活塞環專用雙軸鏜床設計

吳福貴

（安慶職業技術學院，安徽 安慶 246003）

1 前言

活塞環的良好性能對汽車整臺發動機系統的工作運轉十分重要，因而設計與研究活塞環專用機床對于提高活塞環的制造水平意義重大。本人于2013年度成功申報安徽省高等學校省級自然科學研究項目——“活塞環專用雙軸鏜床的設計與研究”，經過一年來的設計與研究，活塞環專用雙軸鏜床已經投入使用，實踐證明，設計是成功的，設備的加工精度、穩定性和工作效率較以前的設備均有較大提升。

本機床為數字控制伺服系統雙軸立式機床，專門用于活塞環車內孔、鉤R槽、倒角等工序。

2 本機床對于活塞環鏜孔工藝的改進

2.1 傳統活塞環鏜孔工藝

以意大利Aspera公司為代表，其工藝流程為：鉆 6.5通孔→擴孔至 7+0.1→粗鏜 7.43+0.036、圓柱度0.01→精鏜至 7.935+0.006、圓柱度0.002→滾光 7.938+0.006、 圓柱度0.002。但在精鏜工序中，鏜床顯然難以保證公差0.006 、圓柱度0.002的精度要求，而滾光工序只起強化內表面和提高表面光潔度的作用。故而產生大量廢品，這說明意大利Aspera公司的工藝有技術缺陷。

2.2 本機床設計工藝

本機床經過改進，其工藝流程為：將原精鏜→滾光改為精鏜至 7.92+0.015圓柱度0.006→粗鉸至 7.925+0.01、圓柱度0.003→精鉸至 7.938+0.006、圓柱度0.002。所用工藝裝備為：電鍍金剛石鉸刀(金剛石粒度粗鉸用150目、精鉸用180目)，簡易自制工作臺，切削液使用珩磨油。

經過實踐驗證，應用該工藝加工的產品質量穩定，且經濟實用。

3 活塞環專用雙軸鏜床設計方案

本機床在主傳動、進給傳動和刀具系統等方面進行了重大改進，大幅度提高了機床工作效率和穩定性，設備采用數控系統控制，主傳動變頻調速，進給采用伺服工進，運行平穩。除工件裝夾為手動外，全部實現自動循環。

3.1 設備結構

本設備包括以下主要組成部分。

（1）主體結構：主要有主軸箱、床身、立柱、工作臺和進給機構等，見圖1。

（2）控制部分：包括電氣柜、按鈕面板、床身電氣和冷卻泵等幾部分。采用日本NMB公司生產的DASEN R2F8000交流伺服數控系統來控制。

（3）驅動裝置：包括機床的驅動部件，包括主軸電機和伺服電機。

（4）輔助裝置：包括液壓裝置、潤滑和排屑系統等。

3.2 工作原理

圖1 機床主體結構圖

專用鏜床工作時，活塞環由專用夾具推入工作臺上面，工件通過夾具自動定位并夾緊，確定孔中心與鏜桿中心一致。刀具位置確定后，由Z方向導軌帶動鏜刀進給，Z向進給通過伺服電機帶動絲杠副實現。加工過程中，采用手動換刀方式。活塞環專用鏜床工作原理見圖2。

圖2 機床工作原理圖

3.3 傳動裝置

主傳動系統采用交換齒輪變速機構，全部變速結構和主軸組件集中裝在同一個箱體內，結構緊湊，便于實現集中操控。主傳動系統分別接通兩個電磁離合器，當左側電磁離合器吸合時，使齒輪2、3嚙合；當右側電磁離合器吸合時，使齒輪1、4嚙合。變速組的滑移齒輪布置在主軸上，為了避免同一滑移齒輪變速組內兩對齒輪同時嚙合，使兩個固定齒輪的間距大于滑移齒輪的總寬度，即留有一定的間隙（1-2mm)，且盡量縮小齒輪軸向排列尺寸。主傳動的開停裝置用離合器實現主軸的啟動和停止，制動裝置采用電機反接制動。

3.4 進給運動與伺服機構

在進給傳動系統中，由于齒輪比主傳動系統的齒輪單薄，消耗的功率相對較少。進給系統工作在恒扭矩區域，速度低，扭矩大，功率小。進給運動采用降速結構，以保證操作安全，同時獲得較大的扭矩，減少傳動誤差。各進給運動均由單獨的伺服電機驅動，大大縮短了傳動鏈，也減少了傳動件數目，有利于提高傳動精度，減少誤差，各執行件間的傳動比由數控系統來保證。由于機床需要同時控制雙軸的進給運動，所以系統只可采用開環控制系統。依據零件的加工質量要求，采取提高傳動鏈精度的方法來滿足機床加工精度的要求。機床共有主軸箱上下運動（Y1、Y2方向），立柱及主軸箱隨鏜刀的軸向進給運動（Z1、Z2方向），由于活塞環尺寸有一定變化，鏜桿伸出太長會影響加工精度，所以進給運動結構采用絲杠帶動主軸箱整體移動和雙螺母滾珠絲杠，以盡量消除間隙誤差。

由于伺服機構的性能決定著機床鏜孔的加工質量（尺寸精度和表面質量）、加工效率和可靠性。因此要求伺服機構要求具有高穩定性、高精度和高速度，以及足夠的輸出功率和較好的動態品質。數控裝置發出的進給脈沖信號，經放大后傳給伺服電機，帶動鏜刀或工作臺運動。

3.5 工裝夾具

鏜套采用固定式單面導向鏜套，即導向支架布置在刀具前面。鏜模支架用于安裝鏜套，保證活塞環孔系的位置精度，并可承受一定的切削力。

4 雙軸鏜床的特性與主要參數

機床采用日本NMB公司生產的DASEN R2F8000交流伺服數控系統。床鞍和下滑板均采用“貼塑導軌”，以提高導軌精度并延長使用壽命。主傳動采用變頻調速。機床進給由交流伺服電機通過一對齒形皮帶輪傳給滾動絲杠，帶動床鞍刀架運動。尾架裝有專用推料氣缸。主軸前端安裝夾具，后端安裝夾緊工件的氣缸，刀架安裝專用刀座，再放上專用鏜桿和成型刀具。如此即可實現精加工活塞環內孔各種型面。當自動循環結束時，通過電動機反接制動實現自動停車。

機床主要參數見表。

5 結論

本文設計的活塞環專用雙軸鏜床不僅具有高精度高柔性的特點，而且具有長期的精度保持性、穩定性及可靠性。通過使變頻電機驅動的主軸傳動系統和伺服電機驅動的進給系統相結合，得到最佳的進給量和切削速度。它解決了長期以來國內活塞環制造設備存在的速度不匹配、質量不穩定和效率低下的問題。同時本文所提出的設計方案既能滿足當前生產的需求，又能適應將來連桿向多品種、大批量生產發展的趨勢。針對國內數控機床功能部件的技術現狀，本設計方案也可為國內專用鏜床制造技術的發展提供一條具有實際意義的研究途徑。

活塞環專用雙軸鏜床主要參數表

[1]陳廉清，李占斌.雙面數控鏜床設計[J].組合機床與自動化加工技術,2000(11).

[2]朱谷民.變頻器在雙軸活塞環梯形面車床中的應用[J].機床電器,2000(01).

[3]霍蘇萍.臥式雙工位車軸加工數控鏜床設計[J].2014(07).