氣缸體缸蓋結合面立軸銑磨專用機床的設計研究

龐應周

1.西安職業技術學院實習工廠，陜西西安 710032

2.西安專用機床廠，陜西西安 710032

氣缸體缸蓋結合面立軸銑磨專用機床的設計研究

龐應周1，2

1.西安職業技術學院實習工廠，陜西西安 710032

2.西安專用機床廠，陜西西安 710032

本文論述用于發動機氣缸體與缸蓋結合面維修加工的立軸銑磨專用機床設計開發背景及關鍵技術，并針對不同材質、結構形式氣缸體與缸蓋結合面維修加工方式及工裝刀具等方面進行了探討和分析，提出改善及提高其維修加工精度、效率的途徑。

氣缸體缸蓋結合面；維修加工；專用機床；設計開發；關鍵技術

1 設計開發背景

缸體是發動機的基礎零件，缸蓋是發動機的主要零件之一。為保證缸體缸蓋結合面以及缸墊的可靠耐久密封，對發動機缸體缸蓋結合面的粗糙度、平面度、波紋度甚至紋理都應有嚴格要求。

傳統的維修技術和裝備已雖然能滿足粗糙度和平面度的基本要求，但效率低，且加工紋理和波紋度的不能滿足新型發動機的缸體、缸蓋結合面修復加工質量要求，因而與之緊密相關的發動機維修設備應進行提升和改進，以確保修復加工質量。

下面對用立軸矩臺銑磨床和臥軸矩臺平面磨床兩種不同方法加工出來的缸體缸蓋表面在發動機工作中的影響進行分析：

1）從宏觀表面來看，二者在平面度和粗糙度方面的加工效果都很好，均能達到技術要求；

2）在微觀上有很大的不同。

立軸矩臺銑、磨床產生的是菱形網紋，縱向和橫向均為很淺的波紋斷面，密封性能可靠。而臥軸矩臺磨床磨削出的是同一方向由尖銳沙粒劃出的斷續V形斷續槽即直紋，會使缸墊在這一方向摩擦阻力較小，在發動機工作中，缸內的高頻次交變的巨大的溫差和壓差作用下的水汽、二氧化碳進入這些底部尖銳的V形直紋槽中，易產生微觀變形、腐蝕或因應力，其影響惡劣，是缸墊故障的主要原因。

采用立軸端面銑或端面磨工藝加工的表面則可以極大地克服這些弊端，減少故障率，延長發動機的使用壽命，還具有如下優點：

1）端面銑、磨削加工提高了加工效率，φ510 mm刀盤一次切出，生產效率為臥軸精磨的3～5倍，加工表面為完整網狀刀紋，無接刀痕，產品美觀，可實現高效加工。

2）缸體與缸蓋多用灰鑄鐵或鋁合金鑄造，隨著發動機技術的發展，全鋁發動機已經在大量的車型上被采用。以鑄鐵發動機為主要對象的臥軸磨削方式應用面將逐漸減少，以端面銑削為主，銑、磨兼顧的維修方式將逐漸成為主流。

基于以上幾個方面，采用新型的立軸端銑或端磨方式來實現缸蓋、缸體平面的修復加工勢在必行。我廠3M9750機床的開發即是應國內外市場的需求而設計的。

2 發動機缸體、缸蓋平面維修加工的具體要求

發動機缸體、缸蓋的平面度≤0.04mm，表面粗糙度Ra1.6μm；波紋間距≥1.9mm，波紋高度25～51 μm；紋理為網紋，材料分為鋁合金及灰鑄鐵兩種。

3 機床設計中的關鍵技術

3.1 機床整機

圖1為機床外觀圖。機床采用立軸結構，液壓工作臺，主軸箱體沿立柱導軌垂直升降、主軸套筒手動垂直進給，均設置鎖緊機構，可以避免加工時產生的不利振動。采用立磨砂瓦刀盤，磨削效率高；在刀盤外側裝夾銑刀后，又可以方便進行銑削加工，擴大了機床加工能力。

圖1 機床外觀圖

3.2 機床關鍵部件的設計

3.2.1 變頻調速主軸

主軸的前端支承采用“背靠背”圓錐磙子軸承組合，可以同時承受很大的軸向力和徑向力；主軸的后端支承采用雙排圓柱磙子軸承，增強了主軸遠端支承剛度及抗振性。

在設計中，通過優化主軸結構，合理制定軸承配合部位的配合公差要求；主軸套筒與主軸箱體定位孔以小間隙配合，移動范圍20mm，在上下端配合部位設置徑向雙夾緊機構，保證可靠鎖緊，實現主軸的高剛性，提高了抵抗切削外力影響的能力。主軸前端與刀盤結合錐面（錐度1：5）的端面跳動不大于0.005mm，徑向跳動不大于0.015 mm。

3.2.2 基礎大件的設計

機床基礎大件含床身、立柱、主軸箱、工作臺等，在借鑒國內先進機床廠家（如陜西機床廠、漢川機床廠等）大結構件設計經驗的基礎上，利用三維設計，對重要基礎件進行優化設計，合理設置基礎件導軌跨距及導軌結合面的寬度、長度，在主要受力方向增加基礎件寬度及合理布筋，既保證了加工時機床的整體剛性，又控制了重要基礎件鑄件的總重量。

