汽車發(fā)動機(jī)缸體缸孔加工專用鏜床設(shè)計

肖鐵忠，羅靜，龔文均，趙勇，詹捷

(1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川德陽 618000; 2重慶理工大學(xué)汽車零部件制造與檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，重慶 400054)

汽車發(fā)動機(jī)缸體缸孔加工專用鏜床設(shè)計

肖鐵忠1，羅靜2，龔文均2，趙勇2，詹捷2

(1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川德陽 618000; 2重慶理工大學(xué)汽車零部件制造與檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，重慶 400054)

缸體缸孔的加工是缸體加工過程中3道重要工序之一，缸孔的加工質(zhì)量將直接決定發(fā)動機(jī)的品質(zhì)。通過分析某汽車發(fā)動機(jī)缸體結(jié)構(gòu)、缸孔加工精度要求及其加工難點(diǎn)，確定了缸體生產(chǎn)線模式及缸孔加工設(shè)備，重點(diǎn)介紹了專用機(jī)床整體方案，專用夾具結(jié)構(gòu)、傳動系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、床身與立柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計。專機(jī)的成功研發(fā)與投產(chǎn)為以后同類機(jī)床的研發(fā)提供了寶貴經(jīng)驗。

發(fā)動機(jī)缸體;缸孔;專用鏜床

自2010年以來，我國汽車產(chǎn)銷量雙雙超過1800萬輛，穩(wěn)居全球第一。全球產(chǎn)銷量第一的成績得益于中國經(jīng)濟(jì)的騰飛發(fā)展、人們生活水平的整體大幅提升以及國家對汽車工業(yè)的各項鼓勵政策與刺激計劃。但是在全球第一的光環(huán)背后，隱藏的現(xiàn)實(shí)是我國汽車工業(yè)整體技術(shù)水平相對落后，缺乏自主高端品牌，市場競爭力薄弱等。究其原因，是因為我國機(jī)械裝備設(shè)計制造整體實(shí)力較為落后。因此，如何提高汽車及其關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)效率與加工質(zhì)量，已經(jīng)成為國內(nèi)汽車工業(yè)發(fā)展所面臨的必須馬上解決的難題。汽車發(fā)動機(jī)缸體是汽車的五大部件之一，號稱汽車的心臟，其加工精度與加工效率將直接決定汽車的品質(zhì)與生產(chǎn)效率，缸孔的精加工是缸體加工過程的關(guān)鍵工序，其加工精度直接決定發(fā)動機(jī)的品質(zhì)，所以，研制高精度高效率缸孔精加工設(shè)備，對提升發(fā)動機(jī)品質(zhì)進(jìn)而提升汽車的品質(zhì)有著非常重要的意義。

1 發(fā)動機(jī)缸孔技術(shù)參數(shù)及工藝難點(diǎn)分析

發(fā)動機(jī)的主要參數(shù):

氣缸體名稱:四缸直線型氣缸體;

材料牌號:HT250;

工件外形尺寸:311 mm×298 mm×237 mm

缸孔尺寸:直徑φ65.5 mm，深度118 mm;

工件硬度:HBW179～247;

工件質(zhì)量:30 kg。

企業(yè)對氣缸體缸孔的尺寸精度及形位誤差提出了較高要求，給出了圖樣，精度要求見圖1，總結(jié)如下:

(1)四缸孔4×φ65.5 mm的形狀位置公差要求較嚴(yán)格，既要保證四缸孔圓度0.008 mm、圓柱度0.008 mm，又要保證缸孔中心軸線對曲軸孔公共軸線的垂直度0.04 mm。

(2)四缸孔直徑尺寸要求φ65.5±0.02 mm。

(3)四缸孔珩磨后的表面粗糙度要求Ra= 3.2 μm。

圖1 技術(shù)圖樣

要達(dá)到以上所有的技術(shù)要求，加工難度比較大，主要表現(xiàn)為:較高缸孔尺寸精度0.02 mm與較低表面粗糙度3.2 μm之間的矛盾;直徑公差帶非常窄，刀具磨損方向是圓度及圓柱度的誤差敏感方向，一次刀具調(diào)整往往只能可靠加工幾個或十幾個工件，因而需要正確合理地設(shè)計切削方法及刀具結(jié)構(gòu);缸孔的圓柱度與圓度精度均為8 μm，缸孔中心線對曲軸孔的垂直度為0.04 mm，要求鏜床具備較高的工藝系統(tǒng)剛度及幾何精度，降低機(jī)床原始誤差對工件加工質(zhì)量的影響。

