一種V型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱挺桿孔加工專用機(jī)床設(shè)計(jì)的問題研究

陳 琳

（長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與電氣學(xué)院，湖北 武漢430212）

0 前言

近年來，我國制造業(yè)的發(fā)展取得了舉世矚目的成就，但是先進(jìn)的制造水平與發(fā)達(dá)國家還存在一定的差距，尤其汽車制造業(yè)的發(fā)展更是落后，一些關(guān)鍵技術(shù)還有待提高[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，而曲軸箱是發(fā)動(dòng)機(jī)的基體。眾所周知，V型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱挺桿孔數(shù)量多且加工困難，為了提高其加工精度和生產(chǎn)效率，需對(duì)曲軸箱挺桿孔加工專用機(jī)床設(shè)計(jì)若干關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行研究。

1 挺桿孔的精度要求及工藝分析

1.1 精度要求

曲軸箱的結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)體左右兩邊對(duì)稱，對(duì)稱中心線與左右兩面夾角為45°.圖1中A向視圖為其45°面，3個(gè)氣缸均布在每個(gè)面上，每個(gè)氣缸孔的兩側(cè)面配有兩個(gè)氣門挺桿孔，左右兩邊共有12個(gè)孔，挺桿孔中心線與45°面均相互垂直，其加工要求為孔深53 mm，孔徑尺寸精度為mm，垂直度要求為0.02 mm，圓柱度要求為0.015 mm，位置度要求為φ0.3 mm，孔表面粗糙度為Rz=25 μm，挺桿孔的上端面與45°面相距187 mm，同一氣缸孔兩側(cè)的挺桿孔距離為65 mm，相鄰氣缸孔同側(cè)的挺桿距離160 mm；以工作條件為每天八小時(shí)的工作制來計(jì)，箱體年生產(chǎn)量為5 500件。

圖1 V型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體曲軸箱結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 曲軸箱的加工工藝方案的擬定

根據(jù)孔常用的加工方式及孔的加工精度要求，該挺桿孔的加工可以根據(jù)鉆、擴(kuò)、鉸等方法特點(diǎn)進(jìn)行[2]；鉆孔可以切除大量的材料，但加工精度和表面質(zhì)量較差；擴(kuò)孔是在鉆孔的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)大鉆孔的直徑，可以作鉸孔前的預(yù)加工，以便提高加工精度，糾正孔的軸線偏差，此工序作為孔的半精加工；最后一道工序?yàn)殂q孔，因鉸刀比擴(kuò)孔鉆的刀齒多，且導(dǎo)向性更好，因此在半精加工（擴(kuò)孔）的基礎(chǔ)上對(duì)挺桿孔進(jìn)行精加工，以保證加工質(zhì)量。

根據(jù)上述分析，在此擬定了3種加工工藝方案：方案一是采用6個(gè)挺桿孔同時(shí)加工，要布置6把刀具，且這6把刀具要與挺桿孔的位置對(duì)應(yīng)，鉆擴(kuò)鉸工序的轉(zhuǎn)換通過一個(gè)三工位轉(zhuǎn)塔頭實(shí)現(xiàn)；方案二是考慮對(duì)同一氣缸孔兩側(cè)的兩個(gè)挺桿孔同時(shí)加工，加工完成后，通過工作臺(tái)帶動(dòng)工件移動(dòng)，轉(zhuǎn)換工位，再加工下一對(duì)孔；方案三的思路是機(jī)床配置可按方案一或二，但換刀不采用三工位轉(zhuǎn)塔頭，而直接用鉆擴(kuò)鉸復(fù)合刀具，一次完成鉆擴(kuò)鉸三個(gè)工序的加工。

比較以上幾種方案，方案一采用6個(gè)孔同時(shí)加工，切削負(fù)荷大，需要的切削力就很大，機(jī)床占地面積也較大。若采用方案三中的復(fù)合刀具加工，雖然可以極大地提高了生產(chǎn)率，保證了零件的位置精度，但復(fù)合刀具會(huì)加大刀具的懸伸量，刀具的長度比非復(fù)合刀具更長，在加工過程中刀具本身的質(zhì)量難易保證，折斷的可能性就較大，換刀就會(huì)大大增加加工成本；同時(shí)，復(fù)合刀具制造困難，所以這里不易采用。方案二采用一次裝夾，工件固定不動(dòng)，一個(gè)工序同時(shí)加工對(duì)稱的兩個(gè)挺桿孔，加工完成后換刀，進(jìn)入下一道工充，這樣可對(duì)4缸、6缸、8缸乃至12缸的曲軸箱挺桿孔都可采用此加工工藝，這樣可以達(dá)到加工要求，又可以增加機(jī)床的利用價(jià)值，故本設(shè)計(jì)采用第二種加工工藝方案。

1.3 關(guān)鍵工藝

V型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，孔徑小、孔深尺寸大、數(shù)量多，同時(shí)精度要求也最高，加工困難，在加工過程中還是存在許多工藝關(guān)鍵問題，主要有：