3.2.3 加工高度的調整方式

為了可以適應于不同的工件高度，主軸箱體由減速電機拖動絲杠螺母實現大范圍快速升降調節，每次下降結束后，箱體有一微量回升，改變螺母間隙方向，確保在磨（銑）過程中主軸箱不會產生意外下滑而出現軋刀；刀盤的垂直精細進給則由箱體側面的轉動手輪調節，手輪轉動一格的進給量約為0.02mm，在高度方面可實現微量調整，操作方便。同時為保證加工時的高剛性，在粗調整后將主軸箱位置固定，在精進給調整后將主軸套筒位置固定。這樣既可以調整，加工時又可以固定。

3.2.4 液壓工作臺

工作臺運動采用液壓無級調速，運動平穩，又可方便獲得合理的進給速度。通過調整機械行程撞塊，可方便控制運動行程的位置及大小。

3.2.5 冷卻方式

磨頭冷卻采用環狀噴淋方式，冷卻充分，能有效減小磨削熱變形，保證磨削精度，提高磨削效率。

3.2.6 跟隨式找正裝置

由于氣缸體及氣缸蓋修理加工量比較小，一般在0.2～0.3mm，為此設計了跟隨式找正裝置，在刀盤外側可安裝找正表架，可方便檢查工件的變形量，幫助操作工確定進刀深度，操作方便。

3.2.7 砂輪修整器

平整鋒利的砂瓦可以極大提高加工質量，減少在磨削中產生的熱量，提高修磨工效。為此設計了砂輪修整器，在刀盤護罩外部安裝可安，可方便砂瓦端面的修正。

3.3 刀盤結構與切削工藝參數

3.3.1 刀盤結構

本機床設計了高剛性端磨砂瓦刀盤，刀盤外側設置端面銑刀安裝槽，刀盤定位安裝孔錐度為1：5，與主軸前端外錐面可靠固定，刀具的軸端伸出量大大縮短，加工時受力更為合理，剛性高，便于加工精度的保證。刀盤直徑φ510 mm，刀具直徑可以覆蓋整個缸蓋的寬度，由于主軸及基礎件的高剛性設計，加工時可以一刀加工，直接加工出所需加工平面，而不會產生振動。

3.3.2 切削工藝參數的合理設置

在切削時，通過切削工藝參數的合理選用，可達到所要求的平面度和粗糙度。

1）銑削鋁合金缸體缸蓋結合面

粗銑進給量0.2～0.5mm；精銑0.02～0.05mm；主軸轉速（400～500r/min為宜），粗銑工作臺進給速度100～150mm/min；精銑50～100 mm/min。

2）銑削鑄鐵缸體缸蓋結合面

采用硬質合金銑刀銑削時，粗銑進給量0.2～0.3mm；精銑0.02～0.05mm；主軸轉速150～180 r/min，工作臺進給速度40～60mm/ min。

采用立方氮化硼銑刀銑削缸蓋時，粗銑進給量0.2～0.3mm；精銑進給0.02～0.05mm；主軸轉速300～400 r/min，工作臺進給速度80～100 mm/min。

3）磨削鑄鐵缸體缸蓋結合面

磨削操作前，需先拆除砂瓦盤上的銑刀，并應借助百分表精確控制垂直進給量。

進給量（粗磨0.03～0.05mm；精磨0.01～0.02mm），主軸轉速900～1000r/min，工作臺移動速度200～300mm/min。

4 加工效果

加工長度1 500mm、寬度500mm、牌號HT250的鑄鐵試件，菱形刀紋清晰可辨，其平面度可達0.02 mm，表面粗糙度和波紋度符合維修加工要求。

5 適合加工的工件范圍

本機床適合加工的工件范圍為：長度≤1500 mm，寬度≤500 mm，高度≤800 mm。

6 結論

本發動機缸蓋缸體立軸銑磨床于2008年3月樣機研制成功，8月小批生產并銷往巴基斯坦用戶，用于修理的軍用運輸車輛及坦克發動機缸體、缸蓋平面的精銑、精磨加工，精度穩定，性能可靠，效率高，受到客戶好評。

該機型能替代傳統汽車工業發動機維修企業所用的磨床和銑床，一機多能，適應范圍廣，可實現高效加工，操作維護簡便，并滿足新型高等級發動機缸體缸蓋平面修理要求，填補市場空白，滿足用戶需求。

[1]王英軍，龐應周，等.中華人民共和國交通行業標準JT/ T636-2005.立軸缸體缸蓋平面磨床[S].

[2]于秀文，傅文范.中外汽車維修數據手冊[M].機械工業出版社，1998.

[3]孟少農.機械加工工藝手冊[M].機械工業出版社，1991.

TG58

A

1674-6708（2010）24-0055-02

龐應周，工程師，工作單位：西安職業技術學院實習工廠（西安專用機床廠），研究方向：專用機床總體及關鍵功能部件的設計及研制