企業(yè)對缸體提出的生產(chǎn)綱領(lǐng)是10萬件/年，根據(jù)企業(yè)的工作制度:300日/年，2班制生產(chǎn)/日，8小時/班，生產(chǎn)效率91%，設(shè)備負(fù)荷率90%，可以計算得到缸體的生產(chǎn)節(jié)拍為300×2×8×0.91×0.9×60/ 100 000=2.4 min/件。綜上，為提高缸體加工效率并達(dá)到技術(shù)圖樣的加工精度，選擇組合/專用機(jī)床與加工中心組成的缸體“混合型自動生產(chǎn)線”加工缸體，缸體缸孔的精加工由專用機(jī)床完成［1－2］。針對上述要求及特點(diǎn)，作者所在科研團(tuán)隊與企業(yè)共同研發(fā)了缸體生產(chǎn)線，并設(shè)計制造了缸體缸孔精加工專用雙軸精密數(shù)控鏜床等專用設(shè)備。

2 專用鏜床整體方案設(shè)計

2.1 專用鏜床整體布局

與通用機(jī)床的設(shè)計不同，專用機(jī)床的布局是圍繞工件的加工姿態(tài)來設(shè)計的，即工件加工時的姿態(tài)決定專用夾具結(jié)構(gòu)，專用夾具結(jié)構(gòu)決定機(jī)床結(jié)構(gòu)。因此，在設(shè)計機(jī)床之前，應(yīng)先確定工件加工時的姿態(tài)，文中缸體加工時的姿態(tài)為底面向下，后端面在左，見圖2。

圖2 缸體加工時姿態(tài)示意圖

采用此姿態(tài)對缸體缸孔進(jìn)行精鏜加工，綜合考慮了缸孔加工工藝特點(diǎn)、機(jī)床結(jié)構(gòu)、方便工件上下料、方便刀具更換及便于機(jī)床維修等因素。專用鏜床整體布局見圖3。

圖3 鏜床整體布局

圖3主要表示了專用鏜床主要零部件的布局及其安裝位置，包括床身、工件滑臺與底座、專用夾具、立柱、主軸箱、微調(diào)精密鏜刀等。其中工件滑臺與主軸箱滑臺均采用非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控滑臺，因工件加工精度要求較高，床身、立柱及鏜刀需具備較高的動靜剛度及共振頻率。除工件的上下料之外，其他所有動作均由控制系統(tǒng)控制自動完成。

2.2 專用鏜床的工作原理與工作循環(huán)

此機(jī)是根據(jù)立式鏜床的工作原理設(shè)計得到的，主要包括專用夾具 (將工件正確穩(wěn)定定位)，工件滑臺(安裝在床身底座上，將工件準(zhǔn)確送入加工區(qū)域)，主軸箱滑臺 (安裝在立柱上，完成工件加工時主軸的進(jìn)給運(yùn)動)。其工作循環(huán)的主要動作是:上料;工件滑臺進(jìn)入1、3孔加工區(qū)，完成1、3孔精鏜加工;刀具退出，工件滑臺進(jìn)入2、4孔加工區(qū)，完成2、4孔精鏜加工;刀具退出，工件滑臺退回原點(diǎn)，進(jìn)入下一道工序。

3 專用鏜床主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 專用夾具設(shè)計

專用夾具是指僅為適用于某一工件的某道工序或幾道工序的加工而專門設(shè)計的夾具，具有很強(qiáng)的針對性、專一性，當(dāng)工序或工件變更時，專用夾具均可能失去使用價值［3］。針對缸體缸孔精加工這道工序?qū)ｉT設(shè)計了專用夾具，工件采用一面兩銷的方式進(jìn)行定位［1，4］，專用夾具主要由夾具底座、定位機(jī)構(gòu)、工件升降機(jī)構(gòu)、工件夾緊機(jī)構(gòu)、氣缸等組成，夾具結(jié)構(gòu)件圖4。

圖4 夾具結(jié)構(gòu)

