柴油机缸体缸套孔止口孔精加工组合机床

MINI小帅

1　工件加工内容及其精度要求
  B" r. O/ K- T7 c1.1　加工内容
* l9 k" k% E6 F" F0 h) I' LB4125柴油机缸体合件(B4125.02.021)中4个缸套安装孔及其4个缸套上端止口孔深度。
工步1：半精镗2、4(1、3)缸孔至尺寸
　　　 止口
　　　 上缸孔
　　　 下缸孔
　　　 镗止口深至
' z! v+ E' ^: r) t1 m- L7 X工步2：精车2、4(1、3)缸止口深至
工步3：精镗
　　　 　　
3 y. ^# T) r& Y0 p- ?工件移位后再加工1、3缸孔
定位基准为工艺孔
1.2　加工尺寸及精度(见图1)

主要技术要求
1. 同轴度小于 0.05　　
3．对A-C中心全跳动小于0.05
5 w7 F; F5 Y' r) a+ f; W- Q. x) E% k! s图1　工件工序图
2　技术方案分析
2.1　机床方案
8 ]2 o) q1 ]" Z( ]! r8 _- R根据工件的特点，机床采用立式二轴双工位，如图2所示。配置单轴偏心镗头两个，立式三导轨液压精密滑台一个，移位精密工作台一个，敞开式夹具一套，PC控制变频调速电气系统一套，单独液压站驱动液压系统一套。自动工作循环(见图3)由二根刀杆一次加工两个缸套孔及止口孔，先由上端向下进给为半精加工，用镗头上定位块与缸体顶面直接定位，以保证止口孔端面至缸体顶面要求0.05mm的公差。同时为了不使定位时滑台的进给力施加到工件上，在镗头上设置了缓冲浮动机构。定位后由镗头偏心机构动作，使半精加工一组刀具退出切削位置，同时精加工止口刀具横向进给，精镗孔刀转到缸孔精加工位置，然后镗头向上返回，精加工刀具对缸套孔进行精加工。第一次两个缸套孔加工完成后，移位工作台移动一缸孔距，重复上述内容，完成另两个缸套孔、止口孔及端面的加工。机床滑台为立式三导轨滑台，滑座与立柱为一体，中间导轨导向，两侧导轨限位，大大提高了滑台的强度刚性。另外，在镗头定位块与工件的定位处，设置了压缩空气喷口，在定位前对定位部位进行吹净，确保定位准确。机床全部采用机夹刀。

图2　机床简图

; |, q/ B, z" d) E3 Q% a图3　机床工作循环图
在确定上述机床方案前，我们也曾经考虑过进刀机构用斜面推拉刀块进行横向切削。经过比较后，我们认为偏心机构优点较多，刀体与刀杆无相对运动为刚性连接，不会出现被铁屑或机构卡死，刀具定位精度很高。如偏心机构配置数控系统后，通过控制偏心的转角和刀具的分布，用数控调整实现一次加工多个(两个以上)不同直径的孔和倒角工序。
% D+ j5 m- [4 J. r% b3 S2.2　切削用量及刀辅具设计
主轴切削用量表(电机转速可调)
7 |7 d7 I9 O8 M  c-
上缸孔
下缸孔
: k, G7 t7 i; J) R8 L# D止口
2 D! N( \0 g& {9 L% x切削用量
半精镗
* |8 e9 }8 s4 s0 Z! y6 s精镗
半精镗
精镗
半精镗
精切
切削速度v
m／min
- @+ C" j9 ~, J: X" ], m80～90
100～113
80～90
7 h) z: e6 f/ f0 k3 D9 R8 s100～113
80～90
% x" c4 R- v$ ~: [" q" `; B8 O7 }) V100～113
& R0 T' @* e. Q+ g# m) Y+ a. n主轴转速n
: L4 H- k& @9 [r／min
170～190
210～245
( K! _7 X3 ~( Y% h8 x# a170～190
9 _4 m# Y9 v& [2 D6 ~% j210～245
170～190
210～245
立式滑台每
分进给量mm
50
1 Z8 }4 i1 F+ L; u28
50
3 n% T/ k( k: [" s2 d% H28
: k# [! j4 }$ N2 F2 _  \. e50
% i* h; ?# d9 j1 r3 |& ~  A-
/ G7 S# F9 s! |  p7 ?镗孔每转
% \! u: a( \% G$ [进给量mm
0.26～0.29
0.11～0.13
0.26～0.29
' t; e% h' ?0 f+ M0.11～0.13
3 e" E9 o: I) Q1 |4 n6 O; l0.26～0.29
, n% J7 M# F: z1 B8 X  D' ]- r. B8 A-
5 d- V, W( B' J当刀具由上向下进给时，d、e、f三把镗刀进行半精镗(见图4)，镗刀f到达止口孔深度位置时，偏心机构动作，镗刀a镗车止口端面，同时半精镗刀退刀，精镗刀a、b、c进刀至精镗孔尺寸，刀具由下向上进给进行精镗。切削用量见表，切削速度v采用变频调速，可在一定范围内调整。进给量采用液压系统由调速阀控制。

