發動機缸體三軸鏜組合機床的設計*

周江輝，趙　鑫，謝　哲，李　瑾

(大連華根機械有限公司 智能制造研究所，遼寧 大連　116022)

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發動機缸體三軸鏜組合機床的設計*

周江輝，趙鑫，謝哲，李瑾

(大連華根機械有限公司 智能制造研究所，遼寧 大連116022)

摘要：文章針對汽車發動機缸體三軸鏜組合機床加工精度提高的要求，在現有產品和技術的基礎上，進行三軸鏜組合機床設計的研究。對機床的整體布局方法進行介紹，著重對數控機械滑臺、夾具等關鍵部件的結構改進和創新以及功能性進行說明，同時對產品的刀具特點、機械手的輸送和機床的環境保護方面進行關注。三軸鏜組合機床的成功設計，促進我國汽車發動機缸體關鍵工序加工國產化的進程，以此為基礎的組合機床產品還在國家重大專項中獲得應用。

關鍵詞：缸體；精鏜三軸孔；組合機床

0引言

2009年，我國超越美國和日本成為世界第一大汽車生產國和最大的汽車市場，但是我國還并非汽車生產強國，尤其在關鍵零部件和關鍵工序的加工設備方面與國外有較大差距。缸體是發動機的本體，是最重要的關鍵部件之一，而主軸孔、凸輪軸孔、機油泵孔(俗稱三軸孔)的加工是缸體加工的關鍵[1]。以缸體三軸鏜組合機床為例，國外先進設備在保證加工的前提下，已經普遍采用機械手配合自動滾道輸送的敏捷物流系統形式[2]；相比之下，盡管經過技術的引進、消化吸收、自主開發及產業化等幾個階段，國產三軸鏜組合機床在加工精度方面已經大幅度提高，但是在敏捷物流系統方面才剛剛起步，在高效、高精、可靠性等方面與國外仍存在差距[3]，國內相關設備尤其是精加工設備的進口率依舊達90%以上。

本文以三軸鏜組合機床項目為背景，從方案設計入手，通過合理布局機床和零部件結構，優化刀具參數和性能等方法，提高加工精度和可靠性；采用機械手輸送，提升敏捷物流系統水平，設計出滿足使用需求的高精、高效、高可靠性三軸鏜組合機床，并在生產中獲得用戶的認可。

這種三軸鏜組合機床形式還應用于國家數控重大專項，并進一步得到完善。目前，設備已在用戶現場使用，加工產品精度和設備性能獲得用戶好評。

三軸鏜組合機床的研究與設計成功，加快三軸鏜組合機床國產化步伐，打破國外設備的壟斷，提高國產發動機的制造能力，降低生產成本；促進機床行業和汽車行業的共同發展，由技術引進型向技術自主型轉化，具有顯著的經濟效益和社會效益。

1機床方案的設計

1.1被加工零件基本情況

材料：合金鑄鐵;

硬度：HB210-HB235;

重量：400 kg。

精度要求：

(6)第7檔止推面：加工范圍φ152mm，全跳動0.025mm，表面粗糙度為Ra3.2。

1.2機床整體布局

三軸鏜組合機床由數控移動工作臺配以專用數控滑臺、主軸箱、鏜削頭、夾具、桁架機械手機動滾道以及排屑、冷卻等部分組成。

三軸鏜組合機床為濕式加工，采用大流量沖屑，具體機床總圖如圖1所示。單件加工工時為11min，即每小時被加工零件數為5.5件。

2關鍵部件設計

由于被加工零件尺寸大、精度要求高，對機床也提出了非常高的要求。設計過程中對機床的夾具、滑臺、模板等方面進行了攻關，對刀具、機械手也進行了重點分析，確保機床各方面達到使用要求。

2.1數控滑臺

數控滑臺是機床的關鍵動力部件，直接關系到機床的加工能力。本次設計的三軸鏜組合機床在機床兩側分別配置了一個數控滑臺，為缸體三軸孔加工提供動力支持。兩側的數控滑臺均采用具有自主產權的功能部件為基礎，根據設計的實際需要進行改進。

左側數控滑臺的型號為SEM-F500/630，滑臺行程為630mm，右側數控滑臺在SEM-F630/1000型號基礎上進行改進，如圖2所示，增加了滑座的行程，保證滿足1900mm的行程需求。

數控滑臺的滑動部分由兩根矩形導軌和貼塑導軌板組成，動態性能更好；在極限位置采用極限保護開關，保證安全性。在設計中，優化部件結構，改進原有通用部件的“十”字形加強筋為“米”字型加強筋，提高強度和剛性，提高數控滑臺的結構穩定性。

