方宇，王龍欣 劉偉玲 蘇兆龍

摘? ?要： 氣缸體是船用發(fā)動機的重要部件之一，主軸孔和凸輪軸孔的精鏜加工是氣缸體加工的關鍵。為船用發(fā)動機的一種常見的V型缸體，研制一種精鏜孔組合機床。提出總體方案，對機床組織架構進行了整體布局;根據機床主要動作循環(huán)，對伺服鏜頭、鏜桿、數控滑臺、液壓自動夾具、自動上料裝置、鏜模板、刀具等關鍵部件的結構、原理及操作工序進行詳細設計。對試切件進行驗收檢查，機床應用實踐表明：各孔系的直徑、圓柱度、同軸度、平行度等指標合格，機床加工性能和加工精度達到設計要求。

關鍵詞： 船用發(fā)動機;V型缸體;主軸孔;凸輪軸孔;精鏜組合機床;鏜模板

中圖分類號：TH122;TG65? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 06-019-08

工業(yè)技術創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.004

引言

船用發(fā)動機是船舶、中小型艦艇和常規(guī)潛艇的主要動力設備。目前我國船用發(fā)動機在機型總體設計方面相對穩(wěn)定，但在個別部件研發(fā)方面尚需攻關。氣缸體是船用發(fā)動機的本體，是船用發(fā)動機的重要部件之一，而主軸孔和凸輪軸孔的精鏜加工又是氣缸體加工的關鍵[1-2]。

V型缸體是一種常見的氣缸體。本文以精鏜孔組合機床項目為背景，從總體方案入手，合理布局機床和零部件結構，優(yōu)化刀具參數和性能等方法，提高加工精度和可靠性，精鏜孔組合機床設計滿足了使用需求。經驗收，機床具有高精度、高效率、高可靠性，在V型缸體加工中獲得了客戶的認可。

1? 總體方案制定

1.1? 被加工零件

（1）名稱：12VC系列V型缸體;

（2）材料：HT250（主軸承蓋材料采用QT500）;

（3）硬度：HBS 190～230;

（4）成品外形尺寸：長2 050 mm，寬812 mm，高955 mm;

（5）成品重量：2 230 kg。

（6）精度要求：如表1所示。

1.2? 機床整體布局

機床是由鏜桿送進裝置、液壓自動夾具、伺服進給滑臺、移位伺服滑臺、伺服鏜頭、底座、側床身、刀具冷卻排屑系統(tǒng)和機床防護等部件組成的[1]。機床整體布局如圖1所示。

1.3? 機床主要動作循環(huán)

機床主要動作循環(huán)如下：

人工吊裝將工件放入上料架→工件落下→凸輪軸中間模板打開→讓刀→送鏜桿→夾具定位→夾緊→半精加工循環(huán)→自動換刀→精加工循環(huán)→松夾→讓刀→退鏜桿→凸輪軸中間模板縮回→工件抬起→人工吊出下料。

2? 關鍵部件設計

2.1? 伺服鏜頭和鏜桿

伺服鏜頭是針對加工缸體主軸孔和凸輪軸孔專門開發(fā)設計的專用鏜頭。主軸帶拉刀機構，具備有刀拉刀到位、無刀拉刀到位和松刀到位檢測功能。主軸電機為交流伺服電機，并且配置鏜桿扭矩監(jiān)控的功能。主軸內部軸承采用進口軸承品牌。鏜頭帶有氣密封，防止鐵屑、粉塵使主軸磨損，避免造成精度上的影響。同時，運用角度編碼器和主軸定位開關，雙重控制鏜刀旋轉后的刀尖位置。

鏜桿分為半精鏜鏜桿和精鏜鏜桿，二者均通過鏜桿送進裝置和移位伺服滑臺完成自動換刀和送刀的功能。鏜桿送進裝置在伺服鏜頭正對面，主軸及鏜桿帶中心內冷功能。鏜桿連接接口為BT50，刀柄和鏜桿間為浮動連接。精鏜鏜桿的精鏜刀夾為進口微調單元。

