船用發(fā)動(dòng)機(jī)V型缸體精鏜孔組合機(jī)床研制

方宇，王龍欣 劉偉玲 蘇兆龍

摘? ?要： 氣缸體是船用發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，主軸孔和凸輪軸孔的精鏜加工是氣缸體加工的關(guān)鍵。為船用發(fā)動(dòng)機(jī)的一種常見的V型缸體，研制一種精鏜孔組合機(jī)床。提出總體方案，對機(jī)床組織架構(gòu)進(jìn)行了整體布局;根據(jù)機(jī)床主要?jiǎng)幼餮h(huán)，對伺服鏜頭、鏜桿、數(shù)控滑臺、液壓自動(dòng)夾具、自動(dòng)上料裝置、鏜模板、刀具等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)、原理及操作工序進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。對試切件進(jìn)行驗(yàn)收檢查，機(jī)床應(yīng)用實(shí)踐表明：各孔系的直徑、圓柱度、同軸度、平行度等指標(biāo)合格，機(jī)床加工性能和加工精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞： 船用發(fā)動(dòng)機(jī);V型缸體;主軸孔;凸輪軸孔;精鏜組合機(jī)床;鏜模板

中圖分類號：TH122;TG65? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 06-019-08

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.004

引言

船用發(fā)動(dòng)機(jī)是船舶、中小型艦艇和常規(guī)潛艇的主要?jiǎng)恿υO(shè)備。目前我國船用發(fā)動(dòng)機(jī)在機(jī)型總體設(shè)計(jì)方面相對穩(wěn)定，但在個(gè)別部件研發(fā)方面尚需攻關(guān)。氣缸體是船用發(fā)動(dòng)機(jī)的本體，是船用發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，而主軸孔和凸輪軸孔的精鏜加工又是氣缸體加工的關(guān)鍵[1-2]。

V型缸體是一種常見的氣缸體。本文以精鏜孔組合機(jī)床項(xiàng)目為背景，從總體方案入手，合理布局機(jī)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，精鏜孔組合機(jī)床設(shè)計(jì)滿足了使用需求。經(jīng)驗(yàn)收，機(jī)床具有高精度、高效率、高可靠性，在V型缸體加工中獲得了客戶的認(rèn)可。

1? 總體方案制定

1.1? 被加工零件

（1）名稱：12VC系列V型缸體;

（2）材料：HT250（主軸承蓋材料采用QT500）;

（3）硬度：HBS 190～230;

（4）成品外形尺寸：長2 050 mm，寬812 mm，高955 mm;

（5）成品重量：2 230 kg。

（6）精度要求：如表1所示。

1.2? 機(jī)床整體布局

機(jī)床是由鏜桿送進(jìn)裝置、液壓自動(dòng)夾具、伺服進(jìn)給滑臺、移位伺服滑臺、伺服鏜頭、底座、側(cè)床身、刀具冷卻排屑系統(tǒng)和機(jī)床防護(hù)等部件組成的[1]。機(jī)床整體布局如圖1所示。

1.3? 機(jī)床主要?jiǎng)幼餮h(huán)

機(jī)床主要?jiǎng)幼餮h(huán)如下：

人工吊裝將工件放入上料架→工件落下→凸輪軸中間模板打開→讓刀→送鏜桿→夾具定位→夾緊→半精加工循環(huán)→自動(dòng)換刀→精加工循環(huán)→松夾→讓刀→退鏜桿→凸輪軸中間模板縮回→工件抬起→人工吊出下料。

2? 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1? 伺服鏜頭和鏜桿

伺服鏜頭是針對加工缸體主軸孔和凸輪軸孔專門開發(fā)設(shè)計(jì)的專用鏜頭。主軸帶拉刀機(jī)構(gòu)，具備有刀拉刀到位、無刀拉刀到位和松刀到位檢測功能。主軸電機(jī)為交流伺服電機(jī)，并且配置鏜桿扭矩監(jiān)控的功能。主軸內(nèi)部軸承采用進(jìn)口軸承品牌。鏜頭帶有氣密封，防止鐵屑、粉塵使主軸磨損，避免造成精度上的影響。同時(shí)，運(yùn)用角度編碼器和主軸定位開關(guān)，雙重控制鏜刀旋轉(zhuǎn)后的刀尖位置。