圖2　右數控滑臺裝配圖

數控滑臺動力部分采用伺服電機驅動高精密雙螺母滾珠絲杠的形式。在設備的使用中，為降低由于滾珠絲杠因溫度變化導致運動精度變化對加工精度的影響，滾珠絲杠采用中空冷卻設計，配合溫度控制系統來改善熱變形，同時在滑臺上配置有光柵尺系統，對滑臺運動精度進行雙重保障。

數控滑臺通過集中潤滑系統，為導軌之間以及其他部分提供潤滑。在導軌和貼塑導軌板之間形成油膜，大幅度降低相對運動時的摩擦系數；潤滑油的循環也能夠起到降溫控制熱變形的作用。

2.2夾具

夾具是機床的核心部件，用于加工過程中對被加工零件的定位和夾緊。夾具的定位精度直接決定了產品的加工精度，夾緊的可靠性與否直接決定了產品在加工中的穩定性和加工質量。

設計中，采用一面兩銷[4]的定位方式，即選擇一個平面和平面上兩個定位孔作為基準，限制6個自由度,配合輔助支承裝置保障定位的準確性和穩定性；夾緊通過液壓夾緊裝置實現，即液壓油缸帶動壓板夾緊，配合輔助夾緊機構，保證夾緊的可靠性和安全性，定位夾緊原理示意圖如圖3所示。

圖3　定位夾緊原理示意圖

夾具部件如圖4所示。定位塊1、3、6通過修磨定位塊下的調整墊，保證高度尺寸滿足80±0.01mm要求，同時三個定位塊組成的定位平面的平面度要求0.01mm以內，允差不超過0.005mm；輔助支承裝置5、9、17，用于保障被加工零件的定位穩定性。

夾緊油缸2、4、7對應的壓板16、13、10完成被加工零件的夾緊和松開；輔助夾緊油缸12、14帶動輔助壓板11、15，配合夾緊被加工零件，確保加工過程中的可靠性。

定位動作過程為：被加工零件輸送到上料位置，抬起落下裝置20處于上料姿態。機械手將被加工零件放置于抬起落下裝置20的支承塊上，隨后松開，完成上料動作；同時抬起落下裝置油缸19啟動，帶動齒條向下運動，開始落下動作。落下過程中，首先，抬起落下裝置20落下一定高度，被加工零件的定位銷孔落到對應的圓銷裝置18和菱銷裝置8上，此時系統進行讓刀位置氣動開關打開狀態確認，如圖5所示，確認后滑臺快進將刀桿引入，完成讓刀；之后，抬起落下裝置20繼續落下，被加工零件下落至由定位塊1、3、6組成的定位平面上；最后支承塊落下到位，被加工零件定位于定位平面，完成整個插銷定位過程。

圖4　夾具設計圖

圖5　讓刀位置氣動開關打開狀態確認結構

被加工零件夾緊過程為：被加工零件和抬起落下裝置20落下到位后，開關發令，頂靠裝置21啟動靠緊動作，固定位置；隨后，夾緊油缸2、4、7啟動，推動對應夾緊壓板16、13、10壓緊；最后，輔助夾緊油缸12、14啟動，推動對應的輔助夾緊壓板11、15輔助壓緊被加工零件，完成夾緊動作。

2.3模板

加工曲軸孔、凸輪軸孔時, 懸伸的鏜桿細而長, 剛性差,受力變形嚴重, 易產生振動和抖動[5],為提高鏜桿的剛度,設置了模板。

模板又被稱為鏜模架，主要用于機床刀具加工時的導向和定位，是保證加工位置準確性的關鍵部件。本次設計有4塊模板，均固定在夾具體上，模板的主體采用鑄造結構，分布有加強筋板，在滿足剛度和強度的要求下，最大程度的有利于加工排屑。模板在夾具體上的裝配圖如圖6所示。

圖6　模板在夾具體上的裝配圖

第一模板和第四模板分布于夾具體兩側，通過第一模板和第四模板上各孔的位置精度，來保證刀具的位置精度和所加工各孔的相對位置精度，同時模板上的導套還兼顧具有導向的作用。

被加工零件為六缸缸體，總長度超過1100mm，曲軸孔和凸輪軸孔又均為多檔的間斷長孔[6]，跨距大，在第一模板和第四模板之間設置了第二模板和第三模板，又稱之為中間模板。

為保證精度，除了采用精密三坐標加工之外，還設計了多個專用調整墊。安裝時，修磨調整墊，保證模板的1孔同軸度在0.005mm以內，模板的1孔中心線連線與定位平面A的平行度達到0.005mm/1000mm，1孔中心線連線與定位塊安裝平面的高度范圍在181.6±0.01mm內；各模板1孔中心線與定位銷中心連線平行度達到0.01mm要求，尺寸范圍在144.46±0.01以內。同時確保模板上2孔的同軸度達到0.005mm要求，保證2孔與1孔的平行度滿足0.005mm/1000mm。

