發(fā)動機(jī)缸蓋加工專用機(jī)床的設(shè)計研究

◎姚 遠(yuǎn)

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 三門峽 472000）

現(xiàn)代科技的發(fā)展帶動了我國汽車行業(yè)的進(jìn)步，在汽車發(fā)動機(jī)缸蓋加工中，機(jī)床是制造業(yè)的主要生產(chǎn)設(shè)備，數(shù)控機(jī)床在設(shè)備中朝著高復(fù)合、高精度和高速度等方面發(fā)展和進(jìn)步。傳統(tǒng)的機(jī)床工藝加工生產(chǎn)流程比較長、生產(chǎn)周期長、占用的面積很大和精度不高等缺點，嚴(yán)重影響了專用機(jī)床設(shè)計質(zhì)量。為了提高汽車發(fā)動機(jī)缸蓋加工技術(shù)，需要采用現(xiàn)代化專用機(jī)床進(jìn)行設(shè)計。

1 汽車發(fā)動機(jī)與缸蓋

汽車發(fā)動機(jī)是為汽車提供動力的機(jī)器，是汽車的心臟，影響汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。根據(jù)動力來源不同，汽車發(fā)動機(jī)可分為柴油發(fā)動機(jī)、汽油發(fā)動機(jī)、電動汽車電動機(jī)以及混合動力等。常見的汽油機(jī)和柴油機(jī)都屬于往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為活塞運(yùn)動的機(jī)械能并對外輸出動力。汽油機(jī)轉(zhuǎn)速高，質(zhì)量小，噪音小，起動容易，制造成本低；柴油機(jī)壓縮比大，熱效率高，經(jīng)濟(jì)性能和排放性能都比汽油機(jī)好。除了使用汽油和柴油之外，使用其他新能源的汽車被稱為新能源汽車，包括純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車、燃?xì)馄嚒⑸镆掖?生物柴油汽車和氫發(fā)動汽車等。我國市場上在售的新能源汽車多是混合動力汽車，但是目前已把純電動汽車作為了主攻方向[1]。

發(fā)動機(jī)汽缸蓋用來封閉氣缸并構(gòu)成燃燒室，缸蓋在內(nèi)燃機(jī)屬于配氣機(jī)構(gòu),主要用來封閉汽缸上部,構(gòu)成燃燒室，并做為凸輪軸和搖臂軸還有進(jìn)排氣管的支撐，主要是把空氣吸到汽缸內(nèi)部,火花塞把可燃混合氣體點燃,帶動活塞做功,廢氣從排氣管排出。

2 專用機(jī)床的意義

高速切削加工技術(shù)是一種技術(shù)的革命性進(jìn)步，是在傳統(tǒng)的切削加工技術(shù)之上發(fā)展而來，不僅提高工作人員的生產(chǎn)效率，也降低了切削的生產(chǎn)成本，這種技術(shù)被很多國家應(yīng)用和推廣。高速切削加工技術(shù)具備高精度和高效率，成為高速切削和加工的技術(shù)先鋒[2]。

數(shù)控機(jī)床在發(fā)展中，有很多復(fù)合加工的優(yōu)勢，這種優(yōu)勢受到很多機(jī)械加工行業(yè)的關(guān)注，這是復(fù)合加工技術(shù)在國家機(jī)械制造技術(shù)、自動化控制技術(shù)和材料工程技術(shù)等綜合技術(shù)水平的客觀反映。復(fù)合加工機(jī)床在主軸箱中是制造技術(shù)的核心，也是整個加工工藝的關(guān)鍵，對專用機(jī)床技術(shù)有一定的技術(shù)要求，要保證切削的高效率、加工的高精度和高層度的自動化。這種復(fù)合加工技術(shù)不斷得到應(yīng)用和普及，有著較高的效率、精度和自動化性的優(yōu)越感，受到了汽車、航空航天制造業(yè)的廣泛關(guān)注，也引起了相關(guān)行業(yè)部門的高度關(guān)注。目前，我國市場上復(fù)合加工機(jī)床在汽車生產(chǎn)市場的需求比較大，進(jìn)口設(shè)備成本也相對較高，在制約我國汽車品牌發(fā)展的同時，還影響了機(jī)床技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。機(jī)床在研究和制造中，要打破這種局面，從而促進(jìn)我國加工技術(shù)的高效率、高精度和高自動化的進(jìn)步與發(fā)展[3]。

