發(fā)動機缸體三軸鏜組合機床的設(shè)計*

周江輝，趙　鑫，謝　哲，李　瑾

(大連華根機械有限公司 智能制造研究所，遼寧 大連　116022)

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發(fā)動機缸體三軸鏜組合機床的設(shè)計*

周江輝，趙鑫，謝哲，李瑾

(大連華根機械有限公司 智能制造研究所，遼寧 大連116022)

摘要：文章針對汽車發(fā)動機缸體三軸鏜組合機床加工精度提高的要求，在現(xiàn)有產(chǎn)品和技術(shù)的基礎(chǔ)上，進行三軸鏜組合機床設(shè)計的研究。對機床的整體布局方法進行介紹，著重對數(shù)控機械滑臺、夾具等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)改進和創(chuàng)新以及功能性進行說明，同時對產(chǎn)品的刀具特點、機械手的輸送和機床的環(huán)境保護方面進行關(guān)注。三軸鏜組合機床的成功設(shè)計，促進我國汽車發(fā)動機缸體關(guān)鍵工序加工國產(chǎn)化的進程，以此為基礎(chǔ)的組合機床產(chǎn)品還在國家重大專項中獲得應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：缸體；精鏜三軸孔；組合機床

0引言

2009年，我國超越美國和日本成為世界第一大汽車生產(chǎn)國和最大的汽車市場，但是我國還并非汽車生產(chǎn)強國，尤其在關(guān)鍵零部件和關(guān)鍵工序的加工設(shè)備方面與國外有較大差距。缸體是發(fā)動機的本體，是最重要的關(guān)鍵部件之一，而主軸孔、凸輪軸孔、機油泵孔(俗稱三軸孔)的加工是缸體加工的關(guān)鍵[1]。以缸體三軸鏜組合機床為例，國外先進設(shè)備在保證加工的前提下，已經(jīng)普遍采用機械手配合自動滾道輸送的敏捷物流系統(tǒng)形式[2]；相比之下，盡管經(jīng)過技術(shù)的引進、消化吸收、自主開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化等幾個階段，國產(chǎn)三軸鏜組合機床在加工精度方面已經(jīng)大幅度提高，但是在敏捷物流系統(tǒng)方面才剛剛起步，在高效、高精、可靠性等方面與國外仍存在差距[3]，國內(nèi)相關(guān)設(shè)備尤其是精加工設(shè)備的進口率依舊達90%以上。

本文以三軸鏜組合機床項目為背景，從方案設(shè)計入手，通過合理布局機床和零部件結(jié)構(gòu)，優(yōu)化刀具參數(shù)和性能等方法，提高加工精度和可靠性；采用機械手輸送，提升敏捷物流系統(tǒng)水平，設(shè)計出滿足使用需求的高精、高效、高可靠性三軸鏜組合機床，并在生產(chǎn)中獲得用戶的認可。

這種三軸鏜組合機床形式還應(yīng)用于國家數(shù)控重大專項，并進一步得到完善。目前，設(shè)備已在用戶現(xiàn)場使用，加工產(chǎn)品精度和設(shè)備性能獲得用戶好評。

三軸鏜組合機床的研究與設(shè)計成功，加快三軸鏜組合機床國產(chǎn)化步伐，打破國外設(shè)備的壟斷，提高國產(chǎn)發(fā)動機的制造能力，降低生產(chǎn)成本；促進機床行業(yè)和汽車行業(yè)的共同發(fā)展，由技術(shù)引進型向技術(shù)自主型轉(zhuǎn)化，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

1機床方案的設(shè)計

1.1被加工零件基本情況

材料：合金鑄鐵;

硬度：HB210-HB235;

重量：400 kg。

精度要求：

(6)第7檔止推面：加工范圍φ152mm，全跳動0.025mm，表面粗糙度為Ra3.2。

1.2機床整體布局

三軸鏜組合機床由數(shù)控移動工作臺配以專用數(shù)控滑臺、主軸箱、鏜削頭、夾具、桁架機械手機動滾道以及排屑、冷卻等部分組成。

三軸鏜組合機床為濕式加工，采用大流量沖屑，具體機床總圖如圖1所示。單件加工工時為11min，即每小時被加工零件數(shù)為5.5件。

2關(guān)鍵部件設(shè)計

由于被加工零件尺寸大、精度要求高，對機床也提出了非常高的要求。設(shè)計過程中對機床的夾具、滑臺、模板等方面進行了攻關(guān)，對刀具、機械手也進行了重點分析，確保機床各方面達到使用要求。

