數控隨動曲軸/凸輪軸外銑機床的設計研究

牛福林

(青海第二機床制造有限責任公司，青海西寧810021)

曲軸/凸輪軸是發動機中最重要的零件，屬于軸類零件中難加工的工件，它的加工工藝直接影響發動機的使用壽命和工作的穩定性。通常加工曲軸連桿頸時，由于連桿頸的偏心，一般加工的方法是將夾持曲軸工件的卡盤做成偏心卡盤，將連桿頸的軸心線調到與機床車頭主軸回轉軸線重復，再用車序或銑序的加工方式加工。但由于曲軸是多品種小批量的工件，所以加工不同品種的曲軸時，如果使用上述方法調整機床不光會增加勞動成本，而且加工的效率又很低。而數控隨動曲軸外銑機床解決了這一難題，它不用調節夾持卡盤的偏心，即可滿足曲軸多種類間更換，即既縮短了加工節拍，又滿足了工件要求的高精度、高效率、高穩定性。

1 機床的加工特點

數控隨動曲軸外銑床:適合多品種小批量的加工，適應性很強；利用成型刀盤切削，生產效率高；能夠適應數控流水線加工，降低勞動強度，節約成本；高智能化，精度高，質量穩定；既可滿足單機生產使用，又能配合自動線上其他曲軸加工機床以及與桁架機械手組成的曲軸生產線，適用范圍廣。

2 機床的整體布局與組成

機床由雙銑頭單元或單銑頭單元、雙車頭主軸單元、自動隨動自定心中心架、液壓系統、潤滑系統、冷卻系統、除塵裝置、全封閉整體防護、排屑裝置、氣動系統和發那科數控系統等組成。機床通過開發的專用軟件，實現自動線或單機生產曲軸/凸輪軸的加工。

機床各坐標軸如下:

C1軸、C2軸:車頭主軸旋轉

X軸:刀盤徑向移動

Z軸:銑頭箱軸向移動

V軸:隨動中心架軸向移動

主機結構如圖1所示。

3 機床加工方式

機床通過雙車頭(C軸)同步驅動和銑頭單元(X軸)橫向繞工件連桿頸軸心隨動插補切削。車頭單元帶動工件旋轉一周，銑頭單元帶動大刀盤隨動切削一個工件連桿頸外圓、平衡塊兩側腹板、沉溝槽或主軸頸外圓、平衡塊兩側腹板。

4 機床的結構特點

針對曲軸和凸輪軸是軸類最難加工的工件，根據外銑機床加工工藝特點，對機床床身設計了采用45°斜導軌結構，內部筋板布置合理，具有高的抗彎和抗扭剛度，機床穩定性和抗振性好，床身導軌和底座為整體結構，全部采用矩形導軌，導軌跨距大，淬硬并精磨，剛性好，精度高，耐磨性好。

床身前導軌兩端分別放置左、右車頭單元，左、右溜板位于床身后導軌，其上分別放置左、右銑頭單元。因曲軸(凸輪軸)屬細長軸類，同時又有相位要求，因此工件主軸采用雙驅動同步旋轉，防止工件扭曲變形。在左、右車頭箱之間，放置液壓自定心中心架，中心架可防止切削時工件的振動和彎曲變形。

機床的銑頭單元主軸前后端采用日本精密高速雙列圓錐滾子軸承，由液壓消隙斜齒輪傳動和大功率變頻電動機帶動，刀盤線速度可達到270 m/min，滿足高速切削、高精度切削、強力切削的要求。

左、右車頭單元的主軸由大扭矩交流伺服電動機驅動；前后軸承都采用滑動軸承，軸向力由前端的推力軸承來承受，剛性好，承載能力強，調整方便。左、右車頭單元各配備了一套專用卡盤和雙活塞回轉油缸、軸向定位裝置以及曲軸/凸輪軸的角向定位裝置。

機床前端安裝有排屑器，便于切屑的排出，也便于日后維修。

5 機床專用附件的設計

機床能夠高效率、高精度、高穩定性，必須要有穩定可靠的附件。

該機床配備了專用高剛性動力卡盤、高剛性卡爪、高精度浮動頂尖，它們集成在一起安裝在車頭單元前端。并設計雙活塞液壓回轉油缸，用于卡盤的夾緊和放松，同時保證頂尖的頂緊和放松，保證卡盤能夠自動可靠地夾緊工件。

自動隨動液壓自定心中心架，通過編程驅動可以夾緊曲軸/凸輪軸工件的不同主軸頸，在切削時輔助支撐工件，使工件的剛性增強。

銑刀盤定制美國和德國制造的專用大直徑銑刀盤。刀盤上安裝特制的模塊刀夾，互換性高；每個刀座上裝有銑削側面和外圓的特制刀片，可根據工件定制。

機床還配備了冷風潤滑冷卻系統，此系統通過零下20℃的冷風和微量切削液，使刀具的刀片使用壽命延長、加工質量穩定、單位時間金屬切除率增加和工件溫升降低，變形量減小，工件表面粗糙度Ra值小且變化不大。

機床帶有自動空氣吹屑功能。此功能能夠將切削堆積的切屑排到排屑器中。

機床配備靜電吸霧裝置，將機床加工時產生的煙霧和粉塵處理干凈，此系統使環境更加環保。

機床床身與水平面成45°斜面，銑頭單元裝有配重裝置，以平衡銑頭單元的自重，消除銑頭單元上下移動時的不均勻。同時橫向運動交流伺服電動機采用帶制動裝置的伺服電動機，防止銑頭單元因自重引起下滑，提高機床的定位精度和重復定位精度。

機床帶有自動潤滑系統，可保證各軸絲杠和軸承的潤滑。主軸軸承采用獨立的帶報警流量監控裝置，確定各潤滑點能夠自動潤滑。

液壓系統設計，為機床的雙動力卡盤和浮動頂尖以及銑頭單元的配重提供動力。

機床采用全封閉的整體防護，避免切屑的外泄和噪音的傳播，為加工車間創造更好的工作環境。防護門通過氣動控制，能夠自動開合。防護罩上還增加了檢修防護門，方便了日后的檢修工作。

6 結語

數控隨動曲軸/凸輪軸外銑機床適用于200～1 300 mm曲軸/凸輪軸的加工，該款機床填補了國內曲軸和凸輪軸加工領域的空白，機床高效環保、技術性能屬于國際前沿。目前該機床有30多臺已在并交付用戶實現生產使用，效果良好，加工技術得到了用戶認可，同時也為我國曲軸/凸輪軸加工行業提供了先進高效的工藝裝備。