發(fā)動機(jī)缸蓋的毛坯一般為鑄件，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對鑄造毛坯的質(zhì)量要求也很高，在這樣的要求下，相應(yīng)鑄造成本也在不斷增加，這就對缸蓋加工提出了較高的要求，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)缸蓋生產(chǎn)線工藝流程方案較為復(fù)雜，而專用機(jī)床的出現(xiàn)，能夠縮短加工鏈長度，減少待制品，減少加工工件搬運(yùn)時間，提高鑄造成功率。

3 專用機(jī)床的設(shè)計特點

傳統(tǒng)的機(jī)床加工工藝有很多問題，主要是生產(chǎn)流程比較長、生產(chǎn)周期長、占用的面積很大、精度不高等，嚴(yán)重影響了專用機(jī)床設(shè)計質(zhì)量，為了改變這一現(xiàn)狀，復(fù)合加工機(jī)床要有一定的優(yōu)勢。首先，復(fù)合機(jī)床要縮短加工鏈的長度，減少機(jī)床的制品數(shù)量，而整條生產(chǎn)線在加工工件時，數(shù)量會大大減少。其次，對于基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，工作人員要提高加工的精度，將復(fù)合加工機(jī)床的內(nèi)容合到一個加工程序中，以此提高加工方案的有效性，加工同一次裝夾工作，工藝的基準(zhǔn)沒有改變，這樣才能保證機(jī)床加工的精度。第三，要減少生產(chǎn)線的用地面積和數(shù)量，復(fù)合加工機(jī)床的內(nèi)容非常豐富，在設(shè)計時，要減少生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)量和生產(chǎn)面積，這樣不僅可以降低廠房的投入成本，還可以降低機(jī)床的管理和運(yùn)營成本。最后，縮短機(jī)床的生產(chǎn)周期，復(fù)合加工機(jī)床有多內(nèi)容一序加工的特點，節(jié)省了加工的時間，提高了機(jī)床加工的產(chǎn)值[4]。

4 汽車發(fā)動機(jī)缸蓋加工專用機(jī)床的設(shè)計研究

在汽車發(fā)動機(jī)組成當(dāng)中，一個關(guān)鍵件就是發(fā)動機(jī)缸蓋，缸蓋在發(fā)動機(jī)實際組成當(dāng)中屬于一個對多種零件組合實現(xiàn)承載的主體零件，缸蓋加工質(zhì)量優(yōu)劣、精度高低直接影響發(fā)動機(jī)綜合性能，基于此，各個發(fā)動機(jī)以及機(jī)床相關(guān)生產(chǎn)廠家都尤其關(guān)注缸蓋加工質(zhì)量和精度。

在缸蓋機(jī)床加工生產(chǎn)線當(dāng)中，加工進(jìn)氣、排氣座圈孔還有導(dǎo)管孔屬于缸蓋精加工當(dāng)中的一個關(guān)鍵工序，該工序加工質(zhì)量與精度直接關(guān)系到發(fā)動機(jī)實際性能高低。在汽車行業(yè)快速發(fā)展中，這一關(guān)鍵工序的精度和形位公差要求都全面提高，為了全面提升缸蓋加工精度，需要加強(qiáng)該加工成型工藝流程。首先，要對進(jìn)、排氣座圈孔進(jìn)行粗鏜加工，之后對導(dǎo)管孔實現(xiàn)粗?jǐn)U，進(jìn)而對進(jìn)排氣座圈孔實現(xiàn)精鏜加工，最后精鉸導(dǎo)管孔。通過這樣的工藝流程，全面提升發(fā)動機(jī)缸蓋加工精度，并進(jìn)一步提升發(fā)動機(jī)整體性能。例如億達(dá)日平機(jī)床有限公司的技術(shù)人員結(jié)合制造部門實際工藝水平，并依據(jù)客戶要求，研發(fā)出槍鉸橫車復(fù)合加工機(jī)床。該機(jī)床的設(shè)計是以提升發(fā)動機(jī)缸蓋進(jìn)、排氣座圈以及導(dǎo)管孔所對應(yīng)位置精度以及座圈錐面相應(yīng)粗糙度等為基礎(chǔ)，并結(jié)合市場需求全面提升相應(yīng)制造精度。該產(chǎn)品在應(yīng)用當(dāng)中加工鏈長度實現(xiàn)有效縮減，待制品數(shù)量大大減少，并通過基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換率的降低，實現(xiàn)了加工精度的全面提高，機(jī)床數(shù)量也減少了，生產(chǎn)線實際占地面積有效縮小，生產(chǎn)周期全面縮短，節(jié)省了大量時間，促使產(chǎn)品產(chǎn)值有效提高。