2.1數(shù)控滑臺

數(shù)控滑臺是機床的關(guān)鍵動力部件，直接關(guān)系到機床的加工能力。本次設(shè)計的三軸鏜組合機床在機床兩側(cè)分別配置了一個數(shù)控滑臺，為缸體三軸孔加工提供動力支持。兩側(cè)的數(shù)控滑臺均采用具有自主產(chǎn)權(quán)的功能部件為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)計的實際需要進行改進。

左側(cè)數(shù)控滑臺的型號為SEM-F500/630，滑臺行程為630mm，右側(cè)數(shù)控滑臺在SEM-F630/1000型號基礎(chǔ)上進行改進，如圖2所示，增加了滑座的行程，保證滿足1900mm的行程需求。

數(shù)控滑臺的滑動部分由兩根矩形導(dǎo)軌和貼塑導(dǎo)軌板組成，動態(tài)性能更好；在極限位置采用極限保護開關(guān)，保證安全性。在設(shè)計中，優(yōu)化部件結(jié)構(gòu)，改進原有通用部件的“十”字形加強筋為“米”字型加強筋，提高強度和剛性，提高數(shù)控滑臺的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖2　右數(shù)控滑臺裝配圖

數(shù)控滑臺動力部分采用伺服電機驅(qū)動高精密雙螺母滾珠絲杠的形式。在設(shè)備的使用中，為降低由于滾珠絲杠因溫度變化導(dǎo)致運動精度變化對加工精度的影響，滾珠絲杠采用中空冷卻設(shè)計，配合溫度控制系統(tǒng)來改善熱變形，同時在滑臺上配置有光柵尺系統(tǒng)，對滑臺運動精度進行雙重保障。

數(shù)控滑臺通過集中潤滑系統(tǒng)，為導(dǎo)軌之間以及其他部分提供潤滑。在導(dǎo)軌和貼塑導(dǎo)軌板之間形成油膜，大幅度降低相對運動時的摩擦系數(shù)；潤滑油的循環(huán)也能夠起到降溫控制熱變形的作用。

2.2夾具

夾具是機床的核心部件，用于加工過程中對被加工零件的定位和夾緊。夾具的定位精度直接決定了產(chǎn)品的加工精度，夾緊的可靠性與否直接決定了產(chǎn)品在加工中的穩(wěn)定性和加工質(zhì)量。

設(shè)計中，采用一面兩銷[4]的定位方式，即選擇一個平面和平面上兩個定位孔作為基準，限制6個自由度,配合輔助支承裝置保障定位的準確性和穩(wěn)定性；夾緊通過液壓夾緊裝置實現(xiàn)，即液壓油缸帶動壓板夾緊，配合輔助夾緊機構(gòu)，保證夾緊的可靠性和安全性，定位夾緊原理示意圖如圖3所示。

圖3　定位夾緊原理示意圖

夾具部件如圖4所示。定位塊1、3、6通過修磨定位塊下的調(diào)整墊，保證高度尺寸滿足80±0.01mm要求，同時三個定位塊組成的定位平面的平面度要求0.01mm以內(nèi)，允差不超過0.005mm；輔助支承裝置5、9、17，用于保障被加工零件的定位穩(wěn)定性。

夾緊油缸2、4、7對應(yīng)的壓板16、13、10完成被加工零件的夾緊和松開；輔助夾緊油缸12、14帶動輔助壓板11、15，配合夾緊被加工零件，確保加工過程中的可靠性。

定位動作過程為：被加工零件輸送到上料位置，抬起落下裝置20處于上料姿態(tài)。機械手將被加工零件放置于抬起落下裝置20的支承塊上，隨后松開，完成上料動作；同時抬起落下裝置油缸19啟動，帶動齒條向下運動，開始落下動作。落下過程中，首先，抬起落下裝置20落下一定高度，被加工零件的定位銷孔落到對應(yīng)的圓銷裝置18和菱銷裝置8上，此時系統(tǒng)進行讓刀位置氣動開關(guān)打開狀態(tài)確認，如圖5所示，確認后滑臺快進將刀桿引入，完成讓刀；之后，抬起落下裝置20繼續(xù)落下，被加工零件下落至由定位塊1、3、6組成的定位平面上；最后支承塊落下到位，被加工零件定位于定位平面，完成整個插銷定位過程。

圖4　夾具設(shè)計圖

圖5　讓刀位置氣動開關(guān)打開狀態(tài)確認結(jié)構(gòu)

