船用V型气缸体加工挺杆孔组合机床的研制

2021-03-03方宇

中国设备工程 2021年4期

方宇

（通用技术集团大连机床有限责任公司智能制造研究所，辽宁大连 116620）

发动机配气机构能否高质量工作是关系到发动机动力性能好坏的关键因素之一。配气机构的良好运转除靠配气凸轮外，还要靠挺杆体及挺杆孔之间的良好配合来保证，因此，对挺杆孔的加工质量有严格的要求。传统工艺采用钻、扩、铰，用3台机床分别对挺杆孔进行加工。容易产生重复定位误差，且钻孔工序的形状误差难以在后面的工序中消除，加工质量差。本文以加工挺杆孔组合机床项目为背景，从总体方案入手，采用枪钻、扩、铰三工位专用三轴多轴箱搭配斜立柱伺服滑台，一次装夹加工挺杆孔，夹具通过数控移动工作台带动工件移位，实现不同缸数气缸体挺杆孔的加工。

该设备的研制成功，不仅降低了工人的劳动强度，保证了加工质量，而且大大提高了生产效率，具有良好的经济效益和应用价值。

1 挺杆孔基本情况及精度要求

1.1 被加工零件

被加工零件名称：12V系列V型气缸体；

材料：HT250；硬度：HBS 168～251；

成品外形尺寸：长1200mm，宽788mm，高688mm；成品重量：650kg。

1.2 精度要求

表1

2 机床方案的制定

2.1 机床布局

枪钻、扩、铰挺杆孔组合机床是由液压自动夹具、伺服移动工作台、斜立柱、伺服进给滑台、三个专用主轴箱（枪钻、扩及铰孔）、三个固定模板、侧床身、刀具、上下料滚道、平转滚道、冷却排屑系统和机床防护等部件组成。机床总体布局见图1～3。

图1 机床整体布局主视图

图2 机床整体布局俯视图

图3 机床整体布局左视图

2.2 机床主要动作循环

前序机床合格工件进入上料滚道→平转滚道→夹具→工件落下→两侧插销装置向前并插销定位（左侧凸轮轴孔）→底面插销→辅助支撑伸出→夹紧工件→定位面气检→气检合格后移动工作台移动进入左侧挺杆孔加工循环→加工结束后移动工作台返回上料端→松夹工件→辅助支撑返回→底面插销返回→两侧插销装置拔销并返回原位→工件抬起→工件退回平转滚道→平转180°后再进入夹具→工件落下→两侧插销装置向前并插销定位（右侧凸轮轴孔）→底面插销→辅助支撑伸出→夹紧工件→定位面气检→气检合格后移动工作台移动进入右侧挺杆孔加工循环→加工结束后移动工作台移到右侧下料端→松夹工件→辅助支撑、底面插销返回→两侧插销装置拔销并返回原位→工件抬起→下料滚道→等待指令进入下一台机床。

3 关键部件设计

由于加工气缸体挺杆孔所要达到的精度要求非常高，所以对机床性能、配置相应的也要求非常高。为此，设计过程中对机床伺服移动工作台、夹具、固定模板、刀具等关键部件狠下功夫，使之保证工件定位精度准确、夹紧可靠、加工精度高，保证机床具有较高的稳定性和可靠性，各方面均达到使用要求。

3.1 伺服移动工作台

伺服移动工作台是机床关键的动力驱动部件，直接关系到机床的夹具移位精度稳定和可靠性。伺服滑台驱动采用伺服电机驱动进口高精密滚珠丝杠螺母的方式，使滑台保持较高的进给速度和精度。伺服电机与滚珠丝杠之间通过行星齿轮减速机和联轴器连接。由于工件上料高度固定和底座排屑高度尽量抬高的限制，所以，将滑台体与夹具体合为一体进行设计，以节省空间高度（见图4、6）。

伺服电机通过行星齿轮减速机可输出低转速、大扭矩，可保证夹具和工件的稳定移动。联轴器为精密膜片弹性联轴器，它具有传动精度高，扭转刚度高能够补偿轴向、径向、角向误差，自动润滑，无噪音等优点。