鏜桿分為半精鏜鏜桿和精鏜鏜桿，二者均通過鏜桿送進(jìn)裝置和移位伺服滑臺完成自動(dòng)換刀和送刀的功能。鏜桿送進(jìn)裝置在伺服鏜頭正對面，主軸及鏜桿帶中心內(nèi)冷功能。鏜桿連接接口為BT50，刀柄和鏜桿間為浮動(dòng)連接。精鏜鏜桿的精鏜刀夾為進(jìn)口微調(diào)單元。

傳統(tǒng)精密鏜床的鏜頭與鏜桿通過浮動(dòng)接頭連接，調(diào)整需要很大的工作量，并且二者在整個(gè)機(jī)床的動(dòng)作循環(huán)都不能分離，因此移位伺服滑臺行程較長。本機(jī)床得益于鏜桿送進(jìn)裝置和移位伺服滑臺的結(jié)合應(yīng)用，減小了移位伺服滑臺的行程。此外，由于鏜桿連接接口為BT50，刀柄和鏜桿間為浮動(dòng)連接，因此就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，將原本兩臺機(jī)床（即半精鏜機(jī)床和精鏜機(jī)床）合并為一臺機(jī)床，為客戶節(jié)約了大量成本。

2.2? 數(shù)控滑臺

數(shù)控滑臺（伺服進(jìn)給滑臺）是機(jī)床的關(guān)鍵動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部件，直接關(guān)系到機(jī)床的加工能力?；_采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)口高精密滾珠絲杠螺母的方式，使滑臺保持較高的進(jìn)給速度和精度。伺服電機(jī)與滾珠絲杠之間通過聯(lián)軸器連接。聯(lián)軸器為精密膜片彈性聯(lián)軸器，它具有傳動(dòng)精度高，扭轉(zhuǎn)剛度高能夠補(bǔ)償軸向、徑向、角向誤差，自動(dòng)潤滑，無噪音等優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)控滑臺的滑動(dòng)部分由兩根矩形導(dǎo)軌和貼塑導(dǎo)軌板組成，摩擦系數(shù)小，動(dòng)態(tài)性能更好;在滑動(dòng)極限位置采用極限保護(hù)開關(guān)，保證安全性。本機(jī)床在設(shè)計(jì)過程中，優(yōu)化內(nèi)部鑄件結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度和剛性大大提高，受熱變形減小，使機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更好。

數(shù)控滑臺采用集中潤滑的方式，為導(dǎo)軌之間以及滾珠絲杠螺母提供潤滑。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(yùn)動(dòng)時(shí)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]。數(shù)控滑臺裝配圖如圖2所示。

2.3? 液壓自動(dòng)夾具

夾具是機(jī)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。液壓自動(dòng)夾具就是用液壓元件代替機(jī)械零件，通過液壓控制實(shí)現(xiàn)對工件的自動(dòng)定位、支承與夾緊的夾具。液壓自動(dòng)夾具具有夾緊力大、夾緊可靠、工作平穩(wěn)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)[3]。

夾具定位方式：采用一面兩銷的定位方式，即以氣缸體底面和底面上的2-25H7定位銷孔作為定位基準(zhǔn)，限制6個(gè)自由度。三個(gè)固定定位塊組成一個(gè)平面，再布置輔助支撐裝置保證工件的穩(wěn)定性。

