V型发动机缸体主轴孔两侧面铣削专用机床设计

吴 胜 刘振东

（江苏高精机电装备有限公司，江苏盐城224000）

0 引言

V型发动机常用于工程机械、发电机组等领域。随着“一带一路”的发展，基础建设的扩大，V型发动机市场需求旺盛。缸体是V型发动机关键零部件之一，应重庆某发动机缸体制造商需求设计、制造一台专用机床，用于V型缸体主轴孔两侧面铣削加工。

1 缸体主要结构及参数

缸体是V型发动机核心零部件，是发动机基础平台，主要结构参数及材料如表1所示，专机加工部位如图1所示。

表1 主要结构参数及材料

图1 专机加工部位

2 缸体加工工艺及参数选择

2.1 缸体主轴孔侧面加工工艺

V20型缸体缸总长达3 m左右，主轴孔侧面铣削传统上由龙门加工中心采用插补加工，或用角度铣头加工。本专机用大直径端面铣刀加工，一次切削深度5 mm左右。

2.2 切削参数选择

切削深度ap=5 mm，切削面宽B=400 mm；刀盘直径D=425 mm（受缸体结构所限），刀齿数Z=32；切削速度V=100m/min，n=75 r/min；进给速度S工=384 mm/min，Sz=5.12 mm/r。

2.3 设计计算

辛辛那提经验公式：

式中，P为切削功率（kW）；α为根据刀具和工件材料确定的系数，HT250取值为1；S工为机床工作台每分钟工进速度（mm/min）；ap、B为切削深度（mm）和切削宽度（mm）。

根据公式（1），切削功率P=13.2 kW。

切削扭矩：

根据公式（2），扭矩M=1 680.8 N·m。

3 机床总体结构及主要部件设计

3.1 机床结构描述

如图2所示，机床为立式单面多工位结构，主工作台侧面配置两套加工单元，每套加工单元主轴设计为双输出结构，主轴左右分别装端面铣刀一只，用于对不同刀具直径要求的侧面加工，双输出铣头装在立式伺服滑台上，由伺服滑台上下运动实现切削加工。主工作台台面配液压夹具，如加工面余量太大，每个面可分刀切削，加工余量分配由主工作台移位实现。主工作台配海德汉光栅尺，保证加工面到定位基准之间距离精度要求。

图2 机床总体结构及主要部件图

3.2 专用铣削头

缸体相邻主轴孔两侧间距200 mm左右，受该条件约束，角度铣头或玉米铣刀刚性不足，一般情况下采用角度铣头加工每次切削深度1 mm，切深加大，铣头振动，加工无法进行。本机床采用结构如图3所示主轴箱，主轴箱中间开设半圆环槽以避开中间档主轴孔，主轴箱（主轴）长度可比角度头厚2倍，主轴刚性增加，机床切削能力大增。

图3 专用主轴箱

设计切削深度5 mm，功率P=13.2 kW，扭矩M=1680.8 N·m，类比通用部件铣削头选用不小于1TX50（22 kW）铣头，主轴直径大端160 mm，小端110 mm，采用NSK圆锥滚子轴承支承。减速机构采用齿轮+同步带轮传动。主轴电机选用三相异步变频电机驱动，电机YXVF200L2-6，额定功率22 kW，恒转矩调频范围5～50 Hz，恒功率调频范围50～100 Hz。

工频转速n=75r/min，设计变速范围n=55～120r/min；其中，55～75 r/min时主轴恒转矩，75～120 r/min时主轴恒功率。在设计变速范围内主轴功率及转矩能满足切削功率、转矩要求。

3.3 主工作台

专用伺服工作台，采用滚柱式直线导轨，滚珠丝杆传动，伺服电机驱动；配海德汉光栅尺。工作台承载能力强，运动精度高，工作台重复定位精度0.01 mm，定位精度0.02。

3.4 数控滑台（装在立柱上）

以组合机床通用部件HJ63/400滑台为基础改制，导轨为铸铁硬轨，滑台下导轨超音频焠火，上导轨贴塑。导轨配油润滑；滚珠丝杆传动、伺服电机驱动，具有刚性好、精度高、传动平稳、抗震性强的优点。

3.5 机床立柱

设计以经验类比设计为主，选用优质铸铁件，立柱为箱式结构，内部布置加强筋，刚性好、强度高、抗震性强。

3.6 刀具

硬质合金端铣刀；大刀盘：φ425，Z=32；小刀盘：φ280，Z=16；两面刃铣刀。

3.7 机床电气

选用FANUC-0iMF数控系统控制；普通电气元件采用施耐德品牌，电气元件符合IEC国际电工委员会标准；独立控制柜，电气柜设电柜空调器。

4 机床工作的循环

吊装上料—定位侧推、端面推—夹紧—工作台快移—1号立式滑台快进—工进—铣头左侧三面刃铣刀加工缸体右端第一内档（φ280）、加工分三刀切削，余量以主工作台移动实现—主工作台快进—2号立式滑台快进—工进铣头左侧铣刀加工缸体右端第二内档（φ425）、加工分三刀切削，余量以主工作台移动实现—依次加工七个开档右侧面—工作台快进—2号立式滑台快进—工进—铣头右侧三面刃铣刀加工缸体左端第一内档（φ280）、加工分三刀切削，余量以工作台移动实现—工作台快退—1号立式滑台快进—工进—铣头右侧铣刀加工缸体左端第二内档（φ425）、加工分三刀切削，余量以工作台移动实现—依次加工七个开档左侧面—工作台快退—夹紧松开—吊装下料。缸体两侧端面生产节拍为35 min/件。

5 结语

V型发动机缸体主轴孔两侧面铣削专用机床设计中，对主轴箱及主轴的特殊优化设计，保证了主轴箱、主轴的刚性，加工的通过性；主轴两端分别装不同径刀具，从而实现了主轴孔侧面大余量切削加工，不同刀径要求的一次性切削，相比通用龙门加工中心生产效率提高了4倍。虽是铣加工主轴孔侧面专用机床，但也具备通用性，当加工能力富余时可加工类似产品。该专用机床购置成本约为龙门机床的80%。

机床的成功设计、制造不仅提高了效率，节约了采购成本，而且实现了多种产品加工，是一台经济高效的专用设备。随着大规格V型发动机需求增加，该产品具有较广的市场前景。