發動機缸蓋加工專用機床的設計研究

◎姚 遠

（三門峽職業技術學院 建筑工程學院，河南 三門峽 472000）

現代科技的發展帶動了我國汽車行業的進步，在汽車發動機缸蓋加工中，機床是制造業的主要生產設備，數控機床在設備中朝著高復合、高精度和高速度等方面發展和進步。傳統的機床工藝加工生產流程比較長、生產周期長、占用的面積很大和精度不高等缺點，嚴重影響了專用機床設計質量。為了提高汽車發動機缸蓋加工技術，需要采用現代化專用機床進行設計。

1 汽車發動機與缸蓋

汽車發動機是為汽車提供動力的機器，是汽車的心臟，影響汽車的動力性、經濟性和環保性。根據動力來源不同，汽車發動機可分為柴油發動機、汽油發動機、電動汽車電動機以及混合動力等。常見的汽油機和柴油機都屬于往復活塞式內燃機，是將燃料的化學能轉化為活塞運動的機械能并對外輸出動力。汽油機轉速高，質量小，噪音小，起動容易，制造成本低；柴油機壓縮比大，熱效率高，經濟性能和排放性能都比汽油機好。除了使用汽油和柴油之外，使用其他新能源的汽車被稱為新能源汽車，包括純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車、燃氣汽車、生物乙醇/生物柴油汽車和氫發動汽車等。我國市場上在售的新能源汽車多是混合動力汽車，但是目前已把純電動汽車作為了主攻方向[1]。

發動機汽缸蓋用來封閉氣缸并構成燃燒室，缸蓋在內燃機屬于配氣機構,主要用來封閉汽缸上部,構成燃燒室，并做為凸輪軸和搖臂軸還有進排氣管的支撐，主要是把空氣吸到汽缸內部,火花塞把可燃混合氣體點燃,帶動活塞做功,廢氣從排氣管排出。

2 專用機床的意義

高速切削加工技術是一種技術的革命性進步，是在傳統的切削加工技術之上發展而來，不僅提高工作人員的生產效率，也降低了切削的生產成本，這種技術被很多國家應用和推廣。高速切削加工技術具備高精度和高效率，成為高速切削和加工的技術先鋒[2]。

數控機床在發展中，有很多復合加工的優勢，這種優勢受到很多機械加工行業的關注，這是復合加工技術在國家機械制造技術、自動化控制技術和材料工程技術等綜合技術水平的客觀反映。復合加工機床在主軸箱中是制造技術的核心，也是整個加工工藝的關鍵，對專用機床技術有一定的技術要求，要保證切削的高效率、加工的高精度和高層度的自動化。這種復合加工技術不斷得到應用和普及，有著較高的效率、精度和自動化性的優越感，受到了汽車、航空航天制造業的廣泛關注，也引起了相關行業部門的高度關注。目前，我國市場上復合加工機床在汽車生產市場的需求比較大，進口設備成本也相對較高，在制約我國汽車品牌發展的同時，還影響了機床技術的進步與發展。機床在研究和制造中，要打破這種局面，從而促進我國加工技術的高效率、高精度和高自動化的進步與發展[3]。

發動機缸蓋的毛坯一般為鑄件，其結構較為復雜，對鑄造毛坯的質量要求也很高，在這樣的要求下，相應鑄造成本也在不斷增加，這就對缸蓋加工提出了較高的要求，傳統發動機缸蓋生產線工藝流程方案較為復雜，而專用機床的出現，能夠縮短加工鏈長度，減少待制品，減少加工工件搬運時間，提高鑄造成功率。

3 專用機床的設計特點

傳統的機床加工工藝有很多問題，主要是生產流程比較長、生產周期長、占用的面積很大、精度不高等，嚴重影響了專用機床設計質量，為了改變這一現狀，復合加工機床要有一定的優勢。首先，復合機床要縮短加工鏈的長度，減少機床的制品數量，而整條生產線在加工工件時，數量會大大減少。其次，對于基準的轉換，工作人員要提高加工的精度，將復合加工機床的內容合到一個加工程序中，以此提高加工方案的有效性，加工同一次裝夾工作，工藝的基準沒有改變，這樣才能保證機床加工的精度。第三，要減少生產線的用地面積和數量，復合加工機床的內容非常豐富，在設計時，要減少生產設備的數量和生產面積，這樣不僅可以降低廠房的投入成本，還可以降低機床的管理和運營成本。最后，縮短機床的生產周期，復合加工機床有多內容一序加工的特點，節省了加工的時間，提高了機床加工的產值[4]。