工件夾緊方式：通過夾緊液壓缸和鉸鏈壓板來實(shí)現(xiàn)。

夾具定位夾緊原理圖如圖3所示。

定位夾緊過程如下：如圖4所示的夾具設(shè)計(jì)圖，被加工零件17（氣缸體）人工吊裝到上料架上，防護(hù)門關(guān)，按動(dòng)開關(guān)。工件進(jìn)行上料正反檢測，檢測正確后，油缸A（圖5）啟動(dòng)，上料架落下，同時(shí)工件的定位銷孔落到對應(yīng)的圓柱定位銷15和菱形定位銷10上，定位塊1、6、12沖水、吹氣，定位銷10、15沖水，工件油缸夾緊裝置2、7、11夾緊。定位塊進(jìn)行氣密性檢測，檢測合格后，2、3孔凸輪軸導(dǎo)套移動(dòng)至加工位并鎖緊，進(jìn)行導(dǎo)套到位氣密性檢測。檢測合格后，油缸B（圖5）啟動(dòng)，工件抬起到讓刀位置，鏜桿送進(jìn)，鏜頭鎖緊鏜桿，油缸B返回，工件落下，主軸孔導(dǎo)套插銷撤回，定位銷推靠裝置9、14上，工件油缸夾緊裝置2、7、11夾緊，定位塊1、6、12氣檢，氣檢合格后，底面輔助支撐3、5、8、13、16上。至此，整個(gè)定位夾緊過程完成。

夾具定位夾緊結(jié)束后，主軸電機(jī)啟動(dòng)，數(shù)控滑臺工退進(jìn)入半精加工階段，加工結(jié)束后，鏜桿撤回，通過鏜桿送進(jìn)裝置和移位伺服滑臺，按照上述半精加工定位夾緊過程完成精加工工序。加工結(jié)束后，工件夾緊裝置、輔助支撐、鏜桿、定位銷推靠裝置、鏜頭、凸輪軸導(dǎo)套均返回原位，工件抬起，防護(hù)門打開，人工吊裝卸料。進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。

定位塊1、6、12一起在磨床上加工，保證等高高度尺寸滿足（55±0.01） mm要求，同時(shí)三個(gè)定位塊組成的定位平面的平面度要求0.01 mm以內(nèi)，允差不超過0.005 mm.輔助支承裝置3、5、8、13、16用于保障被加工零件的定位穩(wěn)定性。

在夾具定位后，定位銷推靠裝置9、14推靠工件，使工件側(cè)向移動(dòng)，工件兩個(gè)定位銷孔的母線與定位銷的母線在同側(cè)相互接觸，使轉(zhuǎn)角誤差和位移誤差大大縮小，使定位誤差滿足精度要求。

在夾緊裝置2、7、11結(jié)構(gòu)內(nèi)，夾緊油缸通過鉸鏈壓板夾緊工件，三個(gè)夾緊壓板垂直對應(yīng)三個(gè)定位塊1、6、12，完成被加工零件的夾緊和松開，確保加工過程的穩(wěn)定可靠性。

2.4? 自動(dòng)上料裝置

如圖5所示的上料架設(shè)計(jì)圖，人工將被加工零件4（氣缸體）吊裝到上料架上，通過前后端面限位板1、2和左右側(cè)面限位板5、13將工件導(dǎo)入上料架，落到定位塊12上。油缸A啟動(dòng)（左右2個(gè)油缸9、10保證同步落下），拉動(dòng)抬起支架6落下，抬起支架6通過連接軸3、連桿7、連桿支座8之間的相互連接，在抬起導(dǎo)向軸導(dǎo)向作用下，將工件平穩(wěn)落至夾具定位塊上。氣密性檢測合格后，油缸B啟動(dòng)，將工件抬起4 mm到讓刀位置，鏜桿送進(jìn)，鏜頭鎖緊鏜桿，油缸B返回，工件落下至定位塊。

2.5? 鏜模板

加工主軸孔、凸輪軸孔時(shí)，懸伸的鏜桿細(xì)而長，剛性較差，受力容易發(fā)生較大變形，容易產(chǎn)生振動(dòng)和抖動(dòng)。為提高鏜桿的剛度，設(shè)置了模板，即鏜模板。鏜模板主要用于機(jī)床刀具加工時(shí)的導(dǎo)向和定位，是保證加工位置準(zhǔn)確性的關(guān)鍵部件[2]。

鏜模板固定在夾具體上，主體采用鑄造結(jié)構(gòu)。鏜模架上的導(dǎo)套設(shè)計(jì)形式為可調(diào)整式滾動(dòng)導(dǎo)套。導(dǎo)套內(nèi)孔全部由人工手動(dòng)刮研，這樣既容易保證主軸孔和凸輪軸孔的位置精度，又能夠持久地保證較高的加工精度，也提高了鏜刀的切削速度。在鏜模架上還設(shè)有導(dǎo)套定位裝置，從而保證鏜刀通過定位系統(tǒng)將刀尖方向定位后可以進(jìn)出自如。鏜模板在夾具體上的裝配圖如圖4左上方所示。