由于第二模板和第三模板處于中間位置，為方便安裝和維修，在設計中采用了分體設計的方法，即1孔和2孔在不同的模板分體上，通過修磨各自分體之間的調整墊，保證2孔與1孔的相對位置117.476±0.005mm和143.868±0.005mm符合設計要求。

根據相關使用和維護經驗，模板導向部分的精度要求很高，與刀具(鏜桿)配合使用，磨損嚴重，更換繁瑣，設計中將模板導向部分改為鑲嵌導套的結構。以第一模板為例，如圖7所示。全部導套均采用可調式導套設計，在安裝中，導套與模板通過配磨，調整兩者的間隙達到0～0.003mm的設計要求；導套與刀桿之間也采用配磨，調整兩者間隙在0.003～0.008mm之間。這種結構磨損后只需更換導套重新配磨即可，大幅度的減少材料的損失和調整時間，延長了模板使用壽命。

圖7　第一模板鑲嵌導套結構圖

2.4機械手

機械手是敏捷物流系統的核心部分，主要負責被加工零件在上、下料位和加工位置之間的高效、快速、精確的輸送。當被加工零件處于上料工位時，機械手自動抓取，將被加工零件放置到加工位置；當加工完成后，機械手自動抓取加工后的零件，輸送到下料工位，完成一次動作循環。

機械手結構圖如圖8所示。機械手主要由運動部分和抓取部分組成，其中運動部分包括伺服電機1、減速裝置2、直線導軌3、開關7、平衡油缸8等，負責機械手的運動控制和保護。伺服電機1啟動后，通過減速裝置2進行變速，傳遞到直線導軌3上，帶動機械手抓取部分實現Z軸(即豎直方向)的運動，Z軸總行程為655mm，其中使用行程為653mm，備量為2mm；開關7負責Z軸方向運動的極限保護，當抓取部分隨直線導軌到達極限位置時，開關7發令，電機停止；機械手不抓取被加工零件時，平衡油缸8能夠防止機械手由于重力而自行落下，避免部件損壞和安全隱患。

抓取部分主要由手爪5和控制油缸6組成。抓取被加工零件時，控制油缸6帶動手爪5同時向內側或外側等速勻速移動，保持手爪5對中性和被加工零件位置的對中性，確保在抓取和移動過程中的定位準確性。

圖8　機械手結構圖

2.5刀具

在刀具加工形式選擇時，考慮到被加工零件尺寸大、加工部分跨距大，加工時受力性等多方面因素，最終選擇拉鏜的加工形式。拉鏜時，鏜桿受到拉應力，能夠保證加工過程的平穩性，有利于保證精度。鏜桿自主設計，委托瑪帕公司制造，鏜桿示意圖如圖9所示。

圖9　鏜桿示意圖

鏜桿上，半精鏜刀片2和精鏜刀片4分前、后裝使用，采用向后排屑的刀片來排出鐵屑，不會劃傷被加工零件表面，保證光潔度。主軸孔采用精鏜單元，車止推面的刀安裝在加工曲軸孔鏜桿上，確保被加工零件加工精度。受到被加工零件內部空間限制，凸輪軸孔鏜桿中間部分支撐空間不足，設計中采用內滾軸承4，通過ABS結構6連接，在有限空間內給鏜桿增加導套，起到扶持的作用，提高精度，提高線速度。

該三軸鏜組合機床可用于精加工曲軸孔、凸輪軸孔、機油泵孔、輔助驅動支撐安裝孔以及銷孔。其中曲軸孔單邊余量0.3125mm，凸輪軸孔單邊余量0.3685mm，機油泵安裝孔單邊余量0.3435mm，輔助驅動支撐安裝孔單邊余量0.3685mm，銷孔單邊余量0.2875mm。

