船用V型氣缸體加工挺桿孔組合機床的研制

方宇

（通用技術集團大連機床有限責任公司智能制造研究所，遼寧 大連 116620）

發(fā)動機配氣機構能否高質量工作是關系到發(fā)動機動力性能好壞的關鍵因素之一。配氣機構的良好運轉除靠配氣凸輪外，還要靠挺桿體及挺桿孔之間的良好配合來保證，因此，對挺桿孔的加工質量有嚴格的要求。傳統(tǒng)工藝采用鉆、擴、鉸，用3臺機床分別對挺桿孔進行加工。容易產(chǎn)生重復定位誤差，且鉆孔工序的形狀誤差難以在后面的工序中消除，加工質量差。本文以加工挺桿孔組合機床項目為背景，從總體方案入手，采用槍鉆、擴、鉸三工位專用三軸多軸箱搭配斜立柱伺服滑臺，一次裝夾加工挺桿孔，夾具通過數(shù)控移動工作臺帶動工件移位，實現(xiàn)不同缸數(shù)氣缸體挺桿孔的加工。

該設備的研制成功，不僅降低了工人的勞動強度，保證了加工質量，而且大大提高了生產(chǎn)效率，具有良好的經(jīng)濟效益和應用價值。

1 挺桿孔基本情況及精度要求

1.1 被加工零件

被加工零件名稱：12V系列V型氣缸體；

材料：HT250；硬度：HBS 168～251；

成品外形尺寸：長1200mm，寬788mm，高688mm；成品重量：650kg。

1.2 精度要求

表1

2 機床方案的制定

2.1 機床布局

槍鉆、擴、鉸挺桿孔組合機床是由液壓自動夾具、伺服移動工作臺、斜立柱、伺服進給滑臺、三個專用主軸箱（槍鉆、擴及鉸孔）、三個固定模板、側床身、刀具、上下料滾道、平轉滾道、冷卻排屑系統(tǒng)和機床防護等部件組成。機床總體布局見圖1～3。

圖1 機床整體布局主視圖

圖2 機床整體布局俯視圖

圖3 機床整體布局左視圖

2.2 機床主要動作循環(huán)

前序機床合格工件進入上料滾道→平轉滾道→夾具→工件落下→兩側插銷裝置向前并插銷定位（左側凸輪軸孔）→底面插銷→輔助支撐伸出→夾緊工件→定位面氣檢→氣檢合格后移動工作臺移動進入左側挺桿孔加工循環(huán)→加工結束后移動工作臺返回上料端→松夾工件→輔助支撐返回→底面插銷返回→兩側插銷裝置拔銷并返回原位→工件抬起→工件退回平轉滾道→平轉180°后再進入夾具→工件落下→兩側插銷裝置向前并插銷定位（右側凸輪軸孔）→底面插銷→輔助支撐伸出→夾緊工件→定位面氣檢→氣檢合格后移動工作臺移動進入右側挺桿孔加工循環(huán)→加工結束后移動工作臺移到右側下料端→松夾工件→輔助支撐、底面插銷返回→兩側插銷裝置拔銷并返回原位→工件抬起→下料滾道→等待指令進入下一臺機床。

3 關鍵部件設計

由于加工氣缸體挺桿孔所要達到的精度要求非常高，所以對機床性能、配置相應的也要求非常高。為此，設計過程中對機床伺服移動工作臺、夾具、固定模板、刀具等關鍵部件狠下功夫，使之保證工件定位精度準確、夾緊可靠、加工精度高，保證機床具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，各方面均達到使用要求。

3.1 伺服移動工作臺

伺服移動工作臺是機床關鍵的動力驅動部件，直接關系到機床的夾具移位精度穩(wěn)定和可靠性。伺服滑臺驅動采用伺服電機驅動進口高精密滾珠絲杠螺母的方式，使滑臺保持較高的進給速度和精度。伺服電機與滾珠絲杠之間通過行星齒輪減速機和聯(lián)軸器連接。由于工件上料高度固定和底座排屑高度盡量抬高的限制，所以，將滑臺體與夾具體合為一體進行設計，以節(jié)省空間高度（見圖4、6）。

伺服電機通過行星齒輪減速機可輸出低轉速、大扭矩，可保證夾具和工件的穩(wěn)定移動。聯(lián)軸器為精密膜片彈性聯(lián)軸器，它具有傳動精度高，扭轉剛度高能夠補償軸向、徑向、角向誤差，自動潤滑，無噪音等優(yōu)點。

數(shù)控滑臺的滑動部分由兩根矩形導軌和貼塑導軌板組成，摩擦系數(shù)小，動態(tài)性能更好；在極限位置采用極限保護開關，保證安全性。本機床在設計過程中，優(yōu)化內(nèi)部鑄件結構，強度和剛性大大提高，受熱變形減小，使機床的整體結構穩(wěn)定性更好。

