發(fā)動機氣缸頭氣門精加工專用機床設(shè)計*

肖鐵忠　黃　娟　羅　靜

(①四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程系，四川 德陽 618000；②重慶理工大學(xué)機械工程學(xué)院，重慶400054 )

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發(fā)動機氣缸頭氣門精加工專用機床設(shè)計*

肖鐵忠①黃娟①羅靜②

(①四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程系，四川 德陽 618000；②重慶理工大學(xué)機械工程學(xué)院，重慶400054 )

通過分析發(fā)動機氣缸頭氣門精加工精度要求，確定了氣門的精加工工藝方案。根據(jù)工藝方案，制定了專用機床的整體布局方案，并對機床關(guān)鍵部件——專用夾具、專用數(shù)控滑臺及專用主軸箱等的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，說明了各自的工作原理。此專用機床已在重慶某企業(yè)投產(chǎn)使用。通過實際加工實驗，氣門各項精度均達到企業(yè)的技術(shù)要求，氣缸頭的生產(chǎn)節(jié)拍為0.63 min/件，實際生產(chǎn)能力達到30萬件/年以上。

發(fā)動機氣缸頭；氣門；精加工；專用機床

氣缸頭氣門是發(fā)動機的配氣元件，是發(fā)動機動力源泉的重要保證之一[1-2]，氣缸頭更是發(fā)動機的重要部件之一，其精度將直接決定發(fā)動機的整體性能[3-4]。在氣缸頭加工過程中，導(dǎo)管孔與座圈孔的加工是最關(guān)鍵的工序之一，其加工質(zhì)量將直接影響發(fā)動機的整體品質(zhì)，因而其尺寸精度及形位精度要求通常都較高，對其加工工藝及工藝設(shè)備等均提出了較高的要求[5-6]。為保證加工質(zhì)量，企業(yè)一般選擇高精度加工中心加工，但是無法滿足大批量生產(chǎn)的要求[7-9]。重慶某企業(yè)氣缸頭的年生產(chǎn)量在12萬件左右，屬于大批量生產(chǎn)，故需要設(shè)計針對此工序的專用夾具及機床，以滿足企業(yè)對加工精度及生產(chǎn)效率的要求。

1　工藝方案設(shè)計

1.1工件技術(shù)要求

氣門精加工技術(shù)要求如圖1所示，主要技術(shù)要求如下：

(2)座圈孔與導(dǎo)管孔的圓柱度為0.01 mm，導(dǎo)管孔軸心線與座圈孔軸心線的同軸度為φ0.01 mm，座圈孔心線相對于氣缸頭底面的垂直度為0.02 mm。

(3)導(dǎo)管孔與座圈孔的表面粗糙度Ra=0.8 μm。

(4)導(dǎo)管孔與座圈孔軸心線與氣缸頭底面成77°夾角(見圖3)。

1.2工藝方案的確定

企業(yè)設(shè)計的氣缸頭生產(chǎn)綱領(lǐng)為12萬件/年，合格率為99.9%，針對氣門精加工，設(shè)計專用機床以滿足大批量生產(chǎn)需求。氣門導(dǎo)管孔精度要求較高，直接鉆削無法滿足精度要求，需在鉆削的基礎(chǔ)上再次精鉸；同理，座圈孔也需在粗鏜的基礎(chǔ)上進行精鏜；氣門軸線與氣缸頭底面成77°角，此角度由專用夾具保證；氣門兩座圈孔壁最小間隔為3.5 mm，如果在同一夾具上采用雙軸同時加工，刀具極易產(chǎn)生干涉，所以將氣門孔在同一機床的同一夾具上的兩個工位上雙軸同時加工，既防止干涉，也能提高生產(chǎn)效率；單個氣門由鏜鉸復(fù)合刀具同時完成。

2　機床方案

2.1機床布局

對于專用機床的布局，與通用機床有所不同，主要是根據(jù)工件的姿態(tài)進行設(shè)計。具體布局是根據(jù)工件設(shè)計夾具，又根據(jù)夾具對專用機床進行布局。本文所加工的工件為氣缸頭，綜合考慮專用機床各零部件結(jié)構(gòu)、方便更換刀具、方便工件上下料、便于維護專用機床和技術(shù)經(jīng)濟性等，確定出氣缸頭底面向左下方的姿態(tài)[10]。

