数控随动曲轴/凸轮轴外铣机床的设计研究

牛福林

(青海第二机床制造有限责任公司，青海西宁810021)

曲轴/凸轮轴是发动机中最重要的零件，属于轴类零件中难加工的工件，它的加工工艺直接影响发动机的使用寿命和工作的稳定性。通常加工曲轴连杆颈时，由于连杆颈的偏心，一般加工的方法是将夹持曲轴工件的卡盘做成偏心卡盘，将连杆颈的轴心线调到与机床车头主轴回转轴线重复，再用车序或铣序的加工方式加工。但由于曲轴是多品种小批量的工件，所以加工不同品种的曲轴时，如果使用上述方法调整机床不光会增加劳动成本，而且加工的效率又很低。而数控随动曲轴外铣机床解决了这一难题，它不用调节夹持卡盘的偏心，即可满足曲轴多种类间更换，即既缩短了加工节拍，又满足了工件要求的高精度、高效率、高稳定性。

1 机床的加工特点

数控随动曲轴外铣床:适合多品种小批量的加工，适应性很强；利用成型刀盘切削，生产效率高；能够适应数控流水线加工，降低劳动强度，节约成本；高智能化，精度高，质量稳定；既可满足单机生产使用，又能配合自动线上其他曲轴加工机床以及与桁架机械手组成的曲轴生产线，适用范围广。

2 机床的整体布局与组成

机床由双铣头单元或单铣头单元、双车头主轴单元、自动随动自定心中心架、液压系统、润滑系统、冷却系统、除尘装置、全封闭整体防护、排屑装置、气动系统和发那科数控系统等组成。机床通过开发的专用软件，实现自动线或单机生产曲轴/凸轮轴的加工。

机床各坐标轴如下:

C1轴、C2轴:车头主轴旋转

X轴:刀盘径向移动

Z轴:铣头箱轴向移动

V轴:随动中心架轴向移动

主机结构如图1所示。

3 机床加工方式

机床通过双车头(C轴)同步驱动和铣头单元(X轴)横向绕工件连杆颈轴心随动插补切削。车头单元带动工件旋转一周，铣头单元带动大刀盘随动切削一个工件连杆颈外圆、平衡块两侧腹板、沉沟槽或主轴颈外圆、平衡块两侧腹板。

4 机床的结构特点

针对曲轴和凸轮轴是轴类最难加工的工件，根据外铣机床加工工艺特点，对机床床身设计了采用45°斜导轨结构，内部筋板布置合理，具有高的抗弯和抗扭刚度，机床稳定性和抗振性好，床身导轨和底座为整体结构，全部采用矩形导轨，导轨跨距大，淬硬并精磨，刚性好，精度高，耐磨性好。

床身前导轨两端分别放置左、右车头单元，左、右溜板位于床身后导轨，其上分别放置左、右铣头单元。因曲轴(凸轮轴)属细长轴类，同时又有相位要求，因此工件主轴采用双驱动同步旋转，防止工件扭曲变形。在左、右车头箱之间，放置液压自定心中心架，中心架可防止切削时工件的振动和弯曲变形。

机床的铣头单元主轴前后端采用日本精密高速双列圆锥滚子轴承，由液压消隙斜齿轮传动和大功率变频电动机带动，刀盘线速度可达到270 m/min，满足高速切削、高精度切削、强力切削的要求。

左、右车头单元的主轴由大扭矩交流伺服电动机驱动；前后轴承都采用滑动轴承，轴向力由前端的推力轴承来承受，刚性好，承载能力强，调整方便。左、右车头单元各配备了一套专用卡盘和双活塞回转油缸、轴向定位装置以及曲轴/凸轮轴的角向定位装置。

机床前端安装有排屑器，便于切屑的排出，也便于日后维修。

5 机床专用附件的设计

机床能够高效率、高精度、高稳定性，必须要有稳定可靠的附件。

该机床配备了专用高刚性动力卡盘、高刚性卡爪、高精度浮动顶尖，它们集成在一起安装在车头单元前端。并设计双活塞液压回转油缸，用于卡盘的夹紧和放松，同时保证顶尖的顶紧和放松，保证卡盘能够自动可靠地夹紧工件。

自动随动液压自定心中心架，通过编程驱动可以夹紧曲轴/凸轮轴工件的不同主轴颈，在切削时辅助支撑工件，使工件的刚性增强。

铣刀盘定制美国和德国制造的专用大直径铣刀盘。刀盘上安装特制的模块刀夹，互换性高；每个刀座上装有铣削侧面和外圆的特制刀片，可根据工件定制。

机床还配备了冷风润滑冷却系统，此系统通过零下20℃的冷风和微量切削液，使刀具的刀片使用寿命延长、加工质量稳定、单位时间金属切除率增加和工件温升降低，变形量减小，工件表面粗糙度Ra值小且变化不大。

机床带有自动空气吹屑功能。此功能能够将切削堆积的切屑排到排屑器中。

机床配备静电吸雾装置，将机床加工时产生的烟雾和粉尘处理干净，此系统使环境更加环保。

机床床身与水平面成45°斜面，铣头单元装有配重装置，以平衡铣头单元的自重，消除铣头单元上下移动时的不均匀。同时横向运动交流伺服电动机采用带制动装置的伺服电动机，防止铣头单元因自重引起下滑，提高机床的定位精度和重复定位精度。

机床带有自动润滑系统，可保证各轴丝杠和轴承的润滑。主轴轴承采用独立的带报警流量监控装置，确定各润滑点能够自动润滑。

液压系统设计，为机床的双动力卡盘和浮动顶尖以及铣头单元的配重提供动力。

机床采用全封闭的整体防护，避免切屑的外泄和噪音的传播，为加工车间创造更好的工作环境。防护门通过气动控制，能够自动开合。防护罩上还增加了检修防护门，方便了日后的检修工作。

6 结语

数控随动曲轴/凸轮轴外铣机床适用于200～1 300 mm曲轴/凸轮轴的加工，该款机床填补了国内曲轴和凸轮轴加工领域的空白，机床高效环保、技术性能属于国际前沿。目前该机床有30多台已在并交付用户实现生产使用，效果良好，加工技术得到了用户认可，同时也为我国曲轴/凸轮轴加工行业提供了先进高效的工艺装备。