被加工零件夾緊過程為：被加工零件和抬起落下裝置20落下到位后，開關(guān)發(fā)令，頂靠裝置21啟動靠緊動作，固定位置；隨后，夾緊油缸2、4、7啟動，推動對應(yīng)夾緊壓板16、13、10壓緊；最后，輔助夾緊油缸12、14啟動，推動對應(yīng)的輔助夾緊壓板11、15輔助壓緊被加工零件，完成夾緊動作。

2.3模板

加工曲軸孔、凸輪軸孔時, 懸伸的鏜桿細而長, 剛性差,受力變形嚴重, 易產(chǎn)生振動和抖動[5],為提高鏜桿的剛度,設(shè)置了模板。

模板又被稱為鏜模架，主要用于機床刀具加工時的導(dǎo)向和定位，是保證加工位置準確性的關(guān)鍵部件。本次設(shè)計有4塊模板，均固定在夾具體上，模板的主體采用鑄造結(jié)構(gòu)，分布有加強筋板，在滿足剛度和強度的要求下，最大程度的有利于加工排屑。模板在夾具體上的裝配圖如圖6所示。

圖6　模板在夾具體上的裝配圖

第一模板和第四模板分布于夾具體兩側(cè)，通過第一模板和第四模板上各孔的位置精度，來保證刀具的位置精度和所加工各孔的相對位置精度，同時模板上的導(dǎo)套還兼顧具有導(dǎo)向的作用。

被加工零件為六缸缸體，總長度超過1100mm，曲軸孔和凸輪軸孔又均為多檔的間斷長孔[6]，跨距大，在第一模板和第四模板之間設(shè)置了第二模板和第三模板，又稱之為中間模板。

為保證精度，除了采用精密三坐標加工之外，還設(shè)計了多個專用調(diào)整墊。安裝時，修磨調(diào)整墊，保證模板的1孔同軸度在0.005mm以內(nèi)，模板的1孔中心線連線與定位平面A的平行度達到0.005mm/1000mm，1孔中心線連線與定位塊安裝平面的高度范圍在181.6±0.01mm內(nèi)；各模板1孔中心線與定位銷中心連線平行度達到0.01mm要求，尺寸范圍在144.46±0.01以內(nèi)。同時確保模板上2孔的同軸度達到0.005mm要求，保證2孔與1孔的平行度滿足0.005mm/1000mm。

由于第二模板和第三模板處于中間位置，為方便安裝和維修，在設(shè)計中采用了分體設(shè)計的方法，即1孔和2孔在不同的模板分體上，通過修磨各自分體之間的調(diào)整墊，保證2孔與1孔的相對位置117.476±0.005mm和143.868±0.005mm符合設(shè)計要求。

根據(jù)相關(guān)使用和維護經(jīng)驗，模板導(dǎo)向部分的精度要求很高，與刀具(鏜桿)配合使用，磨損嚴重，更換繁瑣，設(shè)計中將模板導(dǎo)向部分改為鑲嵌導(dǎo)套的結(jié)構(gòu)。以第一模板為例，如圖7所示。全部導(dǎo)套均采用可調(diào)式導(dǎo)套設(shè)計，在安裝中，導(dǎo)套與模板通過配磨，調(diào)整兩者的間隙達到0～0.003mm的設(shè)計要求；導(dǎo)套與刀桿之間也采用配磨，調(diào)整兩者間隙在0.003～0.008mm之間。這種結(jié)構(gòu)磨損后只需更換導(dǎo)套重新配磨即可，大幅度的減少材料的損失和調(diào)整時間，延長了模板使用壽命。

圖7　第一模板鑲嵌導(dǎo)套結(jié)構(gòu)圖

2.4機械手

機械手是敏捷物流系統(tǒng)的核心部分，主要負責被加工零件在上、下料位和加工位置之間的高效、快速、精確的輸送。當被加工零件處于上料工位時，機械手自動抓取，將被加工零件放置到加工位置；當加工完成后，機械手自動抓取加工后的零件，輸送到下料工位，完成一次動作循環(huán)。

機械手結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。機械手主要由運動部分和抓取部分組成，其中運動部分包括伺服電機1、減速裝置2、直線導(dǎo)軌3、開關(guān)7、平衡油缸8等，負責機械手的運動控制和保護。伺服電機1啟動后，通過減速裝置2進行變速，傳遞到直線導(dǎo)軌3上，帶動機械手抓取部分實現(xiàn)Z軸(即豎直方向)的運動，Z軸總行程為655mm，其中使用行程為653mm，備量為2mm；開關(guān)7負責Z軸方向運動的極限保護，當抓取部分隨直線導(dǎo)軌到達極限位置時，開關(guān)7發(fā)令，電機停止；機械手不抓取被加工零件時，平衡油缸8能夠防止機械手由于重力而自行落下，避免部件損壞和安全隱患。

