龐應(yīng)周

1.西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院實習(xí)工廠，陜西西安 710032

2.西安專用機(jī)床廠，陜西西安 710032

氣缸體缸蓋結(jié)合面立軸銑磨專用機(jī)床的設(shè)計研究

龐應(yīng)周1，2

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本文論述用于發(fā)動機(jī)氣缸體與缸蓋結(jié)合面維修加工的立軸銑磨專用機(jī)床設(shè)計開發(fā)背景及關(guān)鍵技術(shù)，并針對不同材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式氣缸體與缸蓋結(jié)合面維修加工方式及工裝刀具等方面進(jìn)行了探討和分析，提出改善及提高其維修加工精度、效率的途徑。

氣缸體缸蓋結(jié)合面；維修加工；專用機(jī)床；設(shè)計開發(fā)；關(guān)鍵技術(shù)

1 設(shè)計開發(fā)背景

缸體是發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)零件，缸蓋是發(fā)動機(jī)的主要零件之一。為保證缸體缸蓋結(jié)合面以及缸墊的可靠耐久密封，對發(fā)動機(jī)缸體缸蓋結(jié)合面的粗糙度、平面度、波紋度甚至紋理都應(yīng)有嚴(yán)格要求。

傳統(tǒng)的維修技術(shù)和裝備已雖然能滿足粗糙度和平面度的基本要求，但效率低，且加工紋理和波紋度的不能滿足新型發(fā)動機(jī)的缸體、缸蓋結(jié)合面修復(fù)加工質(zhì)量要求，因而與之緊密相關(guān)的發(fā)動機(jī)維修設(shè)備應(yīng)進(jìn)行提升和改進(jìn)，以確保修復(fù)加工質(zhì)量。

下面對用立軸矩臺銑磨床和臥軸矩臺平面磨床兩種不同方法加工出來的缸體缸蓋表面在發(fā)動機(jī)工作中的影響進(jìn)行分析：

1）從宏觀表面來看，二者在平面度和粗糙度方面的加工效果都很好，均能達(dá)到技術(shù)要求；

2）在微觀上有很大的不同。

立軸矩臺銑、磨床產(chǎn)生的是菱形網(wǎng)紋，縱向和橫向均為很淺的波紋斷面，密封性能可靠。而臥軸矩臺磨床磨削出的是同一方向由尖銳沙粒劃出的斷續(xù)V形斷續(xù)槽即直紋，會使缸墊在這一方向摩擦阻力較小，在發(fā)動機(jī)工作中，缸內(nèi)的高頻次交變的巨大的溫差和壓差作用下的水汽、二氧化碳進(jìn)入這些底部尖銳的V形直紋槽中，易產(chǎn)生微觀變形、腐蝕或因應(yīng)力，其影響惡劣，是缸墊故障的主要原因。

采用立軸端面銑或端面磨工藝加工的表面則可以極大地克服這些弊端，減少故障率，延長發(fā)動機(jī)的使用壽命，還具有如下優(yōu)點：

1）端面銑、磨削加工提高了加工效率，φ510 mm刀盤一次切出，生產(chǎn)效率為臥軸精磨的3～5倍，加工表面為完整網(wǎng)狀刀紋，無接刀痕，產(chǎn)品美觀，可實現(xiàn)高效加工。

2）缸體與缸蓋多用灰鑄鐵或鋁合金鑄造，隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展，全鋁發(fā)動機(jī)已經(jīng)在大量的車型上被采用。以鑄鐵發(fā)動機(jī)為主要對象的臥軸磨削方式應(yīng)用面將逐漸減少，以端面銑削為主，銑、磨兼顧的維修方式將逐漸成為主流。

基于以上幾個方面，采用新型的立軸端銑或端磨方式來實現(xiàn)缸蓋、缸體平面的修復(fù)加工勢在必行。我廠3M9750機(jī)床的開發(fā)即是應(yīng)國內(nèi)外市場的需求而設(shè)計的。

2 發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋平面維修加工的具體要求

發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋的平面度≤0.04mm，表面粗糙度Ra1.6μm；波紋間距≥1.9mm，波紋高度25～51 μm；紋理為網(wǎng)紋，材料分為鋁合金及灰鑄鐵兩種。