數(shù)控滑臺的潤滑采用集中潤滑的方式，為導軌之間以及滾珠絲杠螺母提供潤滑。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(shù)，潤滑油的循環(huán)也能夠起到降溫控制熱變形的作用。

圖4 伺服移動工作臺裝配圖

3.2 液壓自動夾具

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。液壓自動夾具就是用液壓元件代替機械零件，通過液壓控制實現(xiàn)對工件的自動定位、支承與夾緊的夾具。液壓自動夾具具有夾緊力大、夾緊可靠、工作平穩(wěn)、使用方便等優(yōu)點。

為保證氣缸體的加工精度，前道工序已加工好左右兩側凸輪軸孔和底面定位銷孔，故該工序左排挺桿孔可以采用左側凸輪軸孔、底面菱形銷及底面進行定位，限制6個自由度，實現(xiàn)工件的完全定位；同理，右排挺桿孔可采用右側凸輪軸孔、底面菱形銷及底面進行定位。三個固定定位塊組成一個平面，再布置輔助支撐裝置保證工件的穩(wěn)定性；夾緊通過夾緊液壓缸和鉸鏈壓板來實現(xiàn)。夾具定位夾緊原理圖如圖5所示。

圖5 夾具定位夾緊原理圖

加工左排挺桿孔定位夾緊過程如下：工件進入上料、平轉滾道，夾具無料發(fā)出指令，工件進入夾具，夾具內(nèi)配有液壓馬達驅動的機動滾道20、26。按動開關，防護門關。升降油缸8啟動，工件落下，兩側插銷裝置2、4通過向前輸送裝置1、5向前并插銷定位（左側凸輪軸孔），油缸6、7啟動，底面菱形銷16、25插銷，輔助支撐10、11、14、21伸出，油缸9、13、19、22夾緊工件，定位面氣檢，氣檢合格后，完成加工左排挺桿孔定位夾緊過程。

左側挺桿孔加工完畢后，夾具返回上料位置，防護門打開，夾具內(nèi)松夾工件，輔助支撐、底面插銷返回，兩側插銷裝置拔銷并返回原位，工件抬起，液壓馬達反轉，工件退回平轉滾道，平轉180°后再進入夾具。進行加工右排挺桿孔定位夾緊過程。

此時，整個機床定位夾緊過程完成。

夾具定位夾緊結束后，伺服移動工作臺移動，主軸電機啟動，依次進入一、二、三工位加工階段（左、右排加工循環(huán)過程相同）。加工結束后，移動工作臺快速移動至下料位置，工件夾緊裝置、輔助支撐、定位銷均返回原位，工件抬起，防護門打開，進入下料滾道。進入下一個工作循環(huán)。

定位塊12、17、24、27一起在磨床上加工，保證等高高度尺寸滿足67±0.01mm要求，同時，四個定位塊組成的定位平面的平面度要求0.01mm以內(nèi)，允差不超過0.005mm；輔助支承裝置10、11、14、21用于保障被加工零件的定位穩(wěn)定性。

夾緊裝置9、13、19、22結構內(nèi)，夾緊油缸通過鉸鏈壓板夾緊工件，四個夾緊壓板垂直對應一個定位塊17和三個輔助支承裝置10、14、21，完成被加工零件的夾緊和松開，確保加工過程中的穩(wěn)定可靠性。

3.3 固定模板

本機床加工挺桿孔采用槍鉆、擴、鉸三工位來保證孔加工精度，但由于被加工零件孔徑較小、加工孔較深、加工所用刀具長徑比較大、精度要求高，在加工過程中，還存在諸多工藝關鍵問題。

（1）定位問題。包括工件在夾具上的定位和工件相對于各工步刀桿軸線的定位。夾具在移動工作臺上安裝調整后。其在每一工位相對于機床動力頭主軸的位置是固定的，而工件在夾具上安裝后相對于機床刀桿軸線的位置，取決于其相對于夾具體的位置。所以，工件在夾具中的定位精度，直接影響著工件的加工精度。

（2）刀桿細長剛性不足問題。考慮到刀具的剛性，雖然組合機床所配置的各刀具與機床主軸是剛性連接，但因其懸深長度都超過了400mm（槍鉆900mm、擴孔500mm、鉸孔410mm），長徑比都超過12，細長刀桿剛性不足所引起的軸線擺動問題顯得尤為突出，它會引起工件孔位的偏移和孔軸線與基面的尺寸精度誤差，影響孔加工精度。