傳統(tǒng)精密鏜床的鏜頭與鏜桿通過浮動接頭連接，調整需要很大的工作量，并且二者在整個機床的動作循環(huán)都不能分離，因此移位伺服滑臺行程較長。本機床得益于鏜桿送進裝置和移位伺服滑臺的結合應用，減小了移位伺服滑臺的行程。此外，由于鏜桿連接接口為BT50，刀柄和鏜桿間為浮動連接，因此就可以實現自動換刀，將原本兩臺機床（即半精鏜機床和精鏜機床）合并為一臺機床，為客戶節(jié)約了大量成本。

2.2? 數控滑臺

數控滑臺（伺服進給滑臺）是機床的關鍵動力驅動部件，直接關系到機床的加工能力。滑臺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聯軸器連接。聯軸器為精密膜片彈性聯軸器，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，摩擦系數小，動態(tài)性能更好;在滑動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)化內部鑄件結構，強度和剛性大大提高，受熱變形減小，使機床整體結構的穩(wěn)定性更好。

數控滑臺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，潤滑油的循環(huán)也能夠起到降溫控制熱變形的作用[2]。數控滑臺裝配圖如圖2所示。

2.3? 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[3]。

夾具定位方式：采用一面兩銷的定位方式，即以氣缸體底面和底面上的2-25H7定位銷孔作為定位基準，限制6個自由度。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。

工件夾緊方式：通過夾緊液壓缸和鉸鏈壓板來實現。

夾具定位夾緊原理圖如圖3所示。

定位夾緊過程如下：如圖4所示的夾具設計圖，被加工零件17（氣缸體）人工吊裝到上料架上，防護門關，按動開關。工件進行上料正反檢測，檢測正確后，油缸A（圖5）啟動，上料架落下，同時工件的定位銷孔落到對應的圓柱定位銷15和菱形定位銷10上，定位塊1、6、12沖水、吹氣，定位銷10、15沖水，工件油缸夾緊裝置2、7、11夾緊。定位塊進行氣密性檢測，檢測合格后，2、3孔凸輪軸導套移動至加工位并鎖緊，進行導套到位氣密性檢測。檢測合格后，油缸B（圖5）啟動，工件抬起到讓刀位置，鏜桿送進，鏜頭鎖緊鏜桿，油缸B返回，工件落下，主軸孔導套插銷撤回，定位銷推靠裝置9、14上，工件油缸夾緊裝置2、7、11夾緊，定位塊1、6、12氣檢，氣檢合格后，底面輔助支撐3、5、8、13、16上。至此，整個定位夾緊過程完成。

夾具定位夾緊結束后，主軸電機啟動，數控滑臺工退進入半精加工階段，加工結束后，鏜桿撤回，通過鏜桿送進裝置和移位伺服滑臺，按照上述半精加工定位夾緊過程完成精加工工序。加工結束后，工件夾緊裝置、輔助支撐、鏜桿、定位銷推靠裝置、鏜頭、凸輪軸導套均返回原位，工件抬起，防護門打開，人工吊裝卸料。進入下一個工作循環(huán)。

定位塊1、6、12一起在磨床上加工，保證等高高度尺寸滿足（55±0.01） mm要求，同時三個定位塊組成的定位平面的平面度要求0.01 mm以內，允差不超過0.005 mm.輔助支承裝置3、5、8、13、16用于保障被加工零件的定位穩(wěn)定性。

在夾具定位后，定位銷推靠裝置9、14推靠工件，使工件側向移動，工件兩個定位銷孔的母線與定位銷的母線在同側相互接觸，使轉角誤差和位移誤差大大縮小，使定位誤差滿足精度要求。

在夾緊裝置2、7、11結構內，夾緊油缸通過鉸鏈壓板夾緊工件，三個夾緊壓板垂直對應三個定位塊1、6、12，完成被加工零件的夾緊和松開，確保加工過程的穩(wěn)定可靠性。

