數(shù)控隨動曲軸/凸輪軸外銑機(jī)床的設(shè)計研究

牛福林

(青海第二機(jī)床制造有限責(zé)任公司，青海西寧810021)

曲軸/凸輪軸是發(fā)動機(jī)中最重要的零件，屬于軸類零件中難加工的工件，它的加工工藝直接影響發(fā)動機(jī)的使用壽命和工作的穩(wěn)定性。通常加工曲軸連桿頸時，由于連桿頸的偏心，一般加工的方法是將夾持曲軸工件的卡盤做成偏心卡盤，將連桿頸的軸心線調(diào)到與機(jī)床車頭主軸回轉(zhuǎn)軸線重復(fù)，再用車序或銑序的加工方式加工。但由于曲軸是多品種小批量的工件，所以加工不同品種的曲軸時，如果使用上述方法調(diào)整機(jī)床不光會增加勞動成本，而且加工的效率又很低。而數(shù)控隨動曲軸外銑機(jī)床解決了這一難題，它不用調(diào)節(jié)夾持卡盤的偏心，即可滿足曲軸多種類間更換，即既縮短了加工節(jié)拍，又滿足了工件要求的高精度、高效率、高穩(wěn)定性。

1 機(jī)床的加工特點(diǎn)

數(shù)控隨動曲軸外銑床:適合多品種小批量的加工，適應(yīng)性很強(qiáng)；利用成型刀盤切削，生產(chǎn)效率高；能夠適應(yīng)數(shù)控流水線加工，降低勞動強(qiáng)度，節(jié)約成本；高智能化，精度高，質(zhì)量穩(wěn)定；既可滿足單機(jī)生產(chǎn)使用，又能配合自動線上其他曲軸加工機(jī)床以及與桁架機(jī)械手組成的曲軸生產(chǎn)線，適用范圍廣。

2 機(jī)床的整體布局與組成

機(jī)床由雙銑頭單元或單銑頭單元、雙車頭主軸單元、自動隨動自定心中心架、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、除塵裝置、全封閉整體防護(hù)、排屑裝置、氣動系統(tǒng)和發(fā)那科數(shù)控系統(tǒng)等組成。機(jī)床通過開發(fā)的專用軟件，實現(xiàn)自動線或單機(jī)生產(chǎn)曲軸/凸輪軸的加工。

機(jī)床各坐標(biāo)軸如下:

C1軸、C2軸:車頭主軸旋轉(zhuǎn)

X軸:刀盤徑向移動

Z軸:銑頭箱軸向移動

V軸:隨動中心架軸向移動

主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 機(jī)床加工方式

機(jī)床通過雙車頭(C軸)同步驅(qū)動和銑頭單元(X軸)橫向繞工件連桿頸軸心隨動插補(bǔ)切削。車頭單元帶動工件旋轉(zhuǎn)一周，銑頭單元帶動大刀盤隨動切削一個工件連桿頸外圓、平衡塊兩側(cè)腹板、沉溝槽或主軸頸外圓、平衡塊兩側(cè)腹板。

4 機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

針對曲軸和凸輪軸是軸類最難加工的工件，根據(jù)外銑機(jī)床加工工藝特點(diǎn)，對機(jī)床床身設(shè)計了采用45°斜導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，內(nèi)部筋板布置合理，具有高的抗彎和抗扭剛度，機(jī)床穩(wěn)定性和抗振性好，床身導(dǎo)軌和底座為整體結(jié)構(gòu)，全部采用矩形導(dǎo)軌，導(dǎo)軌跨距大，淬硬并精磨，剛性好，精度高，耐磨性好。

床身前導(dǎo)軌兩端分別放置左、右車頭單元，左、右溜板位于床身后導(dǎo)軌，其上分別放置左、右銑頭單元。因曲軸(凸輪軸)屬細(xì)長軸類，同時又有相位要求，因此工件主軸采用雙驅(qū)動同步旋轉(zhuǎn)，防止工件扭曲變形。在左、右車頭箱之間，放置液壓自定心中心架，中心架可防止切削時工件的振動和彎曲變形。