本夾具上從左至右共設(shè)有8個(gè)鏜模板，第一模板（最左端）為1、2、3孔前端模板，第二和第五模板為1孔曲軸孔模板，第三和第六模板為3孔凸輪軸孔模板，第四和第七模板為2孔凸輪軸孔模板，第八模板（最右端）為1、2、3孔后端模板。

為保證鏜模板精度，除采用精密三坐標(biāo)加工外，在x、y、z三坐標(biāo)軸方向都設(shè)有調(diào)整墊。安裝時(shí)，修磨調(diào)整墊，保證模板的1孔同軸度在 0.005 mm 以內(nèi)，模板的 1 孔中心線連線與定位平面的平行度達(dá)到0.005 mm/1 000 mm，1孔中心線連線與定位塊接觸工件平面的高度范圍滿足（300±0.01） mm要求;各模板的1孔中心線與定位銷中心連線平行度達(dá)到0.01 mm要求，尺寸范圍達(dá)到（280±0.01） mm要求。同時(shí)，確保模板上2、3孔的同軸度達(dá)到0.005 mm 要求， 保證2、3孔與1孔的平行度滿足0.005 mm/1 000 mm。

為方便安裝、調(diào)整和維修以符合設(shè)計(jì)要求，第一模板和第八模板采用了分體設(shè)計(jì)的方法，即1孔和2、3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孔的相對位置水平方向?yàn)椋?292.22±0.005） mm，豎直方向?yàn)椋?66.15±0.005） mm;3孔與1孔的相對位置水平方向?yàn)椋?92.22±0.005） mm，豎直方向?yàn)椋?66.15±0.005） mm。

由于工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的限制，左右各有一個(gè)凸輪軸。工件垂直落下過程中，固定式凸輪軸導(dǎo)套與工件相撞;而如果工件在落下過程中走曲線路徑，則需要將左右凸輪軸導(dǎo)套都套入工件內(nèi)，無法實(shí)現(xiàn)。因此，使用移動(dòng)式凸輪軸導(dǎo)套，即工件垂直落下，落至定位塊后，第三和第六模板（3孔模板）向右側(cè)3孔水平移動(dòng)，第四和第七模板（2孔模板）向左側(cè)2孔水平移動(dòng)，移動(dòng)至加工位并鎖緊，進(jìn)行導(dǎo)套到位氣密性檢測，以符合設(shè)計(jì)要求。

對于2、3凸輪軸孔中間模板，設(shè)計(jì)圖如圖6所示。油缸C啟動(dòng)，向上推動(dòng)豎直齒條4，帶動(dòng)齒輪軸3轉(zhuǎn)動(dòng)，水平齒條安裝在凸輪軸導(dǎo)套滑臺上，滑臺由直線導(dǎo)軌8導(dǎo)向，齒輪軸3推動(dòng)水平齒條2及滑臺向前運(yùn)動(dòng)，滑臺撞氣密檢測塊5停止運(yùn)動(dòng)。油缸D啟動(dòng)，向上推動(dòng)楔鐵軸11，楔鐵軸11撞擋鐵9停止運(yùn)動(dòng)。進(jìn)行氣密性檢測，檢測合格后，進(jìn)入下一步動(dòng)作。至此，凸輪軸孔中間模板運(yùn)動(dòng)過程完成[4]。

根據(jù)相關(guān)使用和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，模板導(dǎo)向部分的精度要求很高，但其與刀具（鏜桿）時(shí)常配合使用，磨損嚴(yán)重，更換繁瑣，對精度產(chǎn)生了一定影響，故設(shè)計(jì)中將模板導(dǎo)向部分改為鑲嵌導(dǎo)套結(jié)構(gòu)。全部導(dǎo)套均采用可調(diào)式設(shè)計(jì)，在安裝中，導(dǎo)套與模板通過配磨，將二者間隙調(diào)整到0～0.005 mm的設(shè)計(jì)要求;導(dǎo)套與刀桿之間也采用配磨方式，將二者間隙調(diào)整到0.003～0.008 mm。這樣，結(jié)構(gòu)磨損后，只需更換導(dǎo)套重新配磨即可，大幅度減少了材料損失和調(diào)整時(shí)間，延長了模板使用壽命。