3 機(jī)床設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 機(jī)床整機(jī)

圖1為機(jī)床外觀圖。機(jī)床采用立軸結(jié)構(gòu)，液壓工作臺，主軸箱體沿立柱導(dǎo)軌垂直升降、主軸套筒手動垂直進(jìn)給，均設(shè)置鎖緊機(jī)構(gòu)，可以避免加工時產(chǎn)生的不利振動。采用立磨砂瓦刀盤，磨削效率高；在刀盤外側(cè)裝夾銑刀后，又可以方便進(jìn)行銑削加工，擴(kuò)大了機(jī)床加工能力。

圖1 機(jī)床外觀圖

3.2 機(jī)床關(guān)鍵部件的設(shè)計

3.2.1 變頻調(diào)速主軸

主軸的前端支承采用“背靠背”圓錐磙子軸承組合，可以同時承受很大的軸向力和徑向力；主軸的后端支承采用雙排圓柱磙子軸承，增強(qiáng)了主軸遠(yuǎn)端支承剛度及抗振性。

在設(shè)計中，通過優(yōu)化主軸結(jié)構(gòu)，合理制定軸承配合部位的配合公差要求；主軸套筒與主軸箱體定位孔以小間隙配合，移動范圍20mm，在上下端配合部位設(shè)置徑向雙夾緊機(jī)構(gòu)，保證可靠鎖緊，實現(xiàn)主軸的高剛性，提高了抵抗切削外力影響的能力。主軸前端與刀盤結(jié)合錐面（錐度1：5）的端面跳動不大于0.005mm，徑向跳動不大于0.015 mm。

3.2.2 基礎(chǔ)大件的設(shè)計

機(jī)床基礎(chǔ)大件含床身、立柱、主軸箱、工作臺等，在借鑒國內(nèi)先進(jìn)機(jī)床廠家（如陜西機(jī)床廠、漢川機(jī)床廠等）大結(jié)構(gòu)件設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，利用三維設(shè)計，對重要基礎(chǔ)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，合理設(shè)置基礎(chǔ)件導(dǎo)軌跨距及導(dǎo)軌結(jié)合面的寬度、長度，在主要受力方向增加基礎(chǔ)件寬度及合理布筋，既保證了加工時機(jī)床的整體剛性，又控制了重要基礎(chǔ)件鑄件的總重量。

3.2.3 加工高度的調(diào)整方式

為了可以適應(yīng)于不同的工件高度，主軸箱體由減速電機(jī)拖動絲杠螺母實現(xiàn)大范圍快速升降調(diào)節(jié)，每次下降結(jié)束后，箱體有一微量回升，改變螺母間隙方向，確保在磨（銑）過程中主軸箱不會產(chǎn)生意外下滑而出現(xiàn)軋刀；刀盤的垂直精細(xì)進(jìn)給則由箱體側(cè)面的轉(zhuǎn)動手輪調(diào)節(jié)，手輪轉(zhuǎn)動一格的進(jìn)給量約為0.02mm，在高度方面可實現(xiàn)微量調(diào)整，操作方便。同時為保證加工時的高剛性，在粗調(diào)整后將主軸箱位置固定，在精進(jìn)給調(diào)整后將主軸套筒位置固定。這樣既可以調(diào)整，加工時又可以固定。

3.2.4 液壓工作臺

工作臺運動采用液壓無級調(diào)速，運動平穩(wěn)，又可方便獲得合理的進(jìn)給速度。通過調(diào)整機(jī)械行程撞塊，可方便控制運動行程的位置及大小。

3.2.5 冷卻方式

磨頭冷卻采用環(huán)狀噴淋方式，冷卻充分，能有效減小磨削熱變形，保證磨削精度，提高磨削效率。

3.2.6 跟隨式找正裝置

由于氣缸體及氣缸蓋修理加工量比較小，一般在0.2～0.3mm，為此設(shè)計了跟隨式找正裝置，在刀盤外側(cè)可安裝找正表架，可方便檢查工件的變形量，幫助操作工確定進(jìn)刀深度，操作方便。