夾具工作原理:升降機(jī)構(gòu)氣缸導(dǎo)桿13將工件升降板16升至導(dǎo)向板18同等高度，人工將工件推進(jìn)夾具，由輔助限位擋板15限位，工件升降板16下降至原位，工件由定位銷與可調(diào)支撐板實(shí)現(xiàn)定位，夾緊氣缸導(dǎo)桿通過接頭9帶動夾緊塊11實(shí)現(xiàn)工件的夾緊，完成工件的裝夾。完成缸孔精鏜加工后，松開夾緊機(jī)構(gòu)，升降機(jī)構(gòu)將工件抬起，人工將工件拉出，進(jìn)入下一道工序。

3.2 傳動系統(tǒng)設(shè)計

專用鏜床的傳動系統(tǒng)包括主傳動系統(tǒng)、進(jìn)給傳動系統(tǒng)及輔助運(yùn)動系統(tǒng)三部分。

3.2.1 主傳動系統(tǒng)設(shè)計

主軸的旋轉(zhuǎn)作為該機(jī)床的主運(yùn)動，需對其動力源、傳遞及輸出進(jìn)行設(shè)計。在傳動系統(tǒng)中，最終的輸出速度及力 (或力矩)是傳動系統(tǒng)設(shè)計的核心問題，改變速度的方式有兩種:(1)在傳遞環(huán)節(jié)中改變速度(如采用齒輪傳動、帶輪傳動等);(2)改變動力源的速度 (如采用變頻調(diào)速電機(jī))。文中綜合以上兩種方式，即動力源采用變頻調(diào)速電機(jī)、傳遞環(huán)節(jié)采用帶輪傳動，得到合適的輸出。圖5為主運(yùn)動傳動原理示意圖，圖6為主軸箱三維結(jié)構(gòu)圖。

圖5 主運(yùn)動傳動原理

圖6 主軸箱三維結(jié)構(gòu)

3.2.2 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計

進(jìn)給運(yùn)動由機(jī)床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。進(jìn)給傳動系統(tǒng)一般由動力源、變速機(jī)構(gòu)、換向機(jī)構(gòu)、運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、執(zhí)行件等組成［5］。文中設(shè)計的專用鏜床包括工件進(jìn)給系統(tǒng)與主軸進(jìn)給系統(tǒng)，兩進(jìn)給系統(tǒng)均由伺服電機(jī)、滾珠絲杠、滑臺等組成，這里只介紹工件進(jìn)給系統(tǒng)。工件進(jìn)給系統(tǒng)如圖7所示，伺服電機(jī)軸通過聯(lián)軸器將動力傳遞至滾珠絲杠，絲杠通過絲杠安裝座與工件滑臺固結(jié)在一起，將絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為滑臺的直線運(yùn)動，完成工件滑臺的進(jìn)給運(yùn)動。

圖7 工件滑臺進(jìn)給機(jī)構(gòu)

3.2.3 輔助運(yùn)動系統(tǒng)

輔助運(yùn)動系統(tǒng)主要體現(xiàn)在所設(shè)計的專用夾具上，夾具的夾緊與工件的升降運(yùn)動均為該機(jī)床的輔助運(yùn)動，其動作均由氣缸完成，結(jié)構(gòu)見圖4。

3.3 精密微調(diào)鏜刀設(shè)計

微位移機(jī)構(gòu)是一種行程小、位移靈敏度與精度高的機(jī)構(gòu)，是精密機(jī)械實(shí)現(xiàn)高精度的關(guān)鍵技術(shù)之一［6］。刀具系統(tǒng)微位移機(jī)構(gòu)根據(jù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)形成微位移的原理可分為機(jī)械式與機(jī)電式兩大類［7］。文中采用機(jī)械斜面式實(shí)現(xiàn)刀具在徑向上的位移補(bǔ)償，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖8。

圖8 自動補(bǔ)償?shù)毒呓Y(jié)構(gòu)示意圖

刀具直徑需要進(jìn)行微調(diào)時，轉(zhuǎn)動絲杠5帶動圓柱楔塊3在內(nèi)孔軸向上做微小距離移動，通過其上的斜面使球頭柱塞2做徑向移動，球頭柱塞2迫使精鏜刀片1做徑向位移，從而改變直徑?？苫瑒訄A柱楔塊3的行程與絲杠5的轉(zhuǎn)角的關(guān)系為:

式中:X為圓柱楔塊的移動距離，mm;

L為絲杠的導(dǎo)程，mm;

β為絲杠的轉(zhuǎn)角，(°)。

由上述可知，精鏜刀1片沿徑向移動的距離與絲杠5轉(zhuǎn)角的關(guān)系為:

式中:Δr為刀具徑向位移，mm;