夾具和鏜模板三維效果設(shè)計(jì)圖如圖7所示。

2.6? 刀具

本機(jī)床主要面向被加工孔軸線度要求較高、深孔長徑比很大的精加工工序，因此最終選擇拉鏜的加工形式。拉鏜鏜削加工過程中，鏜桿始終處于軸向受拉狀態(tài)，鏜頭沿鏜桿前進(jìn)的直線方向作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定性好，加工精度高。鏜桿自行設(shè)計(jì)，半精鏜、精鏜鏜桿由LMT公司制造，滾動(dòng)導(dǎo)套由GATECH公司制造。

機(jī)床加工1孔主軸孔和2、3孔凸輪軸孔，其中主軸孔半精加工單邊余量1.1 mm，精加工單邊余量0.4 mm，成品尺寸為￠180H6;凸輪軸孔半精加工單邊余量1.1 mm，精加工單邊余量0.4 mm，成品尺寸為￠118H7。

主軸孔刀具主要參數(shù)為[5]：

半精加工：v=90 m/min，n=160 r/min，S=0.2 mm/r，Sm=32 mm/min;

精加工：v=124.3 m/min，n=220 r/min，S=0.1 mm/r，Sm=22 mm/min。

其中，v表示切削刀具線速度，n表示刀具轉(zhuǎn)速，S表示刀具每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，Sm表示刀具每分鐘進(jìn)給量，后文同。

主軸孔（1孔）加工刀具示意圖如圖8所示。

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，故設(shè)計(jì)中采用鏜桿內(nèi)滾軸承，在有限空間中給鏜桿增加移動(dòng)導(dǎo)套，起到支撐作用，提高加工速度和加工精度。

凸輪軸孔刀具主要參數(shù)為[5]：

半精加工：v=84.6 m/min，n=230 r/min，S=0.14 mm/r，Sm=32 mm/min;

精加工：v=126 m/min，n=340 r/min，S=0.065 mm/r，Sm=22 mm/min。

凸輪軸孔加工刀具示意圖如圖9所示。

3? 應(yīng)用情況

對試切件進(jìn)行驗(yàn)收檢查，即設(shè)備連續(xù)加工后，檢測加工精度，將試切件各孔系加工值統(tǒng)一記錄，取其中最小值和最大值，如表2所示。結(jié)果表明，該三軸鏜組合機(jī)床連續(xù)加工的試件均能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而機(jī)床加工性能和加工精度也滿足了使用要求，設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目的。

4? 結(jié)束語

本文為船用發(fā)動(dòng)機(jī)的V型缸體研制了一種精鏜孔組合機(jī)床。研制思路是：從總體方案著手，運(yùn)用科學(xué)的工藝手段和先進(jìn)的制造技術(shù)，按照組合機(jī)床的一般設(shè)計(jì)規(guī)律，對關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，尤其是在液壓自動(dòng)夾具和鏜模板的研究與設(shè)計(jì)上開展了大量工作。經(jīng)驗(yàn)收，表明機(jī)床的設(shè)計(jì)、加工等工序不僅順利完成，而且達(dá)到了預(yù)期效果。

本機(jī)床已通過最終驗(yàn)收，并已應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。客戶反饋信息良好，缸體加工精度和生產(chǎn)率達(dá)到要求，為社會和企業(yè)帶來了顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡介：

方宇（1981—），通信作者，男，山東萊州人，碩士，工程師，任職于通用技術(shù)集團(tuán)大連機(jī)床有限責(zé)任公司智能制造研究所，主要從事組合機(jī)床柔性生產(chǎn)線設(shè)計(jì)工作。

E-mail： 58287467@qq.com

（收稿日期：2020-09-15）