3.2.7 砂輪修整器

平整鋒利的砂瓦可以極大提高加工質(zhì)量，減少在磨削中產(chǎn)生的熱量，提高修磨工效。為此設(shè)計了砂輪修整器，在刀盤護(hù)罩外部安裝可安，可方便砂瓦端面的修正。

3.3 刀盤結(jié)構(gòu)與切削工藝參數(shù)

3.3.1 刀盤結(jié)構(gòu)

本機(jī)床設(shè)計了高剛性端磨砂瓦刀盤，刀盤外側(cè)設(shè)置端面銑刀安裝槽，刀盤定位安裝孔錐度為1：5，與主軸前端外錐面可靠固定，刀具的軸端伸出量大大縮短，加工時受力更為合理，剛性高，便于加工精度的保證。刀盤直徑φ510 mm，刀具直徑可以覆蓋整個缸蓋的寬度，由于主軸及基礎(chǔ)件的高剛性設(shè)計，加工時可以一刀加工，直接加工出所需加工平面，而不會產(chǎn)生振動。

3.3.2 切削工藝參數(shù)的合理設(shè)置

在切削時，通過切削工藝參數(shù)的合理選用，可達(dá)到所要求的平面度和粗糙度。

1）銑削鋁合金缸體缸蓋結(jié)合面

粗銑進(jìn)給量0.2～0.5mm；精銑0.02～0.05mm；主軸轉(zhuǎn)速（400～500r/min為宜），粗銑工作臺進(jìn)給速度100～150mm/min；精銑50～100 mm/min。

2）銑削鑄鐵缸體缸蓋結(jié)合面

采用硬質(zhì)合金銑刀銑削時，粗銑進(jìn)給量0.2～0.3mm；精銑0.02～0.05mm；主軸轉(zhuǎn)速150～180 r/min，工作臺進(jìn)給速度40～60mm/ min。

采用立方氮化硼銑刀銑削缸蓋時，粗銑進(jìn)給量0.2～0.3mm；精銑進(jìn)給0.02～0.05mm；主軸轉(zhuǎn)速300～400 r/min，工作臺進(jìn)給速度80～100 mm/min。

3）磨削鑄鐵缸體缸蓋結(jié)合面

磨削操作前，需先拆除砂瓦盤上的銑刀，并應(yīng)借助百分表精確控制垂直進(jìn)給量。

進(jìn)給量（粗磨0.03～0.05mm；精磨0.01～0.02mm），主軸轉(zhuǎn)速900～1000r/min，工作臺移動速度200～300mm/min。

4 加工效果

加工長度1 500mm、寬度500mm、牌號HT250的鑄鐵試件，菱形刀紋清晰可辨，其平面度可達(dá)0.02 mm，表面粗糙度和波紋度符合維修加工要求。

5 適合加工的工件范圍

本機(jī)床適合加工的工件范圍為：長度≤1500 mm，寬度≤500 mm，高度≤800 mm。

6 結(jié)論

本發(fā)動機(jī)缸蓋缸體立軸銑磨床于2008年3月樣機(jī)研制成功，8月小批生產(chǎn)并銷往巴基斯坦用戶，用于修理的軍用運輸車輛及坦克發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋平面的精銑、精磨加工，精度穩(wěn)定，性能可靠，效率高，受到客戶好評。

該機(jī)型能替代傳統(tǒng)汽車工業(yè)發(fā)動機(jī)維修企業(yè)所用的磨床和銑床，一機(jī)多能，適應(yīng)范圍廣，可實現(xiàn)高效加工，操作維護(hù)簡便，并滿足新型高等級發(fā)動機(jī)缸體缸蓋平面修理要求，填補(bǔ)市場空白，滿足用戶需求。

[1]王英軍，龐應(yīng)周，等.中華人民共和國交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/ T636-2005.立軸缸體缸蓋平面磨床[S].

[2]于秀文，傅文范.中外汽車維修數(shù)據(jù)手冊[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[3]孟少農(nóng).機(jī)械加工工藝手冊[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

TG58

A

1674-6708（2010）24-0055-02

龐應(yīng)周，工程師，工作單位：西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院實習(xí)工廠（西安專用機(jī)床廠），研究方向：專用機(jī)床總體及關(guān)鍵功能部件的設(shè)計及研制