)(鏜削切削液啟動(dòng))，量儀導(dǎo)向柱碰觸工件頂面后，壓縮量儀，發(fā)出止口刀到位信號(hào)，進(jìn)給滑臺(tái)停止(切斜面時(shí)，進(jìn)給滑臺(tái)和出刀伺服走插補(bǔ))，止口刀橫車止口端面，車到位后，滑臺(tái)反向工進(jìn)，鏜出止口圓錐面。反鏜時(shí)精鏜刀已被斜塊頂出到精鏜位置，精鏜刀精鏜上下缸孔。加工完成后，鏜削切削液停止，進(jìn)給滑臺(tái)快退回原位。按以上循環(huán)，數(shù)控滑臺(tái)依次移到二、三、四、五、六工位，依次鏜削2、3、4、5、6 缸孔。數(shù)控滑臺(tái)快退回原位，夾緊油缸放松工件，液壓拔銷，滾道升起，自動(dòng)滾滾刀反轉(zhuǎn)，工件退出夾具到機(jī)動(dòng)滾道上，人工吊起工件，旋轉(zhuǎn)工件，按照上述順序依次銑削另一缸面、按鈕，鏜削12、11、10、9、8、7 缸孔。數(shù)控滑臺(tái)快退回原位，夾緊油缸放松工件，液壓拔銷，滾道升起，自動(dòng)滾滾刀正轉(zhuǎn)，帶工件出夾具。進(jìn)入工件下一循環(huán)。

圖2 精銑缸面、精鏜氣缸孔數(shù)孔專機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

4 數(shù)控專機(jī)主要功能部件設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)控移位滑臺(tái)

數(shù)控移位滑臺(tái)是為工件銑削進(jìn)給提供動(dòng)力和6次定位進(jìn)行鏜孔起到輸送和定位作用?？炕_(tái)數(shù)控行走實(shí)施定位，并設(shè)有定位檢測、糾錯(cuò)功能。為了保證圖1 中各缸套孔的位置精度，滑臺(tái)定位后由液壓鎖緊裝置鎖緊滑臺(tái)。為了保證滑臺(tái)導(dǎo)軌有足夠的承載能力，滑臺(tái)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)為硬導(dǎo)軌，和滑臺(tái)座設(shè)計(jì)成一體，采用高性能鑄鐵材質(zhì)，導(dǎo)軌表面采用超音頻淬火，淬火后經(jīng)導(dǎo)軌磨床磨削。滑臺(tái)體采用高剛性、高強(qiáng)度設(shè)計(jì)，鑄造后進(jìn)行一次熱時(shí)效處理，粗加工后進(jìn)行一次熱時(shí)效處理。為了提高滑臺(tái)體精度，滑臺(tái)體的陰導(dǎo)軌需進(jìn)行貼塑或涂塑處理，與陽導(dǎo)軌配刮?；_(tái)靠伺服電機(jī)通過彈性聯(lián)軸器連接滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)移位。

4.2 數(shù)控進(jìn)給滑臺(tái)

數(shù)控進(jìn)給滑臺(tái)是為鏜頭進(jìn)給切削工件提供驅(qū)動(dòng)。數(shù)控進(jìn)給滑臺(tái)設(shè)計(jì)與數(shù)控移位滑臺(tái)設(shè)計(jì)基本相同。

4.3 強(qiáng)力銑削頭

強(qiáng)力銑削頭采用西德SFER 銑削頭，其結(jié)構(gòu)簡圖見圖3。其主軸前軸徑為φ160 mm，前軸承為內(nèi)孔1∶12錐度的雙列圓柱滾子軸承與雙向推力角接觸球軸承組合。整個(gè)主軸系統(tǒng)精度高、剛性好。強(qiáng)力銑削頭為滑臺(tái)式，主軸中心低，增加了系統(tǒng)剛性;具備自動(dòng)讓刀功能，可進(jìn)行二次進(jìn)給。為了增加銑削頭的剛性，強(qiáng)力銑削頭的導(dǎo)軌在銑削時(shí)液壓鎖緊。強(qiáng)力銑削頭外部用同步齒形帶傳動(dòng)，內(nèi)部用斜齒輪傳動(dòng)，齒輪與主軸采用漲套無隙聯(lián)接，傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲低。