4 汽車發動機缸蓋加工專用機床的設計研究

在汽車發動機組成當中，一個關鍵件就是發動機缸蓋，缸蓋在發動機實際組成當中屬于一個對多種零件組合實現承載的主體零件，缸蓋加工質量優劣、精度高低直接影響發動機綜合性能，基于此，各個發動機以及機床相關生產廠家都尤其關注缸蓋加工質量和精度。

在缸蓋機床加工生產線當中，加工進氣、排氣座圈孔還有導管孔屬于缸蓋精加工當中的一個關鍵工序，該工序加工質量與精度直接關系到發動機實際性能高低。在汽車行業快速發展中，這一關鍵工序的精度和形位公差要求都全面提高，為了全面提升缸蓋加工精度，需要加強該加工成型工藝流程。首先，要對進、排氣座圈孔進行粗鏜加工，之后對導管孔實現粗擴，進而對進排氣座圈孔實現精鏜加工，最后精鉸導管孔。通過這樣的工藝流程，全面提升發動機缸蓋加工精度，并進一步提升發動機整體性能。例如億達日平機床有限公司的技術人員結合制造部門實際工藝水平，并依據客戶要求，研發出槍鉸橫車復合加工機床。該機床的設計是以提升發動機缸蓋進、排氣座圈以及導管孔所對應位置精度以及座圈錐面相應粗糙度等為基礎，并結合市場需求全面提升相應制造精度。該產品在應用當中加工鏈長度實現有效縮減，待制品數量大大減少，并通過基準轉換率的降低，實現了加工精度的全面提高，機床數量也減少了，生產線實際占地面積有效縮小，生產周期全面縮短，節省了大量時間，促使產品產值有效提高。

4.1 復合加工機床的方案設計

在汽車發動機缸蓋加工專用機床的設計中，要重視復合加工機床的方案設計。發動機缸蓋主要材料是鋁，工作人員對其進行加工和鑄造，其中最關鍵的工序是發動機缸蓋進、排氣座圈和導管等部分，尤其是導管座圈壓入后進行加工這一部分，一般采用的是FANUC（3Ii-MA）數控系統。工作人員測量工件頂面的進氣孔和排氣孔，很容易看出，有相等的孔距，所以，機床的主軸加工一般是雙動力頭的形式，這是臥床數控機床。工作人員使用加具X移位進出四次，在導管座中加測進氣側和排氣側[5]。

4.2 齒輪箱的傳動鏈設計

在齒輪箱的傳動鏈設計中，電機主要從M軸傳到齒輪箱中，齒輪箱在內傳動鏈比較簡單，主動軸為M軸、S1和S2，軸傳動軸A和B軸，與齒輪箱相比，齒輪A、BS1、S2和M軸，傳動圖在繪制的過程中有兩個步驟，一是選取電機最佳功率階段轉速，一次作為輸出轉速，當主軸輸入為每分鐘2000轉時，電機輸出的轉速為每分鐘2860轉，主軸的輸出每分鐘為750轉，電機的輸出每分鐘為1070轉，二是齒輪的轉速計算一般用胡切削功率來計算，主軸模數為3，齒寬為25毫米，電機和主軸轉速可以設計出轉動鏈，傳動比計算公式為i12=n1/n2=Z2/Z1，斜齒輪的分度圓直徑的計算公式為d=B為螺旋角。斜齒輪的中心距計算公式為a=(d1+d2)/2=m(Z1/cosB1+Z2/cosB2)/2[6]。