2.4? 自動上料裝置

如圖5所示的上料架設計圖，人工將被加工零件4（氣缸體）吊裝到上料架上，通過前后端面限位板1、2和左右側面限位板5、13將工件導入上料架，落到定位塊12上。油缸A啟動（左右2個油缸9、10保證同步落下），拉動抬起支架6落下，抬起支架6通過連接軸3、連桿7、連桿支座8之間的相互連接，在抬起導向軸導向作用下，將工件平穩(wěn)落至夾具定位塊上。氣密性檢測合格后，油缸B啟動，將工件抬起4 mm到讓刀位置，鏜桿送進，鏜頭鎖緊鏜桿，油缸B返回，工件落下至定位塊。

2.5? 鏜模板

加工主軸孔、凸輪軸孔時，懸伸的鏜桿細而長，剛性較差，受力容易發(fā)生較大變形，容易產生振動和抖動。為提高鏜桿的剛度，設置了模板，即鏜模板。鏜模板主要用于機床刀具加工時的導向和定位，是保證加工位置準確性的關鍵部件[2]。

鏜模板固定在夾具體上，主體采用鑄造結構。鏜模架上的導套設計形式為可調整式滾動導套。導套內孔全部由人工手動刮研，這樣既容易保證主軸孔和凸輪軸孔的位置精度，又能夠持久地保證較高的加工精度，也提高了鏜刀的切削速度。在鏜模架上還設有導套定位裝置，從而保證鏜刀通過定位系統(tǒng)將刀尖方向定位后可以進出自如。鏜模板在夾具體上的裝配圖如圖4左上方所示。

本夾具上從左至右共設有8個鏜模板，第一模板（最左端）為1、2、3孔前端模板，第二和第五模板為1孔曲軸孔模板，第三和第六模板為3孔凸輪軸孔模板，第四和第七模板為2孔凸輪軸孔模板，第八模板（最右端）為1、2、3孔后端模板。

為保證鏜模板精度，除采用精密三坐標加工外，在x、y、z三坐標軸方向都設有調整墊。安裝時，修磨調整墊，保證模板的1孔同軸度在 0.005 mm 以內，模板的 1 孔中心線連線與定位平面的平行度達到0.005 mm/1 000 mm，1孔中心線連線與定位塊接觸工件平面的高度范圍滿足（300±0.01） mm要求;各模板的1孔中心線與定位銷中心連線平行度達到0.01 mm要求，尺寸范圍達到（280±0.01） mm要求。同時，確保模板上2、3孔的同軸度達到0.005 mm 要求， 保證2、3孔與1孔的平行度滿足0.005 mm/1 000 mm。

為方便安裝、調整和維修以符合設計要求，第一模板和第八模板采用了分體設計的方法，即1孔和2、3孔在不同的模板分體上，通過修磨各自分體之間的調整墊，保證2孔與1孔的相對位置水平方向為（-292.22±0.005） mm，豎直方向為（166.15±0.005） mm;3孔與1孔的相對位置水平方向為（292.22±0.005） mm，豎直方向為（166.15±0.005） mm。

由于工件內部結構的限制，左右各有一個凸輪軸。工件垂直落下過程中，固定式凸輪軸導套與工件相撞;而如果工件在落下過程中走曲線路徑，則需要將左右凸輪軸導套都套入工件內，無法實現。因此，使用移動式凸輪軸導套，即工件垂直落下，落至定位塊后，第三和第六模板（3孔模板）向右側3孔水平移動，第四和第七模板（2孔模板）向左側2孔水平移動，移動至加工位并鎖緊，進行導套到位氣密性檢測，以符合設計要求。

對于2、3凸輪軸孔中間模板，設計圖如圖6所示。油缸C啟動，向上推動豎直齒條4，帶動齒輪軸3轉動，水平齒條安裝在凸輪軸導套滑臺上，滑臺由直線導軌8導向，齒輪軸3推動水平齒條2及滑臺向前運動，滑臺撞氣密檢測塊5停止運動。油缸D啟動，向上推動楔鐵軸11，楔鐵軸11撞擋鐵9停止運動。進行氣密性檢測，檢測合格后，進入下一步動作。至此，凸輪軸孔中間模板運動過程完成[4]。