為了確?；覊m不進(jìn)入銑削頭，銑頭端部采用機(jī)械密封和氣密封雙重密封。

主軸電機(jī)采用變頻電機(jī)，通過圓弧齒形帶帶動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 強(qiáng)力銑削頭結(jié)構(gòu)簡圖

4.4 精鏜頭

為了使主軸能保證在高切削力時(shí)無振動(dòng)地運(yùn)行，保證各氣缸孔尺寸精度、圓柱度，精鏜頭采用西德DSS 精密鏜頭結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡圖見圖4。主軸前端軸承采用雙列圓柱滾子軸承和雙向推力角接觸軸承，后支撐采用雙列圓柱滾子軸承［2］。

為了有效避免孔內(nèi)的退刀印，機(jī)床鏜孔采用正鏜為半精鏜、反鏜為精鏜的工藝。

為了加工缸孔底面的0.3° ～0.5° mm 斜面，采用單軸鏜頭徑向車削與鏜頭軸向進(jìn)給實(shí)現(xiàn)斜線鏜削。

鏜頭內(nèi)部具有冷卻刀具內(nèi)出水結(jié)構(gòu)。鏜頭主軸端部采用機(jī)械密封和氣密封。主軸電機(jī)采用變頻電機(jī)，通過圓弧齒形帶帶動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 精鏜頭結(jié)構(gòu)簡圖

4.5 連體斜立柱

為了保證左、右缸面的高度、平行度等要求，考慮整體剛性等要求，采用連體式斜立柱，銑頭和數(shù)控滑臺(tái)并排安裝在連體斜立柱上。為了降低加工過程的動(dòng)平衡，立柱內(nèi)腔設(shè)有配重，平衡銑頭、滑臺(tái)及鏜頭質(zhì)量。

立柱體采用高性能鑄鐵，采用高剛性、高強(qiáng)度設(shè)計(jì)，鑄造后進(jìn)行一次熱時(shí)效處理，粗加工后再進(jìn)行一次熱時(shí)效處理，以消除內(nèi)應(yīng)力、減小變形。

4.6 夾具

夾具由夾具體、定位機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)等組成［3］。

定位機(jī)構(gòu)。根據(jù)上機(jī)前的毛坯狀態(tài)，定位機(jī)構(gòu)采用一面兩孔定位。夾具上安裝等高定位塊用于工件底面定位;安裝液壓升降架，采用固定定位銷，用于工件底面兩定位銷孔定位;同時(shí)為提高定位精度、減輕變形，使用了卡帕斯輔助定位裝置。為了剔除前工序底面精銑精度不合格的零件，保證當(dāng)前工序的加工精度，確保當(dāng)前工序定位可靠，在夾具的定位面設(shè)有定位前吹氣裝置，定位后氣檢裝置。定位支承板上設(shè)有3 個(gè)氣檢出口，連接氣檢機(jī)構(gòu)，用于工件平面定位氣檢。

夾緊機(jī)構(gòu)。采用翻板壓緊結(jié)構(gòu)。夾具體兩側(cè)設(shè)6個(gè)壓緊油缸，通過壓板壓緊在工件兩側(cè)面窗口處。夾緊機(jī)構(gòu)采用楔鐵自鎖裝置，保證夾緊可靠。夾具上工件兩側(cè)設(shè)計(jì)彈簧頂緊高油壓鎖緊的輔助抱緊結(jié)構(gòu)，保證加工過程中工件不變形，保證工件加工平面度。

