一種V型發動機曲軸箱挺桿孔加工專用機床設計的問題研究

陳 琳

（長江工程職業技術學院機械與電氣學院，湖北 武漢430212）

0 前言

近年來，我國制造業的發展取得了舉世矚目的成就，但是先進的制造水平與發達國家還存在一定的差距，尤其汽車制造業的發展更是落后，一些關鍵技術還有待提高[1]。發動機是汽車的心臟，而曲軸箱是發動機的基體。眾所周知，V型發動機曲軸箱挺桿孔數量多且加工困難，為了提高其加工精度和生產效率，需對曲軸箱挺桿孔加工專用機床設計若干關鍵技術問題進行研究。

1 挺桿孔的精度要求及工藝分析

1.1 精度要求

曲軸箱的結構如圖1所示，機體左右兩邊對稱，對稱中心線與左右兩面夾角為45°.圖1中A向視圖為其45°面，3個氣缸均布在每個面上，每個氣缸孔的兩側面配有兩個氣門挺桿孔，左右兩邊共有12個孔，挺桿孔中心線與45°面均相互垂直，其加工要求為孔深53 mm，孔徑尺寸精度為mm，垂直度要求為0.02 mm，圓柱度要求為0.015 mm，位置度要求為φ0.3 mm，孔表面粗糙度為Rz=25 μm，挺桿孔的上端面與45°面相距187 mm，同一氣缸孔兩側的挺桿孔距離為65 mm，相鄰氣缸孔同側的挺桿距離160 mm；以工作條件為每天八小時的工作制來計，箱體年生產量為5 500件。

圖1 V型發動機機體曲軸箱結構簡圖

1.2 曲軸箱的加工工藝方案的擬定

根據孔常用的加工方式及孔的加工精度要求，該挺桿孔的加工可以根據鉆、擴、鉸等方法特點進行[2]；鉆孔可以切除大量的材料，但加工精度和表面質量較差；擴孔是在鉆孔的基礎上進一步擴大鉆孔的直徑，可以作鉸孔前的預加工，以便提高加工精度，糾正孔的軸線偏差，此工序作為孔的半精加工；最后一道工序為鉸孔，因鉸刀比擴孔鉆的刀齒多，且導向性更好，因此在半精加工（擴孔）的基礎上對挺桿孔進行精加工，以保證加工質量。

根據上述分析，在此擬定了3種加工工藝方案：方案一是采用6個挺桿孔同時加工，要布置6把刀具，且這6把刀具要與挺桿孔的位置對應，鉆擴鉸工序的轉換通過一個三工位轉塔頭實現；方案二是考慮對同一氣缸孔兩側的兩個挺桿孔同時加工，加工完成后，通過工作臺帶動工件移動，轉換工位，再加工下一對孔；方案三的思路是機床配置可按方案一或二，但換刀不采用三工位轉塔頭，而直接用鉆擴鉸復合刀具，一次完成鉆擴鉸三個工序的加工。

比較以上幾種方案，方案一采用6個孔同時加工，切削負荷大，需要的切削力就很大，機床占地面積也較大。若采用方案三中的復合刀具加工，雖然可以極大地提高了生產率，保證了零件的位置精度，但復合刀具會加大刀具的懸伸量，刀具的長度比非復合刀具更長，在加工過程中刀具本身的質量難易保證，折斷的可能性就較大，換刀就會大大增加加工成本；同時，復合刀具制造困難，所以這里不易采用。方案二采用一次裝夾，工件固定不動，一個工序同時加工對稱的兩個挺桿孔，加工完成后換刀，進入下一道工充，這樣可對4缸、6缸、8缸乃至12缸的曲軸箱挺桿孔都可采用此加工工藝，這樣可以達到加工要求，又可以增加機床的利用價值，故本設計采用第二種加工工藝方案。