（3）導向問題。刀具均為固定尺寸刀具，工件的尺寸精度一方面取決于刀具的制造精度和剛性，另一方面，取決于導向套的導向精度。表面粗糙度取決于刀具的剛性、刀具的幾何參數(shù)及合理的切削用量。位置度和垂直度取決于伺服移動工作臺的移動精度。為使被加工要素達到不同的尺寸精度、位置精度和表面粗糙度，常采用不同的導向精度，即槍鉆、擴及鉸孔所用導向裝置的精度不同。為了有效解決工件重復定位誤差問題，該機床整體方案配置中已采用了各個工位共用一套夾具方案，由此帶來的在一套夾具中實現(xiàn)不同工步的不同導向精度問題，是解決加工精度的又一個工藝關鍵問題。槍鉆模板的設計圖如圖7所示。

圖6 夾具設計圖

圖7 槍鉆模板設計圖

槍鉆模板安裝在第一工位斜立柱上，當進入加工循環(huán)時，槍鉆油缸6向前，槍鉆導套8頂住工件，同時，到位開關7發(fā)令，伺服滑臺向前，槍鉆向前，刀具帶內(nèi)冷和擋鐵屑板，擋鐵屑板安裝在含油尼龍?zhí)?和5之間，加工過程中，鐵屑和高壓冷卻水經(jīng)過槍鉆導套、模板體和排水槽1排出，最終經(jīng)PVC管排入冷卻水箱。擴孔模板的設計圖如圖8、9所示。

圖8 擴孔模板設計圖

圖9 滾動導套設計圖

擴孔模板安裝在第二工位斜立柱上，當進入加工循環(huán)時，伺服滑臺向前，擴刀向前進入滾動導套進行加工。滾動導向由一對角接觸球軸承支撐，軸承內(nèi)圈隨擴刀一起轉動，軸承外圈固定在擴孔模板體上，前后端法蘭盤10、17帶氣密封，氣密封用于防止灰塵、鐵屑進入軸承。鉸孔模板的設計圖如圖10、11所示。

圖10 鉸孔模板設計圖

圖11 鉸孔導套設計圖

鉸孔模板安裝在第二工位斜立柱上，當進入加工循環(huán)時，伺服滑臺向前，鉸刀向前進入鉸孔導套進行加工。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2、3，保證鉸孔模板三個孔同軸度在0.01mm以內(nèi)，三個孔中心線與鉸孔模板底面的高度范圍在545±0.01mm內(nèi)。同時，確保模板上1孔與2孔、2孔與3孔的距離為170±0.01mm內(nèi)，保證2、3孔與1孔的平行度滿足0.01mm。

鉸孔導套安裝在法蘭盤4上，由于鉸孔為挺桿孔最終精加工工序，可換導套內(nèi)孔尺寸為φ33H6（+0.016/0），導套與刀桿之間采用配磨工藝，保證最終加工精度。這種結構磨損后只需更換可換導套重新配磨即可，大幅度地減少材料的損失和調整時間，并且延長了模板使用壽命。

3.4 刀具

本機床是對被加工孔軸線度要求較高、長徑比很大的深孔的精加工工序，最終選擇槍鉆、擴、鉸的加工形式，刀具都帶有內(nèi)冷。

機床加工的挺桿孔為階梯孔，下端孔直徑為φ32（+0.039/0），上端孔直徑為φ33（+0.62/0）。第一工位槍鉆刀具直徑為φ30，單邊加工余量為1mm/1.5mm，第二工位擴孔刀具直徑為φ31.5/φ32.5，單邊加工余量為0.25mm，第三工位鉸孔刀具直徑為φ32/φ33，達到最終加工尺寸。

(1)槍鉆刀具主要參數(shù)為：

v=81m/min，n=860r/min，S=0.2mm/r，Sm=172mm/min；

刀具總長1000mm，加工時間1.66min。

(2)擴孔刀具主要參數(shù)為：

v=39.6/40.8m/min，n=400r/min，S=0.43mm/r，S m=172mm/min；

刀具總長600mm，加工時間1.55min。

(3)鉸孔刀具主要參數(shù)為：

v10/10.4m/min，n=100r/min，S=1.5mm/r，Sm=150mm/min；

刀具總長510mm，加工時間1.78min。

式中，v表示切削刀具線速度，n表示刀具轉速，S表示刀具每轉進給量，Sm表示刀具每分鐘進給量。

4 結語

本次設計的槍鉆、擴及鉸挺桿孔機床，從總體方案著手，運用了科學的工藝手段和先進的制造技術，尤其在夾具和模板的研究與設計上，開展了相關試驗，最終使設計、加工等工序得以順利完成，達到了預期效果。

本機床已完成最終驗收，應用于生產(chǎn)實踐。經(jīng)用戶廠使用驗證完全達到缸體加工精度和生產(chǎn)率要求。船用V型氣缸體加工挺桿孔機床的研制，使我們在船用發(fā)動機氣缸體精密機床設計制造方面得到許多經(jīng)驗和有益的探索，并為以后同類機床設計制造提供了一定的參考，不僅給國家節(jié)約了大量外匯，而且也給企業(yè)帶來大幅度經(jīng)濟效益。