抓取部分主要由手爪5和控制油缸6組成。抓取被加工零件時，控制油缸6帶動手爪5同時向內(nèi)側(cè)或外側(cè)等速勻速移動，保持手爪5對中性和被加工零件位置的對中性，確保在抓取和移動過程中的定位準確性。

圖8　機械手結(jié)構(gòu)圖

2.5刀具

在刀具加工形式選擇時，考慮到被加工零件尺寸大、加工部分跨距大，加工時受力性等多方面因素，最終選擇拉鏜的加工形式。拉鏜時，鏜桿受到拉應(yīng)力，能夠保證加工過程的平穩(wěn)性，有利于保證精度。鏜桿自主設(shè)計，委托瑪帕公司制造，鏜桿示意圖如圖9所示。

圖9　鏜桿示意圖

鏜桿上，半精鏜刀片2和精鏜刀片4分前、后裝使用，采用向后排屑的刀片來排出鐵屑，不會劃傷被加工零件表面，保證光潔度。主軸孔采用精鏜單元，車止推面的刀安裝在加工曲軸孔鏜桿上，確保被加工零件加工精度。受到被加工零件內(nèi)部空間限制，凸輪軸孔鏜桿中間部分支撐空間不足，設(shè)計中采用內(nèi)滾軸承4，通過ABS結(jié)構(gòu)6連接，在有限空間內(nèi)給鏜桿增加導(dǎo)套，起到扶持的作用，提高精度，提高線速度。

該三軸鏜組合機床可用于精加工曲軸孔、凸輪軸孔、機油泵孔、輔助驅(qū)動支撐安裝孔以及銷孔。其中曲軸孔單邊余量0.3125mm，凸輪軸孔單邊余量0.3685mm，機油泵安裝孔單邊余量0.3435mm，輔助驅(qū)動支撐安裝孔單邊余量0.3685mm，銷孔單邊余量0.2875mm。

曲軸孔加工刀具如圖10所示，刀具主要參數(shù)為：

半精加工V=113.4m/min，n=300r/min，S=0.112mm/r，Sm=33.6mm/min；

精加工V=113.7m/min，n=300r/min，S=0.112mm/r ，Sm=33.6mm/min。

圖10　曲軸孔加工刀具

凸輪軸孔加工刀具如圖11所示，刀具主要參數(shù)為：

半精加工V=102.6m/minn=480r/minS=0.07mm/rSm=33.6mm/min；

精加工V=102.9m/minn=480r/minS=0.07mm/rSm=33.6mm/min。

圖11　凸輪軸孔加工刀具

機油泵安裝孔加工刀具如圖12所示，刀具主要參數(shù)為：

半精加工V=119.4m/min，n=300r/min，S=0.1mm/r，Sm=33.6mm/min；

精加工V=119.7m/min，n=300r/min，S=0.1mm/r，Sm=30mm/min。

圖12　機油泵安裝孔加工刀具

輔助驅(qū)動支撐安裝孔加工刀具如圖13所示，刀具主要參數(shù)為：

半精加工V=125.4m/min，n=300r/min，S=0.1mm/r，Sm=30mm/min；

精加工V=125.7m/min，n=300r/min，S=0.1mm/r，Sm=30mm/min。

圖13　輔助驅(qū)動支撐安裝孔

2.6環(huán)保處理

隨著社會的發(fā)展，三軸鏜組合機床的發(fā)展不僅要求機床加工精度高、加工性能穩(wěn)定，而且對加工過程中的環(huán)境要求也越來越高，綠色環(huán)保的加工理念已經(jīng)成為普遍要求。

基于這樣的發(fā)展理念，設(shè)計中，將電氣、液壓進行分散控制；為降低加工過程中機床對環(huán)境的影響，本文介紹的三軸鏜組合機床在整體防護的基礎(chǔ)上，設(shè)計了機床加工區(qū)全封閉防護。

針對加工過程中所產(chǎn)生的廢氣、廢水、廢液及鐵屑，也分別進行處理，利用安裝在加工區(qū)域的吸霧裝置，將產(chǎn)生的廢氣、油霧、水霧等第一時間收集，定期按照相關(guān)規(guī)定進行統(tǒng)一處理；對于切削液和切屑，利用機床配備的上排系統(tǒng)，高壓抽送到空中管路中，回液由于自身重力而流入過濾裝置中，從而將切削液和鐵屑相分離，進行相應(yīng)處理。