4.1 復(fù)合加工機(jī)床的方案設(shè)計

在汽車發(fā)動機(jī)缸蓋加工專用機(jī)床的設(shè)計中，要重視復(fù)合加工機(jī)床的方案設(shè)計。發(fā)動機(jī)缸蓋主要材料是鋁，工作人員對其進(jìn)行加工和鑄造，其中最關(guān)鍵的工序是發(fā)動機(jī)缸蓋進(jìn)、排氣座圈和導(dǎo)管等部分，尤其是導(dǎo)管座圈壓入后進(jìn)行加工這一部分，一般采用的是FANUC（3Ii-MA）數(shù)控系統(tǒng)。工作人員測量工件頂面的進(jìn)氣孔和排氣孔，很容易看出，有相等的孔距，所以，機(jī)床的主軸加工一般是雙動力頭的形式，這是臥床數(shù)控機(jī)床。工作人員使用加具X移位進(jìn)出四次，在導(dǎo)管座中加測進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)[5]。

4.2 齒輪箱的傳動鏈設(shè)計

在齒輪箱的傳動鏈設(shè)計中，電機(jī)主要從M軸傳到齒輪箱中，齒輪箱在內(nèi)傳動鏈比較簡單，主動軸為M軸、S1和S2，軸傳動軸A和B軸，與齒輪箱相比，齒輪A、BS1、S2和M軸，傳動圖在繪制的過程中有兩個步驟，一是選取電機(jī)最佳功率階段轉(zhuǎn)速，一次作為輸出轉(zhuǎn)速，當(dāng)主軸輸入為每分鐘2000轉(zhuǎn)時，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速為每分鐘2860轉(zhuǎn)，主軸的輸出每分鐘為750轉(zhuǎn)，電機(jī)的輸出每分鐘為1070轉(zhuǎn)，二是齒輪的轉(zhuǎn)速計算一般用胡切削功率來計算，主軸模數(shù)為3，齒寬為25毫米，電機(jī)和主軸轉(zhuǎn)速可以設(shè)計出轉(zhuǎn)動鏈，傳動比計算公式為i12=n1/n2=Z2/Z1，斜齒輪的分度圓直徑的計算公式為d=B為螺旋角。斜齒輪的中心距計算公式為a=(d1+d2)/2=m(Z1/cosB1+Z2/cosB2)/2[6]。

4.3 主軸組件設(shè)計

在主軸組件設(shè)計中，主軸組件有著重要的作用。主軸組件的工作性能有所不同，提高機(jī)床的加工質(zhì)量和效率，對機(jī)床設(shè)計有著重要的影響，主軸設(shè)計主要包括旋轉(zhuǎn)精度、剛度、抗振性、熱變形和耐磨性。首先，對于主軸的旋轉(zhuǎn)精度，工作人員要精確加工缸蓋座圈導(dǎo)管孔，主軸要滿足齒輪箱的旋轉(zhuǎn)精度，在裝配后，工作的轉(zhuǎn)速條件為無載荷，在低速轉(zhuǎn)動和工作轉(zhuǎn)速的條件下，主軸前端在安裝時，工件的徑向跳動要低于0.1毫米，軸向竄動要低于0.02毫米[7]。其次，對于主軸的剛度而言，反映了機(jī)床和組件抵抗外載荷能力，影響主軸組件剛度的因素很多，例如，主軸的尺度和形狀，主軸的前后支撐距離和前端懸伸量，滾動軸承型號，管理人員還要做好安裝和預(yù)緊，以保證主軸的制造效率和裝配質(zhì)量。再則，對于抗振性，主軸的組件在振動時，影響了軸承的質(zhì)量，減少了主軸的壽命。如果出現(xiàn)了切削自激振動，在一定程度上，影響主軸的加工質(zhì)量，在主軸設(shè)計時，固有的頻率大于原來的激振力的頻率，這樣才能減少主軸的共振。又則，主軸的熱變形，主軸的組件熱變時，如果主軸升長，軸承的間隙就會發(fā)生變化。溫升時，使主軸箱發(fā)生熱膨脹，主軸的位置會發(fā)生偏離，如果主軸的前和后升溫不同，還會影響主軸的傾斜程度，如果是雙主軸，主軸內(nèi)部有槍餃和橫車的進(jìn)給，主軸內(nèi)部溫度升高的不同，雙主軸驅(qū)動也有所不同，在設(shè)計時，工作人員要減少主軸組件的發(fā)熱情況，這樣才能控制溫度的升高。最后，對于耐磨性，主軸組件有一定的耐磨性，保證工作人員能夠長久的保持精度，錐孔、定心軸和主軸等部位，工作人員要局部高頻淬火，主軸軸承要保證主軸的性能，材料要選擇承受載荷大主軸，為了穩(wěn)定機(jī)床切削，減少機(jī)床的噪聲、軸承的發(fā)熱等情況，在安裝主軸時，要平衡主軸。在平衡主軸時，要安裝好銷和螺塞，平衡主軸[8]。