图4　镗工序示意图
2.3　夹具方案
工件缸套孔中心线对曲轴轴承孔公共中心垂直度要求为0.08mm，若采用曲轴轴承孔定位，底面扶平加辅助支承的定位方式，工件的设计基准与夹具定位基准重合，能较好地保证零件缸套孔的位置度要求，但夹具结构复杂，曲轴轴承孔与定位心轴之间的间隙还必须用可涨心轴较好地消除，此外，对扶平、辅助支承、夹紧机构都要求较高。考虑到精镗曲轴轴承孔是采用底面及两销孔定位，可以保证曲轴轴承孔中心线平行于底面0.04mm，故本机床采用底面及二销定位，保证缸套孔中心线垂直底面0.04mm即可满足垂直度要求。这时夹具的形式是一面两销定位，使得结构简单，工件装卸方便，并且大大减少了机床电气、液压系统的复杂程度。因此机床夹具采用一面两销顶面夹紧的形式。
3　偏心镗头设计
镗削头是本机床的关键部件。在研制中吸取了国内外同类型镗头的先进技术，结合本公司B4125缸体的加工要求和特点，采用了单轴偏心机构镗削头，经单头或多轴组合可以完成单缸及多缸柴油发动机缸套孔的半精镗、精镗、镗车、倒角等多工序加工。
5 W% }; M6 s% n+ S5 a0 S( [3.1　主要结构特点
(1)刀杆轴中心偏离主轴回转中心。利用偏心量进行半精镗、精镗直径尺寸的控制及镗车止口孔端面。镗孔和车止口在同一工位，保证了止口面与上下缸孔中心线的垂直。
  K5 N5 x; d+ ~0 v2 N: k4 B(2)止口加工时，用镗头上的定位挡铁直接与缸体顶面定位，较好地控制了止口端面至缸体顶面的深度并设置了定位缓冲(浮动)装置，避免了定位时机床滑台超行程干涉。
! \0 H5 u% t2 U7 i(3)镗头设计为单轴镗头，集中由一个变速箱一个电机传动，有利于制造安装调整。主轴前支承采用双列短圆柱滚子轴承加推力球轴承结构，使得径向、轴向刚性好，精度较高。
(4)刀杆轴后支承采用滑动轴承并用液性塑料张紧滑套，消除其间隙，提高了对刀杆的抗振动能力。
2 h+ S9 [* U5 E' e) W4 o+ f7 E(5)镗车端面及缸径的进刀运动传递机构采用了消除间隙结构，以保证传动精度。
3.2　镗头动作
, `; h8 _- }1 y2 q如图5所示，电机转矩经齿形带带动带轮2，带轮2经平键带动主轴5旋转，同时带轮2经销带动法兰8，法兰8内花键带动花键轴3，花键轴前端大螺旋角花键带动螺旋花键法兰4，螺旋花键法兰4经键带动处于偏心状态的轴7与主轴5同步旋转。当定位挡铁10在缸体顶面定位后，推杆1(由油缸推动)带动花键轴3作轴向移动，轴3前端螺旋花键经螺旋花键法兰4带动处于偏心状态的轴7转动。由于轴7安装在主轴5的偏心孔内，因而轴7在主轴5的偏心孔内回转就使刀具在径向尺寸上增大(减小)，完成镗车止口孔端面，并由一组刀具换为另一组刀具进行不同直径孔的加工。
1 Y" a9 ?' p$ Z, T. p# `
图5　镗头结构
0 [& g2 }/ Y- P9 @& b; {1.推杆 2.带轮 3.花键轴 4.螺旋花键法兰 5.主轴
6.弹簧 7.偏心主轴 8.内花键法兰 9.前端盖 10.定位挡铁
3.3　偏心工作原理
如图6所示，O为主轴5回转中心(即刀具回转中心)，O′为偏心轴7回转中心，两者间距离为偏心距e，刀尖D到偏心轴7回转中心O′距离为r(此值在加工过程中为定值)，刀尖D到主轴5回转中心O距离为R(此值随着偏心轴7在主轴5体内偏心孔中的转动不断变化，从而实现横走刀和换刀)。由ΔO′OD余弦定理，
当∠rO′O＝0°时，R最小Rmin＝r－e
当∠rO′O＝180°时，R最大Rmax＝r＋e
最大行程是Lmax＝Rmax－Rmin＝2e
当以Rmin和Rmax为半径回转时，两个圆周中间的环形区域则是端面上可以加工到的范围。开始工进时，刀尖至主轴回转中心半径为p1，工进终了为p2，则工作进给过程中偏心轴转角为：φ＝θ2－θ1。考虑本机床特点，设置θ1＝0°，θ2＝150°，θ2处直径即为精镗直径及车端面刀停留直径。θ2＝150°时不是直径的最大值。因而在刀具出现磨损时，增大θ2即可进行刀具磨损量的补偿。θ1＝0°时为半精加工直径。由图不难看出，只要控制转角在θ1至θ2间的变化，刀具就可出现一系列直径位置，可实现多直径镗车、倒角等。

1 ]& D+ Q' q* G# m5 H! d图6　偏心示意图
4　结束语
, g. |' m% ~# k2 q3 U9 H目前本机床已制造、调试完成并投入使用，可保证工件的精度要求。国外同类型机床把精铣缸体顶面与精镗缸套孔、止口孔设置在同一机床上，可更有效地控制止口孔深度。由于缸体尺寸较大，机床设计较庞大，复杂。因此我们采用铣、镗分开，机床较前者简单，但从工艺上提高了前道工序铣缸体顶面与底面的平行度要求。经计算也可保证其要求。本机床如果配置数控系统，可大大提高加工精度及自动化程度，这将有待于今后对本机床的改造。
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