設(shè)計的專用機床如圖2所示，機床主要由床身、數(shù)控滑臺、專用夾具、主軸箱、專用刀具、主軸電動機、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等組成。床身的上端直接安裝數(shù)控滑臺，驅(qū)動夾具做快移及進給運動；在數(shù)控滑臺的右上端安裝主軸箱，提供氣門加工時所需的主運動；在床身的右上端安裝專用夾具，用于工件的定位與夾緊，保證氣缸頭具有正確的位置；夾具上設(shè)置兩個工位，能同時裝夾兩個工件。

2.2工作循環(huán)

人工在專用夾具(如圖3所示)工位一與工位二上分別裝夾兩個工件，啟動自動加工程序，主軸電動機啟動，帶動兩個主軸旋轉(zhuǎn)，數(shù)控滑臺在伺服電動機的驅(qū)動下使夾具快移至工進位置，然后工進，分別完成工位一(工件1)上孔1及工位二(工件2)上孔2的氣門精加工，夾具退刀至起始位置，松開專用夾具夾緊機構(gòu)，人工將工位一與工位二上的工件對調(diào)，自動夾緊后再次啟動自動加工程序，夾具在數(shù)控滑臺的驅(qū)動下完成工位一(工件2)孔1與工位二(工件1)孔2的精加工，退刀，人工下料并再次上料，如此循環(huán)往復(fù)，對氣門進行精加工。

3　機床關(guān)鍵零部件設(shè)計

3.1專用夾具

專用夾具如圖3所示，工件加工時由兩個φ10 mm的定位銷8與工件支撐板5構(gòu)成定位裝置對工件進行完全定位，限制工件的六個自由度。為保證加工過程中正確的定位位置不變，每個工位設(shè)置兩個夾緊機構(gòu)，夾緊機構(gòu)由氣缸10、夾緊機構(gòu)底座1、回轉(zhuǎn)導(dǎo)桿14、回轉(zhuǎn)導(dǎo)向槽11、導(dǎo)套12、壓緊板13及壓頭9等組成。氣缸向上運動時，推動夾緊機構(gòu)使其處于圖示雙點劃線位置，松開工件，方便人工下料及工件定位；工件正確定位后，氣缸向下運動，拉緊夾緊機構(gòu)對工件進行夾緊，保證加工過程中工件的正確定位位置固定不變，順利正確地完成氣門的精加工。

3.2數(shù)控滑臺

夾具的快移與工進運動由數(shù)控滑臺實現(xiàn)，數(shù)控滑臺由伺服電動機、聯(lián)軸器、滾珠絲杠螺母、主軸箱安裝滑臺等組成。夾具快移與工進數(shù)控滑臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，伺服電動機軸通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠聯(lián)接，將動力傳遞至滾珠絲杠，滾珠絲杠通過螺母與夾具安裝座固結(jié)在一起，將滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為夾具的直線運動，實現(xiàn)夾具的快移與工進運動，數(shù)控滑臺快進與快退速度為6 m/min，工進速度為200 mm/min，重復(fù)定位精度為±0.1 mm。

3.3主軸箱

主軸的旋轉(zhuǎn)運動是主運動，經(jīng)加工實驗，精加工時刀具旋轉(zhuǎn)速度為1 000 r/min左右。本專用機床的主軸箱結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用雙主軸結(jié)構(gòu)，以保證機床在循環(huán)加工時，主軸箱有2個主軸同時旋轉(zhuǎn)，帶動刀具旋轉(zhuǎn)，同時完成兩個工位上相應(yīng)孔的加工。由圖5知，主軸箱部件由主軸、箱體、箱蓋、電動機支撐板、變頻電動機、調(diào)節(jié)螺桿、皮帶傳動機構(gòu)等組成；變頻電動機安裝在電動機支撐板上，支撐板通過4個調(diào)節(jié)螺桿安裝在箱蓋上，通過調(diào)整調(diào)節(jié)螺桿上的螺母可以調(diào)節(jié)皮帶傳動機構(gòu)的松緊程度；動力由變頻電動機5提供，經(jīng)帶傳動機構(gòu)將動力與運動傳遞給2個主軸，從而帶動刀具旋轉(zhuǎn)；通過改變變頻電動機的頻率達到改變主軸轉(zhuǎn)速的目的，更換主軸前端的刀具，可以粗加工氣門，即本】機可以實現(xiàn)氣門的粗精加工。

