V型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體主軸孔兩側(cè)面銑削專用機(jī)床設(shè)計(jì)

吳 勝 劉振東

（江蘇高精機(jī)電裝備有限公司，江蘇鹽城224000）

0 引言

V型發(fā)動(dòng)機(jī)常用于工程機(jī)械、發(fā)電機(jī)組等領(lǐng)域。隨著“一帶一路”的發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)的擴(kuò)大，V型發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)需求旺盛。缸體是V型發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件之一，應(yīng)重慶某發(fā)動(dòng)機(jī)缸體制造商需求設(shè)計(jì)、制造一臺(tái)專用機(jī)床，用于V型缸體主軸孔兩側(cè)面銑削加工。

1 缸體主要結(jié)構(gòu)及參數(shù)

缸體是V型發(fā)動(dòng)機(jī)核心零部件，是發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)平臺(tái)，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料如表1所示，專機(jī)加工部位如圖1所示。

表1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料

圖1 專機(jī)加工部位

2 缸體加工工藝及參數(shù)選擇

2.1 缸體主軸孔側(cè)面加工工藝

V20型缸體缸總長達(dá)3 m左右，主軸孔側(cè)面銑削傳統(tǒng)上由龍門加工中心采用插補(bǔ)加工，或用角度銑頭加工。本專機(jī)用大直徑端面銑刀加工，一次切削深度5 mm左右。

2.2 切削參數(shù)選擇

切削深度ap=5 mm，切削面寬B=400 mm；刀盤直徑D=425 mm（受缸體結(jié)構(gòu)所限），刀齒數(shù)Z=32；切削速度V=100m/min，n=75 r/min；進(jìn)給速度S工=384 mm/min，Sz=5.12 mm/r。

2.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

辛辛那提經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，P為切削功率（kW）；α為根據(jù)刀具和工件材料確定的系數(shù)，HT250取值為1；S工為機(jī)床工作臺(tái)每分鐘工進(jìn)速度（mm/min）；ap、B為切削深度（mm）和切削寬度（mm）。

根據(jù)公式（1），切削功率P=13.2 kW。

切削扭矩：

根據(jù)公式（2），扭矩M=1 680.8 N·m。

3 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)及主要部件設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)床結(jié)構(gòu)描述

如圖2所示，機(jī)床為立式單面多工位結(jié)構(gòu)，主工作臺(tái)側(cè)面配置兩套加工單元，每套加工單元主軸設(shè)計(jì)為雙輸出結(jié)構(gòu)，主軸左右分別裝端面銑刀一只，用于對(duì)不同刀具直徑要求的側(cè)面加工，雙輸出銑頭裝在立式伺服滑臺(tái)上，由伺服滑臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)切削加工。主工作臺(tái)臺(tái)面配液壓夾具，如加工面余量太大，每個(gè)面可分刀切削，加工余量分配由主工作臺(tái)移位實(shí)現(xiàn)。主工作臺(tái)配海德漢光柵尺，保證加工面到定位基準(zhǔn)之間距離精度要求。

圖2 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)及主要部件圖

3.2 專用銑削頭

缸體相鄰主軸孔兩側(cè)間距200 mm左右，受該條件約束，角度銑頭或玉米銑刀剛性不足，一般情況下采用角度銑頭加工每次切削深度1 mm，切深加大，銑頭振動(dòng)，加工無法進(jìn)行。本機(jī)床采用結(jié)構(gòu)如圖3所示主軸箱，主軸箱中間開設(shè)半圓環(huán)槽以避開中間檔主軸孔，主軸箱（主軸）長度可比角度頭厚2倍，主軸剛性增加，機(jī)床切削能力大增。

圖3 專用主軸箱

設(shè)計(jì)切削深度5 mm，功率P=13.2 kW，扭矩M=1680.8 N·m，類比通用部件銑削頭選用不小于1TX50（22 kW）銑頭，主軸直徑大端160 mm，小端110 mm，采用NSK圓錐滾子軸承支承。減速機(jī)構(gòu)采用齒輪+同步帶輪傳動(dòng)。主軸電機(jī)選用三相異步變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)YXVF200L2-6，額定功率22 kW，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)頻范圍5～50 Hz，恒功率調(diào)頻范圍50～100 Hz。

