發動機汽缸蓋半圓槽數控銑床的研究

何榮開

（東南大學機械工程學院，新型光源技術及裝備教育部工程研究中心，江蘇南京 210096）

某型號摩托車發動機，發動機的曲軸安裝在汽缸體和汽缸蓋之間，在汽缸蓋上留有半圓槽，并且兩端部不通（圖1），半圓槽直徑尺寸為φ28JS8（±0.016），槽底部離安裝面為14±0.016 mm，汽缸蓋的材料為LY102，毛坯為精密壓鑄鋁件，其半圓槽單邊加工余量在0.8 mm左右，要求加工機床的生產效率為3 min/件。

通過工藝試驗，汽缸蓋毛坯件的半圓槽用二次銑削加工，粗銑半球頭銑刀去除毛坯余量85%，留余量的15%用精半球頭銑刀加工，銑削加工后半圓槽的表面粗糙度較好，加工精度也能達到工件圖紙要求。根據前面所述的技術要求和工藝試驗結果，如采用加工中心加工，粗銑和精銑加工需不斷自動更換刀具，裝夾工件也需要較多的輔助時間，生產效率低。所以設計專用于銑削汽缸蓋半圓槽的數控臥式銑床，可以減少輔助時間，提高機床的生產效率。

1 半球頭銑刀銑削的工作原理

雙刀刃半球頭銑刀在銑削加工時，其結構如圖2所示，由于半球頭銑刀頂點在銑刀的中心線上，銑刀旋轉，其線速度為0。如果半球頭銑刀的軸心線與汽缸蓋半圓槽的母線垂直，銑刀加工槽底部位的切削線速度為0，銑刀頂部無法參與切削加工，銑刀對半圓槽產生擠壓，這樣半圓槽深度尺寸一致性難以保證，表面粗糙度也無法達到圖紙要求。

為了使銑刀在切削過程中與半圓槽接觸的每一點刀具的線速度不為0，銑刀的軸線與半圓槽軸線處在同一平面內，并且銑刀的軸線與半圓槽軸心線的垂直線成一定的角度α（圖3），α應選在6°～12°之間。角度太大，會影響機床X向行程，并且銑刀會銑削到汽缸蓋側面邊框;角度太小，銑刀銑槽底點的線速度較小，會影響切削加工表面的粗糙度，加大切削抗力。

選擇α角為9°時，工件加工完成后，銑刀切削到汽缸蓋邊框的尺寸能滿足圖紙要求。機床主軸轉速為2 000 r/min，在半圓槽口部的銑刀切削線速度最大，半圓槽底部的銑刀切削線速度最小，其最大和最小的線速度如下。

半球頭銑刀刃口采用硬質合金，這樣的線速度基本滿足切削的要求。汽缸蓋為精密壓鑄件，一次切削無法滿足加工精度要求，因而采用粗、精銑削二次加工。精銑削加工時由于球頭部各處的切削線速度相差較大，進而影響汽缸蓋半圓槽表面粗糙度的一致性，所以在粗加工時，槽底部留的加工余量較小，而槽口沿處留的精加工余量較大（圖4）。通過工藝試驗，以這樣的切削線速度和加工余量粗銑和精銑汽缸蓋的半圓槽，加工表面的粗糙度、尺寸和底部深度尺寸一致性都能達到工件圖紙要求。

采用雙刀刃平口半球頭銑刀，刃口與銑刀的旋轉軸夾角為0°，銑刀旋轉軸與工件的切削進給方向夾角是81°，所以刀刃在切削時，銑刀頂部的刃口先接觸工件，而半圓槽的沿口后接觸工件，雖然切削是斷續加工，但鋁合金的切削抗力較小，切削使刀具產生的振動較小，能達到加工要求。如改用多刀刃螺旋刃口的半球頭銑刀，切削為連續加工，切削產生的振動更小，使用效果更好，但刀具造價較高。

2 機床工作原理

汽缸蓋銑半圓槽采用臥式數控銑床，其工作臺不移動，而銑刀在X、Y、Z軸3個坐標方向移動。

2．1 機床總體結構

機床的總體布局如圖5所示，銑刀采用臥式布局，主軸安裝在垂直拖板上，而垂直拖板裝在立柱上可上下移動，立柱裝在X、Z軸的十字拖板上。工件夾具裝在墊塊上，而墊塊安裝在工作臺上。汽缸蓋安裝在夾具上，夾具可分成左右2個工位，一個工位正在加工，而另一工位可以裝卸工件，這樣裝卸工件不占用機床的輔助時間，提高加工效率。

機床采用雙主軸結構，一個主軸上安裝粗加工銑刀，用于粗加工半圓槽，另一個主軸上安裝精加工銑刀，用于精加工半圓槽。立柱安裝在X、Z軸的十字拖板上，X軸用于切削進給，立柱上的Y軸用于換刀加工，Z軸用于銑刀的進給和退出。由于半球頭銑刀的加工工藝要求，立柱應傾斜安裝在X軸拖板上，使半球頭銑刀與Z軸成α（9°）角。

半球頭銑刀刃口用硬質合金材料，而工件材料為鋁合金，銑削加工時采用乳化液作潤滑和冷卻，以提高加工面的粗糙度質量和加工精度。把乳化液的噴嘴安裝在垂直拖板上，用兩個噴嘴分別對著精、粗銑刀進行潤滑和冷卻，乳化液采用渦旋過濾器對鋁屑進行過濾。

