發(fā)動(dòng)機(jī)缸體臥式銑削組合機(jī)床設(shè)計(jì)

劉媛君，馬耀威,楊 鵬

(1.清研先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)研究院(洛陽(yáng))有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003；2.洛陽(yáng)蘭迪玻璃機(jī)器股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000；3.中航鋰電(洛陽(yáng))有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體是柴油機(jī)最重要的零件，它是缸蓋、曲軸連桿、活塞、凸輪軸等運(yùn)動(dòng)部件的安裝基礎(chǔ)。該臥式單面銑削組合機(jī)床是工內(nèi)容是粗銑半精銑發(fā)動(dòng)機(jī)缸體頂面，是發(fā)動(dòng)機(jī)缸體生產(chǎn)線上的第二道加工工序。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體頂面是發(fā)動(dòng)機(jī)缸體生產(chǎn)線中的重要定位基準(zhǔn)，頂面的加工精度是后道工序機(jī)床加工精度得以保證的基礎(chǔ)。

在柴油機(jī)生產(chǎn)線上粗拔毛坯的切削量通常較大，對(duì)設(shè)備的加工能力也有很大的要求，進(jìn)而我司通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研發(fā)，針對(duì)三缸、四缸和六缸柴油機(jī)缸體開發(fā)了小、中、大三個(gè)系列的強(qiáng)力銑削專用機(jī)床。本機(jī)床針對(duì)六缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體設(shè)計(jì)。

1 機(jī)床主要參數(shù)

1.1 被加工零件主要參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體名稱：六缸直線型缸體，共3種產(chǎn)品的缸體。

材料牌號(hào)：HT250；

工件外形尺寸：979 mm×356 mm×363.5 mm；

工件硬度：HB170～241；

成品重量：300 kg；

生產(chǎn)節(jié)拍：4.6 min/件。

該專用機(jī)床的加工內(nèi)容為粗銑半精銑頂面，是為其他工序提供定位基準(zhǔn)，由于生產(chǎn)線的輸送形式的需要，在本工序前，工件左側(cè)面已經(jīng)銑削加工出夾具及抬起步伐輸送定位面，左側(cè)面上定位用4個(gè)水堵孔和輸送定位用孔已加工完成。該專用機(jī)床的加工內(nèi)容為粗銑半精銑頂面，加工余量為4.5 mm。

柴油機(jī)缸體生產(chǎn)線上粗銑半精銑頂面的尺寸精度如圖1所示。

(a) 主視圖

(b) 俯視圖

(c) 向視圖圖1 被加工零件加工工序圖

1.2 主要參數(shù)

機(jī)床銑削頭電機(jī)功率為30 kW變頻電機(jī)，銑削頭平移滑臺(tái)電機(jī)為2 kW伺服電機(jī)。粗銑銑削速度V=150 m/min,進(jìn)給速度1000 mm/min；半精銑削速度V=160 m/min,進(jìn)給速度740 mm/min。

粗銑銑削參數(shù)：

主軸轉(zhuǎn)速：n=119 r/min；

每齒進(jìn)給量：St=0.17 mm/r；

每分進(jìn)給量：SM=1 011.5 mm/min。

半精銑銑削參數(shù)：

主軸轉(zhuǎn)速：n=127 r/min；

每齒進(jìn)給量：St=0.11 mm/r；

每分進(jìn)給量：SM=698.5 mm/min。

被加工零件粗銑半精銑加工示意圖如圖2所示。

圖2 被加工零件粗銑半精銑加工示意圖

1.3 機(jī)床工作動(dòng)作循環(huán)

加工示意圖如圖3所示。初始狀態(tài)機(jī)床銑削頭平移滑臺(tái)在工件右側(cè)：

輸送上料—夾具夾緊并自鎖—銑削頭Ⅰ快進(jìn)15 mm，銑削頭Ⅱ原位—銑削頭鎖緊—銑削滑臺(tái)一攻進(jìn)1200 mm—銑削頭Ⅰ快退15 mm，銑削頭Ⅱ快進(jìn)15 mm—銑削滑臺(tái)二攻進(jìn)1400 mm—銑削頭Ⅰ原位，銑削頭Ⅱ快退15 mm—夾具自鎖撤回并放松—銑削滑臺(tái)快退1200 mm—機(jī)床沖屑、刀具冷卻—輸送下料。

圖3 銑削頭Ⅰ和銑頭Ⅱ銜接加工示意圖

2 機(jī)床方案

機(jī)床總圖如圖4所示。此柴油機(jī)缸體生產(chǎn)線的年產(chǎn)量4萬(wàn)臺(tái)和生產(chǎn)節(jié)拍4.6 min/件，及合格率99.9%以上的生產(chǎn)要求。

(a) 主視圖

(b) 左視圖

3 組合機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 整機(jī)

該組合機(jī)床是一臺(tái)數(shù)控專用機(jī)床，工件一次裝夾、銑削頭一次進(jìn)給、銑削滑臺(tái)一次平移完成發(fā)動(dòng)機(jī)缸體頂面4.5 mm余量的銑削加工。避免多次進(jìn)給切削的生產(chǎn)效率低下的問(wèn)題，具有高功率、高效率、強(qiáng)力銑削的特點(diǎn)。

3.2 設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 銑削頭

銑削頭是我們?cè)谖鞯禄姐娤黝^的基礎(chǔ)上研發(fā)的強(qiáng)力銑削頭，傳動(dòng)裝置采用同步齒形帶傳動(dòng)，銑削頭內(nèi)部采用齒輪傳動(dòng)，銑削頭可匹配的電機(jī)功率范圍為7.5～75 kW。臥式系列銑削頭分為自動(dòng)讓刀型和手動(dòng)調(diào)整型兩種系列。該組合機(jī)床根據(jù)加工內(nèi)容選用30 kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)讓刀系列。