α為圓柱楔塊斜面傾角，(°)。

文中自動補(bǔ)償鏜桿采用的絲杠螺距是2 mm，伺服電機(jī)的精度為1°，可知，當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動1°時，精鏜刀片沿徑向移動的位移是:

即孔徑改變量為2Δr=0.002 mm，可知此機(jī)構(gòu)的精度為0.002 mm。

加工過程中，刀具的磨損會直接復(fù)制到缸孔的直徑上，但是缸孔的直徑公差帶是確定、有限的，當(dāng)其超出公差范圍時，工件將成為廢品。使用并設(shè)計自動補(bǔ)償裝置的目的就是要降低或去除刀具磨損對缸孔加工精度的影響，提高產(chǎn)品質(zhì)量［8］。

3.4 床身與立柱設(shè)計

床身與立柱均是機(jī)床的支承件，它們是其他零部件固定在其上的基礎(chǔ)，是各部件能準(zhǔn)確可靠完成各自運(yùn)動的基礎(chǔ)，應(yīng)具有較高的動靜剛度、較好的抗振性與熱穩(wěn)定性、排屑方便暢通等特點(diǎn)。床身與立柱均采用灰鑄鐵鑄造，床身與立柱結(jié)構(gòu)見圖9與圖10。

圖9 灰鑄鐵床身三維結(jié)構(gòu)圖

圖10 灰鑄鐵立柱三維結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語

機(jī)床根據(jù)工件加工姿態(tài)確定夾具結(jié)構(gòu)，然后再圍繞夾具結(jié)構(gòu)來確定機(jī)床的結(jié)構(gòu)。通過分析缸體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工藝及加工難點(diǎn)，確定了機(jī)床整體方案，對其主要零部件如夾具、傳動系統(tǒng)、刀具、床身及立柱等的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。此機(jī)床自生產(chǎn)制造、加工實(shí)驗、檢測驗收后，在重慶某機(jī)械制造企業(yè)投入使用一年多以來，機(jī)床運(yùn)行情況良好，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

【1】肖鐵忠，羅靜，龔文均，等.汽車發(fā)動機(jī)汽缸體缸孔雙軸精鏜加工工藝［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2013(2):128－131.

【2】陳長年.現(xiàn)代化生產(chǎn)線——現(xiàn)代汽車零部件加工自動線的特征［J］.現(xiàn)代零部件，2010(12):38－43.

【3】王啟平.機(jī)床夾具設(shè)計［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2009.

【4】金延安，洪方明.發(fā)動機(jī)缸體加工基準(zhǔn)的選擇［J］.現(xiàn)代零部件，2010(8):78－79.

【5】馮辛安.機(jī)械制造裝備設(shè)計［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

【6】王選逵，李慶祥，劉成穎，等.精密加工技術(shù)實(shí)用手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

【7】譚淑英.超精密切削微位移系統(tǒng)的研制［D］.天津:天津大學(xué)，2005.

【8】朱效波，王福元，宦海祥.發(fā)動機(jī)缸孔精鏜刀桿設(shè)計及加工誤差補(bǔ)償［J］.機(jī)械工程師，2008(12):132－133.

Design of Special Boring Machine for Processing of the Cylinder Bores of Automobile Engine Cylinder

XIAO Tiezhong1，LUO Jing2，GONG Wenjun2，ZHAO Yong2，ZHAN Jie2
(1.Mechanical and Electronic Engineering Department，Sichuan Engineering Technical College，Deyang Sichuan 618000，China;2.Key Laboratory of Manufacture and Test Techniques for Automobile Parts，Ministry of Education，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

The processing of the cylinder bores is one of the important processes of cylinder processing，its processing quality determine the quality of the engine directly.By analyzing the structure of a car engine cylinder，cylinder bore machining precision requirements and manufacture difficulties，cylinder production line mode and cylinder bore processing equipment were determined.The design of the special machine overall scheme，special fixture structure，transmission system，the structure of tool system and the structures of the bed and the column were focused on.The special machine successful development and putting into operation provide valuable experience for future research and development of similar machine.

Engine cylinder;Cylinder bore;Special boring machine

TH122

B

1001－3881(2014)8－047－4

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.016

2013－03－28

肖鐵忠 (1986—)，男，碩士研究生，研究方向為先進(jìn)制造技術(shù)及裝備。通信作者:羅靜，E－mail:luojing@ cqut.edu.cn。