2．2 機床加工工藝流程

機床主要有X、Y、Z三軸運動，分別由伺服電動機通過柔性聯軸節與滾珠絲杠副連接，構成半閉環進給伺服系統，其加工控制程序框圖如圖6所示。冷卻乳化液有2個噴嘴分別冷卻粗、精銑刀，由2個流體電磁閥控制，銑刀在加工時把閥打開，不加工時把閥關閉，電磁閥的開閉由程序控制。

銑刀的加工線路圖如圖7所示，在夾具第一工位裝夾工件后，粗銑刀主軸從基點移到粗加工起點，銑削半圓槽，加工完成后，粗銑刀退出，精銑刀的主軸移到夾具第一工位加工起點，精銑半圓槽。在夾具第一工位加工的同時，夾具第二工位在裝卸工件，而第二工位加工的同時，夾具第一工位可以裝卸工件。在夾具第一工位加工完成后，銑刀移到夾具第二工位粗、精銑工件，完成后銑刀退回到基點。

3 機床關鍵部件設計

汽缸蓋半圓槽數控銑床底座由鋼板焊接而成，工作臺與床身連成整體，工件的夾具安裝在工作臺上，X、Y、Z三軸拖板移動采用伺服電動機通過聯軸器與滾珠絲杠副連接，構成半閉環系統。

3．1 雙主軸結構

由于機床用于汽缸蓋半圓槽的加工，只需要粗、精銑兩步加工工序，如采用傳統的單主軸機床布局，需在機床上增加自動換刀機械手和刀庫，機床造價較高，機床加工的輔助時間占用比例大，生產效率較低。根據汽缸蓋工件銑削半圓槽加工工藝的特點，采用雙主軸結構，分別安裝粗加工銑刀和精加工銑刀，只需拖板在Y軸上移動，實現自動換刀。

雙主軸結構如圖8所示，在機床立柱的垂直拖板上布置2個主軸，上方用于安裝粗加工銑刀，下方用于安裝精加工銑刀。銑刀采用錐柄，用碟形彈簧拉緊，裝卸方便，使用可靠。2個主軸同時旋轉，由一組齒形皮帶相連接，由于2個主軸中心距不可調節，所以在2個主軸齒形帶輪中間裝有漲緊齒形帶輪。下主軸與主伺服電動機由齒形皮帶相連，電動機軸與主軸的中心距可以調節，以漲緊齒形帶。

3．2 工件夾具設計

汽缸蓋夾具采用2個裝夾工件的工位，一個工位在加工時，另一個工位裝卸工件，這樣可以減少機床的加工輔助時間。夾具結構如圖9所示，因為要保證切削深度在尺寸14±0.016 mm公差范圍以內，工件安裝基面設在A面，用2個圓銷孔φ6H6作為定位基準孔，采用一對圓柱銷和棱形銷作為定位銷釘。

工件夾緊采用杠桿，一端用鉸鏈固定，另一端用液壓缸拉緊。把工件上的定位銷孔對準夾具的定位銷，使工件的A面與夾具定位面緊貼，杠桿旋轉，安裝在杠桿中間的浮動壓塊壓緊工件。浮動壓塊采用十字萬向結構，壓緊工件時壓塊可自由擺動，使工件壓緊時受力均勻。旋轉液壓缸前端的旋轉拉桿，扣在杠桿的拉桿槽中，液壓缸退回，杠桿壓緊工件。如圖9中1號工位所示，工件裝夾完成，可進行工件加工。工件加工完成后，液壓缸松開，手工旋轉液壓缸活塞桿前端的旋轉拉桿，并旋轉杠桿，使工件從夾具上拆卸，如圖9中2號工位。此夾具工件裝卸方便、快速，定位精度高，工件夾持可靠，達到減少輔助時間，提高機床工作效率的目的。

因為工件在裝卸時，液壓缸的動作會使液壓系統壓力產生波動，從而使另一個液壓缸的壓力波動，導致工件夾持力的波動，會影響正在加工工件表面粗糙度和深度一致性。所以兩個工位夾緊用的液壓缸采用兩套系統供油，采用兩個氣轉液泵站。

4 結語

摩托車零件的生產屬于大批量生產，生產效率要求高，在半圓槽數控銑床設計時，在加工精度達到要求后，必須首先考慮機床的工作效率。

采用雙主軸設計，用銑床Y、Z軸快速移動來實現換刀，使刀具離開工件到接觸工件換刀時間較短;夾具設計采用雙工位，工件裝卸不占用機床工作時間。機床正在某摩托車發動機制造公司使用，生產率為2.5 min/件，加工精度達到7級，表面粗糙度達到Ra1.6 μm，能滿足工件生產要求，產生了很好的經濟效益。

［1］成大先．機械設計手冊［M］．北京:化學工業出版社，2002．

［2］楊黎明．機床夾具設計手冊［M］．北京:北京國防工業出版社，1996．

［3］畢承恩．現代數控機床［M］．北京:機械工業出版社，1991．

［4］周蘭，常曉俊．現代數控加工設備［M］．北京:機械工業出版社，2005．