4.7 刀輔具

銑刀采用進(jìn)口精銑刀。該刀盤為蓋帽結(jié)構(gòu)，刀盤分為法蘭連接體和刀盤兩部分，檢查刀盤時(shí)只需拆卸刀盤即可。刀片采用硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位形式。采用定位芯軸連接刀盤和銑頭主軸。立柱上設(shè)置旋轉(zhuǎn)銑刀換刀托架裝置。

鏜桿外表安裝2 把半精鏜缸孔刀，1 把半精鏜止口孔刀，2 把孔口倒角刀，3 把可伸縮調(diào)整的精鏜刀:鏜桿內(nèi)3 滑塊上分別安裝1 把止口車削和2 把反鏜孔刀。

鏜桿內(nèi)部有推桿，推桿上有斜齒面和刀塊齒面嚙合，當(dāng)推桿在油缸推動(dòng)下伸縮時(shí)，帶動(dòng)止口鏜車橫車止口端面;推桿在靠近精鏜缸孔處有斜面推動(dòng)頂桿，用于推動(dòng)可彈性變形的精鏜刀。

4.8 電氣控制系統(tǒng)

為了提高加工過程中的控制精度，整機(jī)采用FANUC Oi mate 數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制。進(jìn)給軸采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。銑頭主軸和鏜頭主軸均采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。移動(dòng)滑臺(tái)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。為了避免干擾，模塊之間用光纜連接，設(shè)有工位坐標(biāo)檢測超差報(bào)警裝置。

4.9 液壓系統(tǒng)

采用外置式單獨(dú)液壓站，疊加閥結(jié)構(gòu)。液壓站至機(jī)床采用空中走管。

4.10 止口深度控制儀

為了有效控制缸孔的止口加工深度11+0.050mm，采用馬波斯(MARPOSS)量儀由11+0.050mm 尺寸發(fā)令控制，去掉鏜頭與工件的死擋鐵機(jī)械定位裝置。

4.11 冷卻、排屑、潤滑系統(tǒng)

為了降低加工中切削熱的影響，機(jī)床采用大流量冷卻液進(jìn)行鐵屑排除。冷卻箱與自動(dòng)排屑為一體結(jié)構(gòu)。鐵屑被沖到排屑器后，被提升到排屑小車。冷卻液通過過濾，又被水泵打到?jīng)_屑管路中。

為了延長機(jī)床的精度及壽命，采用自動(dòng)集中潤滑系統(tǒng)潤滑導(dǎo)軌、滾珠絲杠和夾具。

5 結(jié)論

12V 柴油機(jī)機(jī)體精銑缸面、精鏜氣缸孔數(shù)控專機(jī)的設(shè)計(jì)，基于對目標(biāo)工件工序要求的仔細(xì)分析，得出對機(jī)床動(dòng)作及功能的要求，找出其設(shè)計(jì)要點(diǎn)和難點(diǎn)，通過對這些問題以及機(jī)床整體結(jié)構(gòu)、功能部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和探討，采用了來自生產(chǎn)一線的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及一系列新技術(shù)、新方法、新結(jié)構(gòu)，使設(shè)計(jì)目標(biāo)得以合理充分地實(shí)現(xiàn)。該專用機(jī)床經(jīng)過近兩年的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性好，工作效率高。

該專機(jī)的成功開發(fā)，為發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)開拓新產(chǎn)品預(yù)留了很大的發(fā)展空間。

【1】梁瑞鋒，李寧艷.缸筒類零件專用數(shù)控車床的設(shè)計(jì)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2011(12):127－130.

【2】袁小平.淺談德國許勒公司組合機(jī)床功能部件—DSS 精鏜頭［J］.洛陽大學(xué)學(xué)報(bào)，1996(6):61－64.

【3】成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.5 版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

【4】現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊編委會(huì).現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

【5】趙如福.金屬切削工藝人員手冊［M］.4 版.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2006.