4　結(jié)語

通過分析氣門精加工工藝技術(shù)要求，確定了雙工位雙軸精鏜加工工藝方案，在此基礎(chǔ)上確定了機床的整體方案，并對專用夾具、專用數(shù)控滑臺及專用主軸箱等機床的關(guān)鍵部件進行設(shè)計。經(jīng)實際加工驗證，氣門的精度均超過技術(shù)要求標準，單件加工時間在0.7 min左右，實際生產(chǎn)綱領(lǐng)達到30萬件以上。本文所設(shè)計的專機結(jié)構(gòu)簡單，自動化程度高，大大提高了加工精度及生產(chǎn)效率，對相關(guān)專用設(shè)備的研制具有一定的參考價值。

[1] 吳嘉明.摩托車發(fā)動機氣缸頭氣門鏜鉸數(shù)控專機的設(shè)計[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2002(11)：67-69.

[2] 黃麗云.一種氣缸蓋氣門導(dǎo)管孔加工工藝[J].內(nèi)燃機，2013(5)：26-27.

[3] 李文迪，王合增，楊紅梅. 精銑缸體底面鉆鉸定位銷孔數(shù)控機床的研發(fā)[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù)，2013(6)：124-129.

[4] 李吉，賴玉活，馮月霞. 發(fā)動機氣缸鉆孔專用夾具設(shè)計[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù)，2013(3)：108-110.

[5] 羅靜，肖鐵忠，龔文君，等.發(fā)動機缸體曲軸孔加工專用鏜床設(shè)計[J].制造技術(shù)與機床，2013(9)：76-79.

[6] 高志永，張斌，羅和平,等.發(fā)動機缸體曲軸孔加工工藝研究[J].機械工程師，2013(2):19-20.

[7]張曉輝. 專用數(shù)控銑床的研究設(shè)計[D].重慶：重慶大學(xué)，2013.

[8] 張學(xué)周. 臥式雙面銑前軸拳頭面專用機床[J].制造技術(shù)與機床，2013(7)：60-62.

[9] 羅靜，趙勇，龔文均,等. 摩托車曲軸箱孔系鉆鉸多面加工專用機床設(shè)計[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2014(1)：14-16.

[10] 苑春迎. 汽車發(fā)動機缸體雙金屬曲軸孔數(shù)控精密鏜孔機床的設(shè)計及研究[D].重慶：重慶理工大學(xué)，2012.

(編輯孫德茂)

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Design of engine cylinder head valve finishing special machine

XIAO Tiezhong①,HUANG Juan①, LUO Jing②

(①Vehicle Engineering Department, Sichuan Engineering Technical College, Deyang 618000, CHN; ②College of Mechanical Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, CHN)

By analyzing finishing accuracy requirements of the engine cylinder head valve, finishing process scheme of the valve was determined. According to the process scheme, overall layout scheme of the special machine was formulated.Then the key components’ structure of the special machine was designed, including special fixtures, special CNC slider and special headstock, etc. In addition, their respective working principle was expounded. The designed process and the special machine tool were successfully implemented in an enterprise in Chongqing. Through the actual machining experiments, the valve precision met enterprise requirements, and the takt is of 0.63min / pc. The actual production capacity reaches more than 300000 / year.

engine cylinder head; valve; finishing process; special machine

TH122

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.08.007

肖鐵忠，男，1986年生,碩士，教師，研究方向為先進制造技術(shù)及裝備。

2016-04-26)

160818

*墊江縣汽摩配套產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析與研究(CSTC2013JCCXB60001)