12V柴油機機體精銑缸面、精鏜氣缸孔數控專機的結構設計與分析

馬敏莉，王建章

(1.南通職業大學，江蘇南通226007;2.南通柴油機股份有限公司，江蘇南通226002)

12V 柴油機因承載負荷大，對其關鍵零件的加工有很高的要求。以12V 基本型柴油機機體為例，左右缸面及12 個氣缸孔是機體零件的重要加工表面，其加工精度直接影響柴油機的整機性能。以往某公司基本利用普通專機分序加工左右缸面及12 個氣缸孔，缸面及缸孔質量難以保證;同時工人勞動強度大，生產效率低，難以滿足要求。2009年，作者開始研發12V 柴油機機體精銑缸面、精鏜氣缸孔數控專機，根據12V 機體零件精銑缸面、精鏜氣缸孔的工序要求，有針對性地設計了機床布局和各個功能部件，解決了缸面平面度、缸套孔止口深度mm、底面0.3°～0.5°斜面、孔與底面的過度圓角

1 12V 柴油機機體零件精銑缸面、精鏜氣缸孔工序要求分析

該工序加工內容及加工精度見圖1，加工表面為左右缸面及12 個氣缸孔。以12V 基本型柴油機機體為例，左右缸面的加工精度要求:與主軸孔高度460 ±0.1 mm、與機身對稱中心面的角度為、平面度為0.06 mm、與A－B 的平行度為0.1 mm、表面粗糙度小于Ra1.6 μm;12 個氣缸孔的加工要求:止口直徑mm、上缸套孔直徑mm、下缸套孔直徑mm，缸套孔的止口深度為mm、底面0.3° ～0.5°斜面、mm 孔與底面的過渡圓角為mm，與mm、各缸止口與缸面的平行度、各缸孔與缸面的垂直度等加工中的瓶頸問題，確保了工序加工精度及效率，在實際應用中其技術得到了充分驗證。主軸孔的垂直度要求小于φ0.08/460 mm、與缸面的垂直度要求小于0.03 mm、表面粗糙度小于Ra1.6 μm，還有平行度等其他要求。通過分析機體零件工序圖加工要求可知，左右缸面及12 個氣缸孔加工要求非常高。

該工序加工內容原本由2 臺專機分2 道工序完成。原缸套孔精鏜專機設有兩個鏜頭，加工時互相干擾，缸套孔尺寸精度、圓柱度及表面粗糙度難以保證;其精鏜頭軸向走刀，底面的0.3° ～0.5° mm 斜面、mm 孔與底面的過渡圓角mm不易保證，均采用手工刮削，生產效率低。

因此能夠在一臺數控專機上完成左右缸面的精銑加工、12 個氣缸孔的精鏜加工是企業解決這一問題的理想途徑。

圖1 精銑缸面、精鏜氣缸孔工序簡圖

2 數控專機設計及難點

在最少的裝夾下完成左右缸面的精銑、12 個氣缸孔的精鏜等工藝過程，并保證工件的加工精度和要求，是該專用機床的設計目標。為完成設計目標，在設計時必須解決以下4 個難點問題:(1)必須解決前文中提到的6 大瓶頸問題;(2)需解決機床各部件相互協調完成較為復雜動作的問題［1］;(3)由于機體質量達到750 kg，需解決如何保證各部件有足夠的承載能力問題;(4)為了滿足不同種類的12V、16V 機體加工，需解決縮短機床調整、上下料等輔助時間等問題。

3 數控專機的布局與動作順序

綜合考慮該專用機床整體剛性、空間結構和排屑性能等因素，采用立式單面布置。為確保整機穩定性和剛性，床身底面形狀設計為“L”形，而非一般機床所采用的“I”形。機床各部件布局見圖2，其主要部件為數控移位滑臺、數控進給滑臺、強力銑削頭、精鏜頭、連體斜立柱、夾具等。