自動(dòng)讓刀型銑削頭由滑座、傳動(dòng)系統(tǒng)、擋鐵、主軸、油缸和控制裝置等部分組成，滑座為雙矩形導(dǎo)軌，銑削頭主軸箱與滑臺(tái)體為一體，為了消除滑座與滑臺(tái)壓板之間在銑削加工時(shí)的間隙，銑削頭配有液壓控制的鎖緊壓板，鎖緊后可以減少洗削時(shí)的振動(dòng)，提高了銑削頭的剛度。銑頭通過(guò)裝在滑座兩側(cè)面的油缸，實(shí)現(xiàn)讓刀運(yùn)動(dòng)或二次進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。讓刀運(yùn)動(dòng)的最大行程為270 mm，銑削頭移動(dòng)速度由銑削滑臺(tái)移動(dòng)速度控制。銑削頭各傳動(dòng)件的連接為彈性漲緊無(wú)間隙聯(lián)接。

其中，銑削頭Ⅰ加工內(nèi)容粗銑頂面，銑削頭Ⅱ加工內(nèi)容為半精銑頂面，兩個(gè)銑削頭加工內(nèi)容和精度要求不同；因此銑削頭Ⅰ采用普通級(jí)國(guó)產(chǎn)軸承，銑削頭Ⅱ?yàn)榫芗?jí)采用進(jìn)口NSK軸承。

3.2.2 銑削頭進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的自鎖結(jié)構(gòu)

銑削進(jìn)給滑臺(tái)是本設(shè)備的關(guān)鍵部件，既要承受大吃刀量切削時(shí)產(chǎn)生的反作用力，又要嚴(yán)格自鎖，且自鎖要保證密封性。因此具有高剛性、自鎖能力強(qiáng)、密封性能好的特點(diǎn)：設(shè)計(jì)時(shí)采用以下措施：銑削進(jìn)給滑臺(tái)滑鞍對(duì)應(yīng)導(dǎo)軌接觸的下表面均勻分布著液壓柱塞且內(nèi)部設(shè)有液壓內(nèi)部油道，左右側(cè)壓板均設(shè)有內(nèi)部油道，且外部液壓鎖緊管路串聯(lián)接通。液壓自鎖結(jié)構(gòu)如圖5～圖7所示。

圖5 液壓鎖緊結(jié)構(gòu)圖

圖6 內(nèi)部油道局部仰視圖

圖7 外部液壓管路圖

3.2.3 專用夾具

夾具內(nèi)部為抬起步伐輸送留有動(dòng)作空間，抬起步伐輸送自動(dòng)完成工件的上下料。工件到位后—定位面自動(dòng)沖水—抬起步伐落下工件依靠自重落下插銷定位—底面消隙油缸上—夾具中間夾緊輕壓下—左側(cè)面輔支上—夾具兩端夾緊下—中間夾緊加壓—夾具夾緊自鎖上—底面輔支上—前端面抱緊油缸上—定位面氣檢合格；加工完成后，底面消隙油缸撤—前端面抱緊撤—夾緊自鎖撤—中間夾緊放松—兩端夾緊放松—輔支下延時(shí)，抬起步伐下料—夾具沖屑停—進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

圖8 夾具結(jié)構(gòu)圖

夾具設(shè)計(jì)時(shí)考慮加工前的定位面吹屑和加工時(shí)的定位面氣檢，前者保證定位面清潔，后者確保工件定位準(zhǔn)確。夾具壓緊油缸有自鎖結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)夾具中設(shè)置底面輔助支撐、左面輔助支撐和底面消隙油缸，有效地避免工件在銑削加工時(shí)反作用力產(chǎn)生的震動(dòng)，進(jìn)而保證工件的加工精度。

3.2.4 附件

除了以上主要部件，我們還設(shè)計(jì)了以下附件輔助機(jī)床加工生產(chǎn)。設(shè)計(jì)了自動(dòng)潤(rùn)滑裝置，增加設(shè)備使用壽命；設(shè)計(jì)了油霧吸塵裝置進(jìn)行加工除塵處理；設(shè)計(jì)了自動(dòng)排屑裝置為設(shè)備清理鐵屑；設(shè)計(jì)了機(jī)床外包隔離加工區(qū)域和人工操作區(qū)域；設(shè)計(jì)了空中走線隔離管線路和冷卻液；設(shè)計(jì)了操作臺(tái)方便人工操作機(jī)床。

4 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的銑削加工采用一個(gè)銑削頭多次進(jìn)給加工的方式，加工精度和效率難以滿足大批量生產(chǎn)的需求。通過(guò)分析發(fā)動(dòng)機(jī)缸體自動(dòng)加工生產(chǎn)線的整個(gè)生產(chǎn)工藝并結(jié)合多年生產(chǎn)線工藝規(guī)劃經(jīng)驗(yàn)，確定了本臺(tái)臥式單面銑削組合機(jī)床的整體方案，將此序工序在本臺(tái)機(jī)床上通過(guò)設(shè)置兩個(gè)銑削頭分為粗加工和半精加工，經(jīng)過(guò)實(shí)際加工驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體頂面的平面度達(dá)到0.05 mm，精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)客戶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的0.1 mm。本文所設(shè)計(jì)的組合機(jī)床剛性可靠，加工精度穩(wěn)定，大大調(diào)高了發(fā)動(dòng)機(jī)缸體粗加工的生產(chǎn)效率，為相關(guān)大余量工件粗加工和半精加工提供可以直接借鑒的經(jīng)驗(yàn)。