3應(yīng)用情況

三軸鏜組合機床安裝后，先后開展了機械手調(diào)試試驗，夾具定位夾緊試驗，測試各動作靈活性、定位準確性和夾緊的可靠，刀具與模板的磨合試驗，配磨導(dǎo)套與模板體、導(dǎo)套與刀桿之間的間隙；設(shè)備空運轉(zhuǎn)和試機，優(yōu)化設(shè)備運行參數(shù)等。

表1　設(shè)備加工精度比較表

在完成以上試驗之后，三軸鏜組合機床在實際工況中進行連續(xù)切削，測試設(shè)備的自身的性能和產(chǎn)品加工精度。該設(shè)備連續(xù)加工后，檢測加工精度，將各孔系加工最大值統(tǒng)一記錄；并在原有三軸鏜組合機床進行相同試驗，比較加工精度變化，如表1所示。

通過對上表的比較分析，可以得到如下結(jié)論：

(1) 該形式三軸鏜組合機床的連續(xù)加工試件均能夠達到設(shè)計精度要求；

(2) 該形式三軸鏜組合機床與原設(shè)備相比，在主軸孔、凸輪軸孔和第7檔止推面的加工精度均有提高。

綜合以上結(jié)論，證明該形式三軸鏜組合機床在的加工性能和加工精度方面得到提高，滿足使用要求，設(shè)計達到預(yù)期目的。

4結(jié)論

本形式三軸鏜組合機床，以現(xiàn)有產(chǎn)品為基礎(chǔ)，從方案設(shè)計入手，先后完成數(shù)控滑臺的改造、夾具和模板的研究與設(shè)計、機械手的應(yīng)用、刀具的設(shè)計與優(yōu)化和綠色環(huán)保處理等工作內(nèi)容，開展了相關(guān)試驗、調(diào)試、生產(chǎn)，檢測產(chǎn)品達到設(shè)計精度，設(shè)備滿足使用要求；通過與原有設(shè)備的加工精度比較，得到在主軸孔、凸輪軸孔和止推面的加工精度上均有提高，實現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計目的。

三軸鏜組合機床采用機械手物流，提高了敏捷物流系水平；夾具、模板、機械手等核心部件從設(shè)計到加工均國產(chǎn)化，加快了三軸鏜組合機床國產(chǎn)化步伐，促進了汽車發(fā)動機關(guān)鍵工序加工設(shè)備的研究和發(fā)展，由技術(shù)引進型向技術(shù)自主型轉(zhuǎn)化，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

以該形式為基礎(chǔ)的三軸鏜組合機床在“錫柴重型柴油發(fā)動機缸體、缸蓋柔性加工生產(chǎn)線示范工程(課題編號2013ZX04012071)”獲得應(yīng)用，發(fā)揮了巨大作用，受到了廣泛認可。

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(編輯趙蓉)

Design of the Modular Machine Tool for Cylinder Block

ZHOU Jiang-hui，ZHAO Xin，XIE Zhe，LI Jin

(Institute of Intelligent Manufacturing, Dalian Machine Tools Group Co., Ltd, Dalian Liaoning 116022,China)

Abstract：To improve the accuracy of cylinders block 3-shaft precision boring machine，the paper studied the transformation of three-axis boring machine，on the basis of existing products and technology. Focused on the overall layout and the structure improvement and innovation of key parts including sliding table，fixtures. Introduced cutlery features，gantry robot delivery and environment protection. The success of improving the accuracy of cylinders block 3-shaft precision boring machine promotes localization processes of key steps in automobile engine block and this kind of machine also applies in National Science and Technology Major Project.

Key words：cylinder block；3-shaft precision boring machine；transfer and unit machine

文章編號：1001-2265(2016)05-0113-05

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.031

收稿日期：2015-05-31；修回日期：2015-08-09

*基金項目：重大專項“錫柴重型柴油發(fā)動機缸體、缸蓋柔性加工生產(chǎn)線示范工程”資助(2013ZX04012071)

作者簡介：周江輝(1980—)，男，浙江寧波人，大連華根機械有限公司工程師，碩士，主要從事組合機床、加工中心、柔性制造系統(tǒng)等新產(chǎn)品的設(shè)計與研究，(E-mail)zhoujianghui521@163.com。

中圖分類號：TH122;TG65

文獻標識碼：A