機床完成設計目標的動作順序是:按鈕，定位面吹屑，人工推工件到機動滾道，按鈕，隔料裝置放行，工件進入夾具，滾道落下，液壓插銷，夾緊油缸夾緊工件，自動裝置鎖緊，氣檢檢測，銑頭主軸啟動，數控滑臺快進，工進(銑削切削液啟動)，加工完成后，銑頭主軸停止(銑削切削液停止)。數控滑臺快進至鏜孔一工位，鏜頭主軸啟動，立式滑臺快進，工進(鏜削切削液啟動)，量儀導向柱碰觸工件頂面后，壓縮量儀，發出止口刀到位信號，進給滑臺停止(切斜面時，進給滑臺和出刀伺服走插補)，止口刀橫車止口端面，車到位后，滑臺反向工進，鏜出止口圓錐面。反鏜時精鏜刀已被斜塊頂出到精鏜位置，精鏜刀精鏜上下缸孔。加工完成后，鏜削切削液停止，進給滑臺快退回原位。按以上循環，數控滑臺依次移到二、三、四、五、六工位，依次鏜削2、3、4、5、6 缸孔。數控滑臺快退回原位，夾緊油缸放松工件，液壓拔銷，滾道升起，自動滾滾刀反轉，工件退出夾具到機動滾道上，人工吊起工件，旋轉工件，按照上述順序依次銑削另一缸面、按鈕，鏜削12、11、10、9、8、7 缸孔。數控滑臺快退回原位，夾緊油缸放松工件，液壓拔銷，滾道升起，自動滾滾刀正轉，帶工件出夾具。進入工件下一循環。

圖2 精銑缸面、精鏜氣缸孔數孔專機結構示意圖

4 數控專機主要功能部件設計

4.1 數控移位滑臺

數控移位滑臺是為工件銑削進給提供動力和6次定位進行鏜孔起到輸送和定位作用?？炕_數控行走實施定位，并設有定位檢測、糾錯功能。為了保證圖1 中各缸套孔的位置精度，滑臺定位后由液壓鎖緊裝置鎖緊滑臺。為了保證滑臺導軌有足夠的承載能力，滑臺導軌設計為硬導軌，和滑臺座設計成一體，采用高性能鑄鐵材質，導軌表面采用超音頻淬火，淬火后經導軌磨床磨削?；_體采用高剛性、高強度設計，鑄造后進行一次熱時效處理，粗加工后進行一次熱時效處理。為了提高滑臺體精度，滑臺體的陰導軌需進行貼塑或涂塑處理，與陽導軌配刮?；_靠伺服電機通過彈性聯軸器連接滾珠絲杠驅動移位。

4.2 數控進給滑臺

數控進給滑臺是為鏜頭進給切削工件提供驅動。數控進給滑臺設計與數控移位滑臺設計基本相同。

4.3 強力銑削頭

強力銑削頭采用西德SFER 銑削頭，其結構簡圖見圖3。其主軸前軸徑為φ160 mm，前軸承為內孔1∶12錐度的雙列圓柱滾子軸承與雙向推力角接觸球軸承組合。整個主軸系統精度高、剛性好。強力銑削頭為滑臺式，主軸中心低，增加了系統剛性;具備自動讓刀功能，可進行二次進給。為了增加銑削頭的剛性，強力銑削頭的導軌在銑削時液壓鎖緊。強力銑削頭外部用同步齒形帶傳動，內部用斜齒輪傳動，齒輪與主軸采用漲套無隙聯接，傳動平穩、噪聲低。

為了確保灰塵不進入銑削頭，銑頭端部采用機械密封和氣密封雙重密封。

主軸電機采用變頻電機，通過圓弧齒形帶帶動主軸運轉。

圖3 強力銑削頭結構簡圖

4.4 精鏜頭

為了使主軸能保證在高切削力時無振動地運行，保證各氣缸孔尺寸精度、圓柱度，精鏜頭采用西德DSS 精密鏜頭結構，其結構簡圖見圖4。主軸前端軸承采用雙列圓柱滾子軸承和雙向推力角接觸軸承，后支撐采用雙列圓柱滾子軸承［2］。

為了有效避免孔內的退刀印，機床鏜孔采用正鏜為半精鏜、反鏜為精鏜的工藝。

為了加工缸孔底面的0.3° ～0.5° mm 斜面，采用單軸鏜頭徑向車削與鏜頭軸向進給實現斜線鏜削。

鏜頭內部具有冷卻刀具內出水結構。鏜頭主軸端部采用機械密封和氣密封。主軸電機采用變頻電機，通過圓弧齒形帶帶動主軸運轉。

圖4 精鏜頭結構簡圖

4.5 連體斜立柱

為了保證左、右缸面的高度、平行度等要求，考慮整體剛性等要求，采用連體式斜立柱，銑頭和數控滑臺并排安裝在連體斜立柱上。為了降低加工過程的動平衡，立柱內腔設有配重，平衡銑頭、滑臺及鏜頭質量。

