发动机汽缸盖半圆槽数控铣床的研究

2011-10-20何荣开

制造技术与机床 2011年12期

何荣开

（东南大学机械工程学院，新型光源技术及装备教育部工程研究中心，江苏南京 210096）

某型号摩托车发动机，发动机的曲轴安装在汽缸体和汽缸盖之间，在汽缸盖上留有半圆槽，并且两端部不通（图1），半圆槽直径尺寸为φ28JS8（±0.016），槽底部离安装面为14±0.016 mm，汽缸盖的材料为LY102，毛坯为精密压铸铝件，其半圆槽单边加工余量在0.8 mm左右，要求加工机床的生产效率为3 min/件。

通过工艺试验，汽缸盖毛坯件的半圆槽用二次铣削加工，粗铣半球头铣刀去除毛坯余量85%，留余量的15%用精半球头铣刀加工，铣削加工后半圆槽的表面粗糙度较好，加工精度也能达到工件图纸要求。根据前面所述的技术要求和工艺试验结果，如采用加工中心加工，粗铣和精铣加工需不断自动更换刀具，装夹工件也需要较多的辅助时间，生产效率低。所以设计专用于铣削汽缸盖半圆槽的数控卧式铣床，可以减少辅助时间，提高机床的生产效率。

1 半球头铣刀铣削的工作原理

双刀刃半球头铣刀在铣削加工时，其结构如图2所示，由于半球头铣刀顶点在铣刀的中心线上，铣刀旋转，其线速度为0。如果半球头铣刀的轴心线与汽缸盖半圆槽的母线垂直，铣刀加工槽底部位的切削线速度为0，铣刀顶部无法参与切削加工，铣刀对半圆槽产生挤压，这样半圆槽深度尺寸一致性难以保证，表面粗糙度也无法达到图纸要求。

为了使铣刀在切削过程中与半圆槽接触的每一点刀具的线速度不为0，铣刀的轴线与半圆槽轴线处在同一平面内，并且铣刀的轴线与半圆槽轴心线的垂直线成一定的角度α（图3），α应选在6°～12°之间。角度太大，会影响机床X向行程，并且铣刀会铣削到汽缸盖侧面边框;角度太小，铣刀铣槽底点的线速度较小，会影响切削加工表面的粗糙度，加大切削抗力。

选择α角为9°时，工件加工完成后，铣刀切削到汽缸盖边框的尺寸能满足图纸要求。机床主轴转速为2 000 r/min，在半圆槽口部的铣刀切削线速度最大，半圆槽底部的铣刀切削线速度最小，其最大和最小的线速度如下。

半球头铣刀刃口采用硬质合金，这样的线速度基本满足切削的要求。汽缸盖为精密压铸件，一次切削无法满足加工精度要求，因而采用粗、精铣削二次加工。精铣削加工时由于球头部各处的切削线速度相差较大，进而影响汽缸盖半圆槽表面粗糙度的一致性，所以在粗加工时，槽底部留的加工余量较小，而槽口沿处留的精加工余量较大（图4）。通过工艺试验，以这样的切削线速度和加工余量粗铣和精铣汽缸盖的半圆槽，加工表面的粗糙度、尺寸和底部深度尺寸一致性都能达到工件图纸要求。

采用双刀刃平口半球头铣刀，刃口与铣刀的旋转轴夹角为0°，铣刀旋转轴与工件的切削进给方向夹角是81°，所以刀刃在切削时，铣刀顶部的刃口先接触工件，而半圆槽的沿口后接触工件，虽然切削是断续加工，但铝合金的切削抗力较小，切削使刀具产生的振动较小，能达到加工要求。如改用多刀刃螺旋刃口的半球头铣刀，切削为连续加工，切削产生的振动更小，使用效果更好，但刀具造价较高。

2 机床工作原理

汽缸盖铣半圆槽采用卧式数控铣床，其工作台不移动，而铣刀在X、Y、Z轴3个坐标方向移动。

2．1 机床总体结构

机床的总体布局如图5所示，铣刀采用卧式布局，主轴安装在垂直拖板上，而垂直拖板装在立柱上可上下移动，立柱装在X、Z轴的十字拖板上。工件夹具装在垫块上，而垫块安装在工作台上。汽缸盖安装在夹具上，夹具可分成左右2个工位，一个工位正在加工，而另一工位可以装卸工件，这样装卸工件不占用机床的辅助时间，提高加工效率。