機(jī)床的銑頭單元主軸前后端采用日本精密高速雙列圓錐滾子軸承，由液壓消隙斜齒輪傳動和大功率變頻電動機(jī)帶動，刀盤線速度可達(dá)到270 m/min，滿足高速切削、高精度切削、強(qiáng)力切削的要求。

左、右車頭單元的主軸由大扭矩交流伺服電動機(jī)驅(qū)動；前后軸承都采用滑動軸承，軸向力由前端的推力軸承來承受，剛性好，承載能力強(qiáng)，調(diào)整方便。左、右車頭單元各配備了一套專用卡盤和雙活塞回轉(zhuǎn)油缸、軸向定位裝置以及曲軸/凸輪軸的角向定位裝置。

機(jī)床前端安裝有排屑器，便于切屑的排出，也便于日后維修。

5 機(jī)床專用附件的設(shè)計

機(jī)床能夠高效率、高精度、高穩(wěn)定性，必須要有穩(wěn)定可靠的附件。

該機(jī)床配備了專用高剛性動力卡盤、高剛性卡爪、高精度浮動頂尖，它們集成在一起安裝在車頭單元前端。并設(shè)計雙活塞液壓回轉(zhuǎn)油缸，用于卡盤的夾緊和放松，同時保證頂尖的頂緊和放松，保證卡盤能夠自動可靠地夾緊工件。

自動隨動液壓自定心中心架，通過編程驅(qū)動可以夾緊曲軸/凸輪軸工件的不同主軸頸，在切削時輔助支撐工件，使工件的剛性增強(qiáng)。

銑刀盤定制美國和德國制造的專用大直徑銑刀盤。刀盤上安裝特制的模塊刀夾，互換性高；每個刀座上裝有銑削側(cè)面和外圓的特制刀片，可根據(jù)工件定制。

機(jī)床還配備了冷風(fēng)潤滑冷卻系統(tǒng)，此系統(tǒng)通過零下20℃的冷風(fēng)和微量切削液，使刀具的刀片使用壽命延長、加工質(zhì)量穩(wěn)定、單位時間金屬切除率增加和工件溫升降低，變形量減小，工件表面粗糙度Ra值小且變化不大。

機(jī)床帶有自動空氣吹屑功能。此功能能夠?qū)⑶邢鞫逊e的切屑排到排屑器中。

機(jī)床配備靜電吸霧裝置，將機(jī)床加工時產(chǎn)生的煙霧和粉塵處理干凈，此系統(tǒng)使環(huán)境更加環(huán)保。

機(jī)床床身與水平面成45°斜面，銑頭單元裝有配重裝置，以平衡銑頭單元的自重，消除銑頭單元上下移動時的不均勻。同時橫向運(yùn)動交流伺服電動機(jī)采用帶制動裝置的伺服電動機(jī)，防止銑頭單元因自重引起下滑，提高機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度。

機(jī)床帶有自動潤滑系統(tǒng)，可保證各軸絲杠和軸承的潤滑。主軸軸承采用獨(dú)立的帶報警流量監(jiān)控裝置，確定各潤滑點(diǎn)能夠自動潤滑。

液壓系統(tǒng)設(shè)計，為機(jī)床的雙動力卡盤和浮動頂尖以及銑頭單元的配重提供動力。

機(jī)床采用全封閉的整體防護(hù)，避免切屑的外泄和噪音的傳播，為加工車間創(chuàng)造更好的工作環(huán)境。防護(hù)門通過氣動控制，能夠自動開合。防護(hù)罩上還增加了檢修防護(hù)門，方便了日后的檢修工作。

6 結(jié)語

數(shù)控隨動曲軸/凸輪軸外銑機(jī)床適用于200～1 300 mm曲軸/凸輪軸的加工，該款機(jī)床填補(bǔ)了國內(nèi)曲軸和凸輪軸加工領(lǐng)域的空白，機(jī)床高效環(huán)保、技術(shù)性能屬于國際前沿。目前該機(jī)床有30多臺已在并交付用戶實現(xiàn)生產(chǎn)使用，效果良好，加工技術(shù)得到了用戶認(rèn)可，同時也為我國曲軸/凸輪軸加工行業(yè)提供了先進(jìn)高效的工藝裝備。