立柱體采用高性能鑄鐵，采用高剛性、高強度設計，鑄造后進行一次熱時效處理，粗加工后再進行一次熱時效處理，以消除內應力、減小變形。

4.6 夾具

夾具由夾具體、定位機構、夾緊機構等組成［3］。

定位機構。根據上機前的毛坯狀態，定位機構采用一面兩孔定位。夾具上安裝等高定位塊用于工件底面定位;安裝液壓升降架，采用固定定位銷，用于工件底面兩定位銷孔定位;同時為提高定位精度、減輕變形，使用了卡帕斯輔助定位裝置。為了剔除前工序底面精銑精度不合格的零件，保證當前工序的加工精度，確保當前工序定位可靠，在夾具的定位面設有定位前吹氣裝置，定位后氣檢裝置。定位支承板上設有3 個氣檢出口，連接氣檢機構，用于工件平面定位氣檢。

夾緊機構。采用翻板壓緊結構。夾具體兩側設6個壓緊油缸，通過壓板壓緊在工件兩側面窗口處。夾緊機構采用楔鐵自鎖裝置，保證夾緊可靠。夾具上工件兩側設計彈簧頂緊高油壓鎖緊的輔助抱緊結構，保證加工過程中工件不變形，保證工件加工平面度。

4.7 刀輔具

銑刀采用進口精銑刀。該刀盤為蓋帽結構，刀盤分為法蘭連接體和刀盤兩部分，檢查刀盤時只需拆卸刀盤即可。刀片采用硬質合金可轉位形式。采用定位芯軸連接刀盤和銑頭主軸。立柱上設置旋轉銑刀換刀托架裝置。

鏜桿外表安裝2 把半精鏜缸孔刀，1 把半精鏜止口孔刀，2 把孔口倒角刀，3 把可伸縮調整的精鏜刀:鏜桿內3 滑塊上分別安裝1 把止口車削和2 把反鏜孔刀。

鏜桿內部有推桿，推桿上有斜齒面和刀塊齒面嚙合，當推桿在油缸推動下伸縮時，帶動止口鏜車橫車止口端面;推桿在靠近精鏜缸孔處有斜面推動頂桿，用于推動可彈性變形的精鏜刀。

4.8 電氣控制系統

為了提高加工過程中的控制精度，整機采用FANUC Oi mate 數控系統進行控制。進給軸采用伺服電機驅動。銑頭主軸和鏜頭主軸均采用變頻電機驅動。移動滑臺采用伺服電機驅動。為了避免干擾，模塊之間用光纜連接，設有工位坐標檢測超差報警裝置。

4.9 液壓系統

采用外置式單獨液壓站，疊加閥結構。液壓站至機床采用空中走管。

4.10 止口深度控制儀

為了有效控制缸孔的止口加工深度11+0.050mm，采用馬波斯(MARPOSS)量儀由11+0.050mm 尺寸發令控制，去掉鏜頭與工件的死擋鐵機械定位裝置。

4.11 冷卻、排屑、潤滑系統

為了降低加工中切削熱的影響，機床采用大流量冷卻液進行鐵屑排除。冷卻箱與自動排屑為一體結構。鐵屑被沖到排屑器后，被提升到排屑小車。冷卻液通過過濾，又被水泵打到沖屑管路中。

為了延長機床的精度及壽命，采用自動集中潤滑系統潤滑導軌、滾珠絲杠和夾具。

5 結論

12V 柴油機機體精銑缸面、精鏜氣缸孔數控專機的設計，基于對目標工件工序要求的仔細分析，得出對機床動作及功能的要求，找出其設計要點和難點，通過對這些問題以及機床整體結構、功能部件結構設計進行分析和探討，采用了來自生產一線的實際經驗以及一系列新技術、新方法、新結構，使設計目標得以合理充分地實現。該專用機床經過近兩年的實際應用驗證，產品質量穩定性好，工作效率高。

該專機的成功開發，為發動機制造企業開拓新產品預留了很大的發展空間。

【1】梁瑞鋒，李寧艷.缸筒類零件專用數控車床的設計［J］.制造技術與機床，2011(12):127－130.

【2】袁小平.淺談德國許勒公司組合機床功能部件—DSS 精鏜頭［J］.洛陽大學學報，1996(6):61－64.

【3】成大先.機械設計手冊［M］.5 版.北京:化學工業出版社，2008.

【4】現代實用機床設計手冊編委會.現代實用機床設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2006.

【5】趙如福.金屬切削工藝人員手冊［M］.4 版.上海:上?？茖W技術出版社，2006.