工頻轉(zhuǎn)速n=75r/min，設(shè)計(jì)變速范圍n=55～120r/min；其中，55～75 r/min時(shí)主軸恒轉(zhuǎn)矩，75～120 r/min時(shí)主軸恒功率。在設(shè)計(jì)變速范圍內(nèi)主軸功率及轉(zhuǎn)矩能滿足切削功率、轉(zhuǎn)矩要求。

3.3 主工作臺(tái)

專用伺服工作臺(tái)，采用滾柱式直線導(dǎo)軌，滾珠絲桿傳動(dòng)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；配海德漢光柵尺。工作臺(tái)承載能力強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)精度高，工作臺(tái)重復(fù)定位精度0.01 mm，定位精度0.02。

3.4 數(shù)控滑臺(tái)（裝在立柱上）

以組合機(jī)床通用部件HJ63/400滑臺(tái)為基礎(chǔ)改制，導(dǎo)軌為鑄鐵硬軌，滑臺(tái)下導(dǎo)軌超音頻焠火，上導(dǎo)軌貼塑。導(dǎo)軌配油潤滑；滾珠絲桿傳動(dòng)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有剛性好、精度高、傳動(dòng)平穩(wěn)、抗震性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

3.5 機(jī)床立柱

設(shè)計(jì)以經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)為主，選用優(yōu)質(zhì)鑄鐵件，立柱為箱式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部布置加強(qiáng)筋，剛性好、強(qiáng)度高、抗震性強(qiáng)。

3.6 刀具

硬質(zhì)合金端銑刀；大刀盤：φ425，Z=32；小刀盤：φ280，Z=16；兩面刃銑刀。

3.7 機(jī)床電氣

選用FANUC-0iMF數(shù)控系統(tǒng)控制；普通電氣元件采用施耐德品牌，電氣元件符合IEC國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)；獨(dú)立控制柜，電氣柜設(shè)電柜空調(diào)器。

4 機(jī)床工作的循環(huán)

吊裝上料—定位側(cè)推、端面推—夾緊—工作臺(tái)快移—1號(hào)立式滑臺(tái)快進(jìn)—工進(jìn)—銑頭左側(cè)三面刃銑刀加工缸體右端第一內(nèi)檔（φ280）、加工分三刀切削，余量以主工作臺(tái)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)—主工作臺(tái)快進(jìn)—2號(hào)立式滑臺(tái)快進(jìn)—工進(jìn)銑頭左側(cè)銑刀加工缸體右端第二內(nèi)檔（φ425）、加工分三刀切削，余量以主工作臺(tái)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)—依次加工七個(gè)開檔右側(cè)面—工作臺(tái)快進(jìn)—2號(hào)立式滑臺(tái)快進(jìn)—工進(jìn)—銑頭右側(cè)三面刃銑刀加工缸體左端第一內(nèi)檔（φ280）、加工分三刀切削，余量以工作臺(tái)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)—工作臺(tái)快退—1號(hào)立式滑臺(tái)快進(jìn)—工進(jìn)—銑頭右側(cè)銑刀加工缸體左端第二內(nèi)檔（φ425）、加工分三刀切削，余量以工作臺(tái)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)—依次加工七個(gè)開檔左側(cè)面—工作臺(tái)快退—夾緊松開—吊裝下料。缸體兩側(cè)端面生產(chǎn)節(jié)拍為35 min/件。

5 結(jié)語

V型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體主軸孔兩側(cè)面銑削專用機(jī)床設(shè)計(jì)中，對(duì)主軸箱及主軸的特殊優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了主軸箱、主軸的剛性，加工的通過性；主軸兩端分別裝不同徑刀具，從而實(shí)現(xiàn)了主軸孔側(cè)面大余量切削加工，不同刀徑要求的一次性切削，相比通用龍門加工中心生產(chǎn)效率提高了4倍。雖是銑加工主軸孔側(cè)面專用機(jī)床，但也具備通用性，當(dāng)加工能力富余時(shí)可加工類似產(chǎn)品。該專用機(jī)床購置成本約為龍門機(jī)床的80%。

機(jī)床的成功設(shè)計(jì)、制造不僅提高了效率，節(jié)約了采購成本，而且實(shí)現(xiàn)了多種產(chǎn)品加工，是一臺(tái)經(jīng)濟(jì)高效的專用設(shè)備。隨著大規(guī)格V型發(fā)動(dòng)機(jī)需求增加，該產(chǎn)品具有較廣的市場(chǎng)前景。