V型發動機缸體主軸孔兩側面銑削專用機床設計

吳 勝 劉振東

（江蘇高精機電裝備有限公司，江蘇鹽城224000）

0 引言

V型發動機常用于工程機械、發電機組等領域。隨著“一帶一路”的發展，基礎建設的擴大，V型發動機市場需求旺盛。缸體是V型發動機關鍵零部件之一，應重慶某發動機缸體制造商需求設計、制造一臺專用機床，用于V型缸體主軸孔兩側面銑削加工。

1 缸體主要結構及參數

缸體是V型發動機核心零部件，是發動機基礎平臺，主要結構參數及材料如表1所示，專機加工部位如圖1所示。

表1 主要結構參數及材料

圖1 專機加工部位

2 缸體加工工藝及參數選擇

2.1 缸體主軸孔側面加工工藝

V20型缸體缸總長達3 m左右，主軸孔側面銑削傳統上由龍門加工中心采用插補加工，或用角度銑頭加工。本專機用大直徑端面銑刀加工，一次切削深度5 mm左右。

2.2 切削參數選擇

切削深度ap=5 mm，切削面寬B=400 mm；刀盤直徑D=425 mm（受缸體結構所限），刀齒數Z=32；切削速度V=100m/min，n=75 r/min；進給速度S工=384 mm/min，Sz=5.12 mm/r。

2.3 設計計算

辛辛那提經驗公式：

式中，P為切削功率（kW）；α為根據刀具和工件材料確定的系數，HT250取值為1；S工為機床工作臺每分鐘工進速度（mm/min）；ap、B為切削深度（mm）和切削寬度（mm）。

根據公式（1），切削功率P=13.2 kW。

切削扭矩：

根據公式（2），扭矩M=1 680.8 N·m。

3 機床總體結構及主要部件設計

3.1 機床結構描述

如圖2所示，機床為立式單面多工位結構，主工作臺側面配置兩套加工單元，每套加工單元主軸設計為雙輸出結構，主軸左右分別裝端面銑刀一只，用于對不同刀具直徑要求的側面加工，雙輸出銑頭裝在立式伺服滑臺上，由伺服滑臺上下運動實現切削加工。主工作臺臺面配液壓夾具，如加工面余量太大，每個面可分刀切削，加工余量分配由主工作臺移位實現。主工作臺配海德漢光柵尺，保證加工面到定位基準之間距離精度要求。

圖2 機床總體結構及主要部件圖

3.2 專用銑削頭

缸體相鄰主軸孔兩側間距200 mm左右，受該條件約束，角度銑頭或玉米銑刀剛性不足，一般情況下采用角度銑頭加工每次切削深度1 mm，切深加大，銑頭振動，加工無法進行。本機床采用結構如圖3所示主軸箱，主軸箱中間開設半圓環槽以避開中間檔主軸孔，主軸箱（主軸）長度可比角度頭厚2倍，主軸剛性增加，機床切削能力大增。

圖3 專用主軸箱

設計切削深度5 mm，功率P=13.2 kW，扭矩M=1680.8 N·m，類比通用部件銑削頭選用不小于1TX50（22 kW）銑頭，主軸直徑大端160 mm，小端110 mm，采用NSK圓錐滾子軸承支承。減速機構采用齒輪+同步帶輪傳動。主軸電機選用三相異步變頻電機驅動，電機YXVF200L2-6，額定功率22 kW，恒轉矩調頻范圍5～50 Hz，恒功率調頻范圍50～100 Hz。

工頻轉速n=75r/min，設計變速范圍n=55～120r/min；其中，55～75 r/min時主軸恒轉矩，75～120 r/min時主軸恒功率。在設計變速范圍內主軸功率及轉矩能滿足切削功率、轉矩要求。

3.3 主工作臺

專用伺服工作臺，采用滾柱式直線導軌，滾珠絲桿傳動，伺服電機驅動；配海德漢光柵尺。工作臺承載能力強，運動精度高，工作臺重復定位精度0.01 mm，定位精度0.02。

3.4 數控滑臺（裝在立柱上）

以組合機床通用部件HJ63/400滑臺為基礎改制，導軌為鑄鐵硬軌，滑臺下導軌超音頻焠火，上導軌貼塑。導軌配油潤滑；滾珠絲桿傳動、伺服電機驅動，具有剛性好、精度高、傳動平穩、抗震性強的優點。

3.5 機床立柱

設計以經驗類比設計為主，選用優質鑄鐵件，立柱為箱式結構，內部布置加強筋，剛性好、強度高、抗震性強。

3.6 刀具

硬質合金端銑刀；大刀盤：φ425，Z=32；小刀盤：φ280，Z=16；兩面刃銑刀。

3.7 機床電氣

選用FANUC-0iMF數控系統控制；普通電氣元件采用施耐德品牌，電氣元件符合IEC國際電工委員會標準；獨立控制柜，電氣柜設電柜空調器。

4 機床工作的循環

吊裝上料—定位側推、端面推—夾緊—工作臺快移—1號立式滑臺快進—工進—銑頭左側三面刃銑刀加工缸體右端第一內檔（φ280）、加工分三刀切削，余量以主工作臺移動實現—主工作臺快進—2號立式滑臺快進—工進銑頭左側銑刀加工缸體右端第二內檔（φ425）、加工分三刀切削，余量以主工作臺移動實現—依次加工七個開檔右側面—工作臺快進—2號立式滑臺快進—工進—銑頭右側三面刃銑刀加工缸體左端第一內檔（φ280）、加工分三刀切削，余量以工作臺移動實現—工作臺快退—1號立式滑臺快進—工進—銑頭右側銑刀加工缸體左端第二內檔（φ425）、加工分三刀切削，余量以工作臺移動實現—依次加工七個開檔左側面—工作臺快退—夾緊松開—吊裝下料。缸體兩側端面生產節拍為35 min/件。

5 結語

V型發動機缸體主軸孔兩側面銑削專用機床設計中，對主軸箱及主軸的特殊優化設計，保證了主軸箱、主軸的剛性，加工的通過性；主軸兩端分別裝不同徑刀具，從而實現了主軸孔側面大余量切削加工，不同刀徑要求的一次性切削，相比通用龍門加工中心生產效率提高了4倍。雖是銑加工主軸孔側面專用機床，但也具備通用性，當加工能力富余時可加工類似產品。該專用機床購置成本約為龍門機床的80%。

機床的成功設計、制造不僅提高了效率，節約了采購成本，而且實現了多種產品加工，是一臺經濟高效的專用設備。隨著大規格V型發動機需求增加，該產品具有較廣的市場前景。