根據相關使用和維護經驗，模板導向部分的精度要求很高，但其與刀具（鏜桿）時常配合使用，磨損嚴重，更換繁瑣，對精度產生了一定影響，故設計中將模板導向部分改為鑲嵌導套結構。全部導套均采用可調式設計，在安裝中，導套與模板通過配磨，將二者間隙調整到0～0.005 mm的設計要求;導套與刀桿之間也采用配磨方式，將二者間隙調整到0.003～0.008 mm。這樣，結構磨損后，只需更換導套重新配磨即可，大幅度減少了材料損失和調整時間，延長了模板使用壽命。

夾具和鏜模板三維效果設計圖如圖7所示。

2.6? 刀具

本機床主要面向被加工孔軸線度要求較高、深孔長徑比很大的精加工工序，因此最終選擇拉鏜的加工形式。拉鏜鏜削加工過程中，鏜桿始終處于軸向受拉狀態(tài)，鏜頭沿鏜桿前進的直線方向作進給運動，穩(wěn)定性好，加工精度高。鏜桿自行設計，半精鏜、精鏜鏜桿由LMT公司制造，滾動導套由GATECH公司制造。

機床加工1孔主軸孔和2、3孔凸輪軸孔，其中主軸孔半精加工單邊余量1.1 mm，精加工單邊余量0.4 mm，成品尺寸為￠180H6;凸輪軸孔半精加工單邊余量1.1 mm，精加工單邊余量0.4 mm，成品尺寸為￠118H7。

主軸孔刀具主要參數為[5]：

半精加工：v=90 m/min，n=160 r/min，S=0.2 mm/r，Sm=32 mm/min;

精加工：v=124.3 m/min，n=220 r/min，S=0.1 mm/r，Sm=22 mm/min。

其中，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，后文同。

主軸孔（1孔）加工刀具示意圖如圖8所示。

受到被加工零件內部空間限制，凸輪軸孔鏜桿中間部分支撐空間不足，故設計中采用鏜桿內滾軸承，在有限空間中給鏜桿增加移動導套，起到支撐作用，提高加工速度和加工精度。

凸輪軸孔刀具主要參數為[5]：

半精加工：v=84.6 m/min，n=230 r/min，S=0.14 mm/r，Sm=32 mm/min;

精加工：v=126 m/min，n=340 r/min，S=0.065 mm/r，Sm=22 mm/min。

凸輪軸孔加工刀具示意圖如圖9所示。

3? 應用情況

對試切件進行驗收檢查，即設備連續(xù)加工后，檢測加工精度，將試切件各孔系加工值統(tǒng)一記錄，取其中最小值和最大值，如表2所示。結果表明，該三軸鏜組合機床連續(xù)加工的試件均能夠達到設計要求，從而機床加工性能和加工精度也滿足了使用要求，設計達到預期目的。

4? 結束語

本文為船用發(fā)動機的V型缸體研制了一種精鏜孔組合機床。研制思路是：從總體方案著手，運用科學的工藝手段和先進的制造技術，按照組合機床的一般設計規(guī)律，對關鍵部件進行設計，尤其是在液壓自動夾具和鏜模板的研究與設計上開展了大量工作。經驗收，表明機床的設計、加工等工序不僅順利完成，而且達到了預期效果。

本機床已通過最終驗收，并已應用于生產實踐?？蛻舴答佇畔⒘己?，缸體加工精度和生產率達到要求，為社會和企業(yè)帶來了顯著的社會效益和經濟效益。

參考文獻

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[5] 朱祖良. 孔加工刀具[M]. 北京： 國防工業(yè)出版社， 1990.

作者簡介：

方宇（1981—），通信作者，男，山東萊州人，碩士，工程師，任職于通用技術集團大連機床有限責任公司智能制造研究所，主要從事組合機床柔性生產線設計工作。

E-mail： 58287467@qq.com

（收稿日期：2020-09-15）