4.4 槍餃橫車進(jìn)給裝置的設(shè)計過程

槍餃橫車進(jìn)給裝置的設(shè)計過程包括三個流程：首先，傳動的相關(guān)零件，槍餃橫車在裝置傳動的過程中，一般靠伺服電機(jī)電動滾珠絲杠實現(xiàn)裝置的進(jìn)給，在轉(zhuǎn)動設(shè)計中，要優(yōu)化裝置帶來的誤差，電機(jī)采用KTP的聯(lián)軸器消除，而傳動的齒輪箱和功能應(yīng)用是相同的，為了消除單純絲杠動帶來的誤差，工作人員一般采用直線軸承和導(dǎo)向桿這兩種進(jìn)行配合，以改善槍餃橫車的精度。其次，軸承的選用，保證每根絲杠都有一對圓錐滾子軸承，圓錐滾子軸承要承受徑向和軸向聯(lián)合的負(fù)載，負(fù)載的承受能力一般由徑和軸有聯(lián)合載荷，軸承的承載能力主要由外圈的滾道角度決定，角度越大，承載能力越大，根據(jù)工況的要求，參考實際案例，要采用成對的7305D圓錐滾子軸承，參與主軸回轉(zhuǎn)進(jìn)給軸，要選擇可承受徑向和軸向載荷，高速旋轉(zhuǎn)的246207D角接觸球軸承組。最后，潤滑與密封，滾珠絲杠的潤滑主要由潤滑泵定時的供給，進(jìn)給裝置所有的軸承潤滑，一般采用潤滑脂潤滑，根據(jù)配合油封和迷宮密封等形式，防止外界雜質(zhì)的潤滑環(huán)境[9]。

4.5 Inwentor虛擬零件的設(shè)計

Inwentor主要有兩種零件設(shè)計，設(shè)計模板包括標(biāo)準(zhǔn)零件模板和鈑金零件模板等。這兩種零件在軟件內(nèi)實現(xiàn)了相互轉(zhuǎn)化的功能，設(shè)計也比較人性化。Inwentor的主軸箱選用的是標(biāo)準(zhǔn)零件，電機(jī)的防護(hù)罩也屬于鈑金件，標(biāo)準(zhǔn)零件主要指方形材料和棒料等，對材料進(jìn)行切割、抽殼、鉆孔等，鈑金零件一般需要對板材進(jìn)行彎折、切割和打孔等操作，在模板設(shè)計中，工作人員利用相應(yīng)的工具完成對這些主軸箱的零件設(shè)計。Inwentor虛擬裝配在功能上，對零部件進(jìn)行干涉和校驗，對虛擬裝配件圖進(jìn)行裝配，完成完整的虛擬樣機(jī)功能，工作人員對Inwentor虛擬進(jìn)行觀察和分析，一旦出現(xiàn)一些安全隱患，就要對其進(jìn)行觀察，如果結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了一些缺陷，會影響裝配的質(zhì)量。對干涉內(nèi)容和部件進(jìn)行修改和檢查，對所發(fā)現(xiàn)的問題，工作人員要及時的改進(jìn)，避免設(shè)計思路的方向錯誤，節(jié)省大量的人力、物力和財力，優(yōu)化了企業(yè)機(jī)床產(chǎn)品的質(zhì)量[10]。

5 結(jié)語

綜上所述，專用機(jī)床的設(shè)計在汽車發(fā)動機(jī)缸蓋加工中有著重要的作用，設(shè)計包括復(fù)合加工機(jī)床的方案設(shè)計、齒輪箱的傳動鏈設(shè)計、主軸組件設(shè)計、槍餃橫車進(jìn)給裝置的設(shè)計和Inwentor虛擬零件的設(shè)計。通過專用機(jī)床的設(shè)計、研發(fā)，可以促進(jìn)我國加工技術(shù)的高效率、高精度和高自動化的進(jìn)步與發(fā)展。