（1）定位、夾緊問題

工件的定位和夾緊方式是根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式和加工要求來選擇的，分析圖1中曲軸箱的結(jié)構(gòu)，可以采用一面兩銷來進(jìn)行定位，一面”即圖1中的C面，它可以限制工件繞X軸、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)和沿Z→方向的移動(dòng)，“兩銷”指的是曲軸箱底面上相距為495 mm兩定位銷（如圖 2 所示），它限制了工件沿X→方向、Y→方向的移動(dòng)及繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，6個(gè)自由度完全被限制，可以避免其它定位方式的重復(fù)定位，確保工件的加工精度。定位方式確定以后，再根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來選擇夾緊方式。從曲軸箱結(jié)構(gòu)圖中可以看出，該缸體結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，挺桿孔在45°箱體兩側(cè)面也左右對(duì)稱，因此可以在基面B上（如圖1）選擇液壓夾緊裝置來進(jìn)行夾緊。

圖2 曲軸箱底部結(jié)構(gòu)簡圖

（2）細(xì)長桿刀具剛性不足問題

由于加工孔的軸向尺寸比較深，那么鉆孔用麻花鉆的長度就比較大，細(xì)長刀具剛性不足所引起的軸線擺動(dòng)問題不可忽視，它直接影響到孔的尺寸精度[3]，甚至在加工過程中會(huì)導(dǎo)致鉆頭折斷，因此必須考慮刀具剛性不足問題。

（3）導(dǎo)向問題

考慮到鉆擴(kuò)鉸刀桿細(xì)長，加工過程中可能出現(xiàn)易引偏孔向，為了保證刀具對(duì)工件正確的加工位置、滿足加工精度、提高工作效率和延長使用壽命，合理的選擇恰當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置十分重要。

2 夾具裝配圖的繪制

2.1 夾具方案

考慮解決上述的定位問題、加工精度問題、導(dǎo)向問題和刀桿剛性不足問題等，夾具結(jié)構(gòu)裝配圖方案如圖3所示，工件在夾具體采用一面兩銷定位，一次裝夾后完成三個(gè)工位的加工。需要說明的是，在環(huán)7與活塞桿間加裝一個(gè)彈簧8是為了防止壓板壓緊和移動(dòng)配合間的可能存在的干涉情況；加工完成后，活塞桿下降，液壓缸下端出油上端進(jìn)油，壓板退回，即可完成夾具的可靠定位夾緊，同時(shí)方便工件裝卸。夾具中，兩定位銷和壓緊機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，在整個(gè)工序中，工件相對(duì)于夾具體的位置是固定的，采用專用夾具，避免了使用多套夾具重復(fù)定位帶來的加工誤差。

圖3 夾具裝配圖

2.2 工作循環(huán)的設(shè)計(jì)

機(jī)床自動(dòng)工作循環(huán)如圖4所示，在Ⅰ工位將工件夾緊→工作臺(tái)帶動(dòng)工件移動(dòng)至Ⅱ工位進(jìn)行兩挺桿孔加工→鉆孔（左右數(shù)控滑臺(tái)）開始第一次工作循環(huán)：快進(jìn)→工進(jìn)→快退→鉆模板退回→轉(zhuǎn)塔頭旋轉(zhuǎn)120°換擴(kuò)孔鉆→擴(kuò)孔（左右數(shù)控滑臺(tái)）開始第二次工作循環(huán)：快進(jìn)→工進(jìn)→快退→鉆模板退回→轉(zhuǎn)塔頭旋轉(zhuǎn)120°換鉸刀→鉸孔（左右數(shù)控滑臺(tái)）開始第三次工作循環(huán)：快進(jìn)→工進(jìn)→快退→鉆模板退回→數(shù)控工作臺(tái)移動(dòng)至Ⅲ工位，這樣就完成了兩個(gè)孔的加孔，按照這樣的循環(huán)規(guī)律，再進(jìn)行下一道工序，至此完成所有挺桿孔的加工，工作臺(tái)退回，液壓夾緊裝置松開，定位銷退回，卸下工件，循環(huán)終止。

圖4 機(jī)床自動(dòng)循環(huán)圖

3 結(jié)語

本文結(jié)合曲軸箱挺桿孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，擬定了加工工藝方案，并對(duì)曲軸箱挺桿孔加工專用機(jī)床設(shè)計(jì)若干關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了分析研究，完成了該數(shù)控機(jī)床的夾具裝配設(shè)計(jì)，制定了機(jī)床工作循環(huán)圖，這種設(shè)計(jì)不僅可以提高曲軸箱挺桿孔的加工精度，同時(shí)還能提高工作效率，這樣便可以給企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益，可以進(jìn)一步提升我國汽車制造業(yè)在國際上的競爭力，有很高的實(shí)用價(jià)值。