1.3 關鍵工藝

V型發動機曲軸箱結構形狀復雜，孔徑小、孔深尺寸大、數量多，同時精度要求也最高，加工困難，在加工過程中還是存在許多工藝關鍵問題，主要有：

（1）定位、夾緊問題

工件的定位和夾緊方式是根據其結構形式和加工要求來選擇的，分析圖1中曲軸箱的結構，可以采用一面兩銷來進行定位，一面”即圖1中的C面，它可以限制工件繞X軸、Y軸轉動和沿Z→方向的移動，“兩銷”指的是曲軸箱底面上相距為495 mm兩定位銷（如圖 2 所示），它限制了工件沿X→方向、Y→方向的移動及繞Z軸的轉動，6個自由度完全被限制，可以避免其它定位方式的重復定位，確保工件的加工精度。定位方式確定以后，再根據發動機曲軸箱的結構特點來選擇夾緊方式。從曲軸箱結構圖中可以看出，該缸體結構左右對稱，挺桿孔在45°箱體兩側面也左右對稱，因此可以在基面B上（如圖1）選擇液壓夾緊裝置來進行夾緊。

圖2 曲軸箱底部結構簡圖

（2）細長桿刀具剛性不足問題

由于加工孔的軸向尺寸比較深，那么鉆孔用麻花鉆的長度就比較大，細長刀具剛性不足所引起的軸線擺動問題不可忽視，它直接影響到孔的尺寸精度[3]，甚至在加工過程中會導致鉆頭折斷，因此必須考慮刀具剛性不足問題。

（3）導向問題

考慮到鉆擴鉸刀桿細長，加工過程中可能出現易引偏孔向，為了保證刀具對工件正確的加工位置、滿足加工精度、提高工作效率和延長使用壽命，合理的選擇恰當的導向裝置十分重要。

2 夾具裝配圖的繪制

2.1 夾具方案

考慮解決上述的定位問題、加工精度問題、導向問題和刀桿剛性不足問題等，夾具結構裝配圖方案如圖3所示，工件在夾具體采用一面兩銷定位，一次裝夾后完成三個工位的加工。需要說明的是，在環7與活塞桿間加裝一個彈簧8是為了防止壓板壓緊和移動配合間的可能存在的干涉情況；加工完成后，活塞桿下降，液壓缸下端出油上端進油，壓板退回，即可完成夾具的可靠定位夾緊，同時方便工件裝卸。夾具中，兩定位銷和壓緊機構聯動，在整個工序中，工件相對于夾具體的位置是固定的，采用專用夾具，避免了使用多套夾具重復定位帶來的加工誤差。

圖3 夾具裝配圖

2.2 工作循環的設計

機床自動工作循環如圖4所示，在Ⅰ工位將工件夾緊→工作臺帶動工件移動至Ⅱ工位進行兩挺桿孔加工→鉆孔（左右數控滑臺）開始第一次工作循環：快進→工進→快退→鉆模板退回→轉塔頭旋轉120°換擴孔鉆→擴孔（左右數控滑臺）開始第二次工作循環：快進→工進→快退→鉆模板退回→轉塔頭旋轉120°換鉸刀→鉸孔（左右數控滑臺）開始第三次工作循環：快進→工進→快退→鉆模板退回→數控工作臺移動至Ⅲ工位，這樣就完成了兩個孔的加孔，按照這樣的循環規律，再進行下一道工序，至此完成所有挺桿孔的加工，工作臺退回，液壓夾緊裝置松開，定位銷退回，卸下工件，循環終止。

圖4 機床自動循環圖

3 結語

本文結合曲軸箱挺桿孔的結構特點，擬定了加工工藝方案，并對曲軸箱挺桿孔加工專用機床設計若干關鍵技術問題進行了分析研究，完成了該數控機床的夾具裝配設計，制定了機床工作循環圖，這種設計不僅可以提高曲軸箱挺桿孔的加工精度，同時還能提高工作效率，這樣便可以給企業帶來更大的經濟效益，可以進一步提升我國汽車制造業在國際上的競爭力，有很高的實用價值。