曲軸孔加工刀具如圖10所示，刀具主要參數為：

半精加工V=113.4m/min，n=300r/min，S=0.112mm/r，Sm=33.6mm/min；

精加工V=113.7m/min，n=300r/min，S=0.112mm/r ，Sm=33.6mm/min。

圖10　曲軸孔加工刀具

凸輪軸孔加工刀具如圖11所示，刀具主要參數為：

半精加工V=102.6m/minn=480r/minS=0.07mm/rSm=33.6mm/min；

精加工V=102.9m/minn=480r/minS=0.07mm/rSm=33.6mm/min。

圖11　凸輪軸孔加工刀具

機油泵安裝孔加工刀具如圖12所示，刀具主要參數為：

半精加工V=119.4m/min，n=300r/min，S=0.1mm/r，Sm=33.6mm/min；

精加工V=119.7m/min，n=300r/min，S=0.1mm/r，Sm=30mm/min。

圖12　機油泵安裝孔加工刀具

輔助驅動支撐安裝孔加工刀具如圖13所示，刀具主要參數為：

半精加工V=125.4m/min，n=300r/min，S=0.1mm/r，Sm=30mm/min；

精加工V=125.7m/min，n=300r/min，S=0.1mm/r，Sm=30mm/min。

圖13　輔助驅動支撐安裝孔

2.6環保處理

隨著社會的發展，三軸鏜組合機床的發展不僅要求機床加工精度高、加工性能穩定，而且對加工過程中的環境要求也越來越高，綠色環保的加工理念已經成為普遍要求。

基于這樣的發展理念，設計中，將電氣、液壓進行分散控制；為降低加工過程中機床對環境的影響，本文介紹的三軸鏜組合機床在整體防護的基礎上，設計了機床加工區全封閉防護。

針對加工過程中所產生的廢氣、廢水、廢液及鐵屑，也分別進行處理，利用安裝在加工區域的吸霧裝置，將產生的廢氣、油霧、水霧等第一時間收集，定期按照相關規定進行統一處理；對于切削液和切屑，利用機床配備的上排系統，高壓抽送到空中管路中，回液由于自身重力而流入過濾裝置中，從而將切削液和鐵屑相分離，進行相應處理。

3應用情況

三軸鏜組合機床安裝后，先后開展了機械手調試試驗，夾具定位夾緊試驗，測試各動作靈活性、定位準確性和夾緊的可靠，刀具與模板的磨合試驗，配磨導套與模板體、導套與刀桿之間的間隙；設備空運轉和試機，優化設備運行參數等。

表1　設備加工精度比較表

在完成以上試驗之后，三軸鏜組合機床在實際工況中進行連續切削，測試設備的自身的性能和產品加工精度。該設備連續加工后，檢測加工精度，將各孔系加工最大值統一記錄；并在原有三軸鏜組合機床進行相同試驗，比較加工精度變化，如表1所示。

通過對上表的比較分析，可以得到如下結論：

(1) 該形式三軸鏜組合機床的連續加工試件均能夠達到設計精度要求；

(2) 該形式三軸鏜組合機床與原設備相比，在主軸孔、凸輪軸孔和第7檔止推面的加工精度均有提高。

綜合以上結論，證明該形式三軸鏜組合機床在的加工性能和加工精度方面得到提高，滿足使用要求，設計達到預期目的。

4結論

本形式三軸鏜組合機床，以現有產品為基礎，從方案設計入手，先后完成數控滑臺的改造、夾具和模板的研究與設計、機械手的應用、刀具的設計與優化和綠色環保處理等工作內容，開展了相關試驗、調試、生產，檢測產品達到設計精度，設備滿足使用要求；通過與原有設備的加工精度比較，得到在主軸孔、凸輪軸孔和止推面的加工精度上均有提高，實現了預期設計目的。

三軸鏜組合機床采用機械手物流，提高了敏捷物流系水平；夾具、模板、機械手等核心部件從設計到加工均國產化，加快了三軸鏜組合機床國產化步伐，促進了汽車發動機關鍵工序加工設備的研究和發展，由技術引進型向技術自主型轉化，具有顯著的經濟效益和社會效益。

以該形式為基礎的三軸鏜組合機床在“錫柴重型柴油發動機缸體、缸蓋柔性加工生產線示范工程(課題編號2013ZX04012071)”獲得應用，發揮了巨大作用，受到了廣泛認可。

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(編輯趙蓉)

Design of the Modular Machine Tool for Cylinder Block

ZHOU Jiang-hui，ZHAO Xin，XIE Zhe，LI Jin

(Institute of Intelligent Manufacturing, Dalian Machine Tools Group Co., Ltd, Dalian Liaoning 116022,China)

Abstract：To improve the accuracy of cylinders block 3-shaft precision boring machine，the paper studied the transformation of three-axis boring machine，on the basis of existing products and technology. Focused on the overall layout and the structure improvement and innovation of key parts including sliding table，fixtures. Introduced cutlery features，gantry robot delivery and environment protection. The success of improving the accuracy of cylinders block 3-shaft precision boring machine promotes localization processes of key steps in automobile engine block and this kind of machine also applies in National Science and Technology Major Project.

Key words：cylinder block；3-shaft precision boring machine；transfer and unit machine

文章編號：1001-2265(2016)05-0113-05

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.031

收稿日期：2015-05-31；修回日期：2015-08-09

*基金項目：重大專項“錫柴重型柴油發動機缸體、缸蓋柔性加工生產線示范工程”資助(2013ZX04012071)

作者簡介：周江輝(1980—)，男，浙江寧波人，大連華根機械有限公司工程師，碩士，主要從事組合機床、加工中心、柔性制造系統等新產品的設計與研究，(E-mail)zhoujianghui521@163.com。

中圖分類號：TH122;TG65

文獻標識碼：A