4.3 主軸組件設計

在主軸組件設計中，主軸組件有著重要的作用。主軸組件的工作性能有所不同，提高機床的加工質量和效率，對機床設計有著重要的影響，主軸設計主要包括旋轉精度、剛度、抗振性、熱變形和耐磨性。首先，對于主軸的旋轉精度，工作人員要精確加工缸蓋座圈導管孔，主軸要滿足齒輪箱的旋轉精度，在裝配后，工作的轉速條件為無載荷，在低速轉動和工作轉速的條件下，主軸前端在安裝時，工件的徑向跳動要低于0.1毫米，軸向竄動要低于0.02毫米[7]。其次，對于主軸的剛度而言，反映了機床和組件抵抗外載荷能力，影響主軸組件剛度的因素很多，例如，主軸的尺度和形狀，主軸的前后支撐距離和前端懸伸量，滾動軸承型號，管理人員還要做好安裝和預緊，以保證主軸的制造效率和裝配質量。再則，對于抗振性，主軸的組件在振動時，影響了軸承的質量，減少了主軸的壽命。如果出現了切削自激振動，在一定程度上，影響主軸的加工質量，在主軸設計時，固有的頻率大于原來的激振力的頻率，這樣才能減少主軸的共振。又則，主軸的熱變形，主軸的組件熱變時，如果主軸升長，軸承的間隙就會發生變化。溫升時，使主軸箱發生熱膨脹，主軸的位置會發生偏離，如果主軸的前和后升溫不同，還會影響主軸的傾斜程度，如果是雙主軸，主軸內部有槍餃和橫車的進給，主軸內部溫度升高的不同，雙主軸驅動也有所不同，在設計時，工作人員要減少主軸組件的發熱情況，這樣才能控制溫度的升高。最后，對于耐磨性，主軸組件有一定的耐磨性，保證工作人員能夠長久的保持精度，錐孔、定心軸和主軸等部位，工作人員要局部高頻淬火，主軸軸承要保證主軸的性能，材料要選擇承受載荷大主軸，為了穩定機床切削，減少機床的噪聲、軸承的發熱等情況，在安裝主軸時，要平衡主軸。在平衡主軸時，要安裝好銷和螺塞，平衡主軸[8]。

4.4 槍餃橫車進給裝置的設計過程

槍餃橫車進給裝置的設計過程包括三個流程：首先，傳動的相關零件，槍餃橫車在裝置傳動的過程中，一般靠伺服電機電動滾珠絲杠實現裝置的進給，在轉動設計中，要優化裝置帶來的誤差，電機采用KTP的聯軸器消除，而傳動的齒輪箱和功能應用是相同的，為了消除單純絲杠動帶來的誤差，工作人員一般采用直線軸承和導向桿這兩種進行配合，以改善槍餃橫車的精度。其次，軸承的選用，保證每根絲杠都有一對圓錐滾子軸承，圓錐滾子軸承要承受徑向和軸向聯合的負載，負載的承受能力一般由徑和軸有聯合載荷，軸承的承載能力主要由外圈的滾道角度決定，角度越大，承載能力越大，根據工況的要求，參考實際案例，要采用成對的7305D圓錐滾子軸承，參與主軸回轉進給軸，要選擇可承受徑向和軸向載荷，高速旋轉的246207D角接觸球軸承組。最后，潤滑與密封，滾珠絲杠的潤滑主要由潤滑泵定時的供給，進給裝置所有的軸承潤滑，一般采用潤滑脂潤滑，根據配合油封和迷宮密封等形式，防止外界雜質的潤滑環境[9]。

4.5 Inwentor虛擬零件的設計

Inwentor主要有兩種零件設計，設計模板包括標準零件模板和鈑金零件模板等。這兩種零件在軟件內實現了相互轉化的功能，設計也比較人性化。Inwentor的主軸箱選用的是標準零件，電機的防護罩也屬于鈑金件，標準零件主要指方形材料和棒料等，對材料進行切割、抽殼、鉆孔等，鈑金零件一般需要對板材進行彎折、切割和打孔等操作，在模板設計中，工作人員利用相應的工具完成對這些主軸箱的零件設計。Inwentor虛擬裝配在功能上，對零部件進行干涉和校驗，對虛擬裝配件圖進行裝配，完成完整的虛擬樣機功能，工作人員對Inwentor虛擬進行觀察和分析，一旦出現一些安全隱患，就要對其進行觀察，如果結構上出現了一些缺陷，會影響裝配的質量。對干涉內容和部件進行修改和檢查，對所發現的問題，工作人員要及時的改進，避免設計思路的方向錯誤，節省大量的人力、物力和財力，優化了企業機床產品的質量[10]。

5 結語

綜上所述，專用機床的設計在汽車發動機缸蓋加工中有著重要的作用，設計包括復合加工機床的方案設計、齒輪箱的傳動鏈設計、主軸組件設計、槍餃橫車進給裝置的設計和Inwentor虛擬零件的設計。通過專用機床的設計、研發，可以促進我國加工技術的高效率、高精度和高自動化的進步與發展。