机床采用双主轴结构，一个主轴上安装粗加工铣刀，用于粗加工半圆槽，另一个主轴上安装精加工铣刀，用于精加工半圆槽。立柱安装在X、Z轴的十字拖板上，X轴用于切削进给，立柱上的Y轴用于换刀加工，Z轴用于铣刀的进给和退出。由于半球头铣刀的加工工艺要求，立柱应倾斜安装在X轴拖板上，使半球头铣刀与Z轴成α（9°）角。

半球头铣刀刃口用硬质合金材料，而工件材料为铝合金，铣削加工时采用乳化液作润滑和冷却，以提高加工面的粗糙度质量和加工精度。把乳化液的喷嘴安装在垂直拖板上，用两个喷嘴分别对着精、粗铣刀进行润滑和冷却，乳化液采用涡旋过滤器对铝屑进行过滤。

2．2 机床加工工艺流程

机床主要有X、Y、Z三轴运动，分别由伺服电动机通过柔性联轴节与滚珠丝杠副连接，构成半闭环进给伺服系统，其加工控制程序框图如图6所示。冷却乳化液有2个喷嘴分别冷却粗、精铣刀，由2个流体电磁阀控制，铣刀在加工时把阀打开，不加工时把阀关闭，电磁阀的开闭由程序控制。

铣刀的加工线路图如图7所示，在夹具第一工位装夹工件后，粗铣刀主轴从基点移到粗加工起点，铣削半圆槽，加工完成后，粗铣刀退出，精铣刀的主轴移到夹具第一工位加工起点，精铣半圆槽。在夹具第一工位加工的同时，夹具第二工位在装卸工件，而第二工位加工的同时，夹具第一工位可以装卸工件。在夹具第一工位加工完成后，铣刀移到夹具第二工位粗、精铣工件，完成后铣刀退回到基点。

3 机床关键部件设计

汽缸盖半圆槽数控铣床底座由钢板焊接而成，工作台与床身连成整体，工件的夹具安装在工作台上，X、Y、Z三轴拖板移动采用伺服电动机通过联轴器与滚珠丝杠副连接，构成半闭环系统。

3．1 双主轴结构

由于机床用于汽缸盖半圆槽的加工，只需要粗、精铣两步加工工序，如采用传统的单主轴机床布局，需在机床上增加自动换刀机械手和刀库，机床造价较高，机床加工的辅助时间占用比例大，生产效率较低。根据汽缸盖工件铣削半圆槽加工工艺的特点，采用双主轴结构，分别安装粗加工铣刀和精加工铣刀，只需拖板在Y轴上移动，实现自动换刀。

双主轴结构如图8所示，在机床立柱的垂直拖板上布置2个主轴，上方用于安装粗加工铣刀，下方用于安装精加工铣刀。铣刀采用锥柄，用碟形弹簧拉紧，装卸方便，使用可靠。2个主轴同时旋转，由一组齿形皮带相连接，由于2个主轴中心距不可调节，所以在2个主轴齿形带轮中间装有涨紧齿形带轮。下主轴与主伺服电动机由齿形皮带相连，电动机轴与主轴的中心距可以调节，以涨紧齿形带。

3．2 工件夹具设计

汽缸盖夹具采用2个装夹工件的工位，一个工位在加工时，另一个工位装卸工件，这样可以减少机床的加工辅助时间。夹具结构如图9所示，因为要保证切削深度在尺寸14±0.016 mm公差范围以内，工件安装基面设在A面，用2个圆销孔φ6H6作为定位基准孔，采用一对圆柱销和棱形销作为定位销钉。

工件夹紧采用杠杆，一端用铰链固定，另一端用液压缸拉紧。把工件上的定位销孔对准夹具的定位销，使工件的A面与夹具定位面紧贴，杠杆旋转，安装在杠杆中间的浮动压块压紧工件。浮动压块采用十字万向结构，压紧工件时压块可自由摆动，使工件压紧时受力均匀。旋转液压缸前端的旋转拉杆，扣在杠杆的拉杆槽中，液压缸退回，杠杆压紧工件。如图9中1号工位所示，工件装夹完成，可进行工件加工。工件加工完成后，液压缸松开，手工旋转液压缸活塞杆前端的旋转拉杆，并旋转杠杆，使工件从夹具上拆卸，如图9中2号工位。此夹具工件装卸方便、快速，定位精度高，工件夹持可靠，达到减少辅助时间，提高机床工作效率的目的。

因为工件在装卸时，液压缸的动作会使液压系统压力产生波动，从而使另一个液压缸的压力波动，导致工件夹持力的波动，会影响正在加工工件表面粗糙度和深度一致性。所以两个工位夹紧用的液压缸采用两套系统供油，采用两个气转液泵站。