数控滑台的滑动部分由两根矩形导轨和贴塑导轨板组成，摩擦系数小，动态性能更好；在极限位置采用极限保护开关，保证安全性。本机床在设计过程中，优化内部铸件结构，强度和刚性大大提高，受热变形减小，使机床的整体结构稳定性更好。

数控滑台的润滑采用集中润滑的方式，为导轨之间以及滚珠丝杠螺母提供润滑。在导轨和贴塑导轨板之间形成油膜，大幅度降低相对运动时的摩擦系数，润滑油的循环也能够起到降温控制热变形的作用。

图4 伺服移动工作台装配图

3.2 液压自动夹具

夹具是机床的核心部件，用于加工过程中对被加工零件的定位和夹紧。液压自动夹具就是用液压元件代替机械零件，通过液压控制实现对工件的自动定位、支承与夹紧的夹具。液压自动夹具具有夹紧力大、夹紧可靠、工作平稳、使用方便等优点。

为保证气缸体的加工精度，前道工序已加工好左右两侧凸轮轴孔和底面定位销孔，故该工序左排挺杆孔可以采用左侧凸轮轴孔、底面菱形销及底面进行定位，限制6个自由度，实现工件的完全定位；同理，右排挺杆孔可采用右侧凸轮轴孔、底面菱形销及底面进行定位。三个固定定位块组成一个平面，再布置辅助支撑装置保证工件的稳定性；夹紧通过夹紧液压缸和铰链压板来实现。夹具定位夹紧原理图如图5所示。

图5 夹具定位夹紧原理图

加工左排挺杆孔定位夹紧过程如下：工件进入上料、平转滚道，夹具无料发出指令，工件进入夹具，夹具内配有液压马达驱动的机动滚道20、26。按动开关，防护门关。升降油缸8启动，工件落下，两侧插销装置2、4通过向前输送装置1、5向前并插销定位（左侧凸轮轴孔），油缸6、7启动，底面菱形销16、25插销，辅助支撑10、11、14、21伸出，油缸9、13、19、22夹紧工件，定位面气检，气检合格后，完成加工左排挺杆孔定位夹紧过程。

左侧挺杆孔加工完毕后，夹具返回上料位置，防护门打开，夹具内松夹工件，辅助支撑、底面插销返回，两侧插销装置拔销并返回原位，工件抬起，液压马达反转，工件退回平转滚道，平转180°后再进入夹具。进行加工右排挺杆孔定位夹紧过程。

此时，整个机床定位夹紧过程完成。

夹具定位夹紧结束后，伺服移动工作台移动，主轴电机启动，依次进入一、二、三工位加工阶段（左、右排加工循环过程相同）。加工结束后，移动工作台快速移动至下料位置，工件夹紧装置、辅助支撑、定位销均返回原位，工件抬起，防护门打开，进入下料滚道。进入下一个工作循环。

定位块12、17、24、27一起在磨床上加工，保证等高高度尺寸满足67±0.01mm要求，同时，四个定位块组成的定位平面的平面度要求0.01mm以内，允差不超过0.005mm；辅助支承装置10、11、14、21用于保障被加工零件的定位稳定性。

夹紧装置9、13、19、22结构内，夹紧油缸通过铰链压板夹紧工件，四个夹紧压板垂直对应一个定位块17和三个辅助支承装置10、14、21，完成被加工零件的夹紧和松开，确保加工过程中的稳定可靠性。

3.3 固定模板

本机床加工挺杆孔采用枪钻、扩、铰三工位来保证孔加工精度，但由于被加工零件孔径较小、加工孔较深、加工所用刀具长径比较大、精度要求高，在加工过程中，还存在诸多工艺关键问题。

（1）定位问题。包括工件在夹具上的定位和工件相对于各工步刀杆轴线的定位。夹具在移动工作台上安装调整后。其在每一工位相对于机床动力头主轴的位置是固定的，而工件在夹具上安装后相对于机床刀杆轴线的位置，取决于其相对于夹具体的位置。所以，工件在夹具中的定位精度，直接影响着工件的加工精度。

（2）刀杆细长刚性不足问题。考虑到刀具的刚性，虽然组合机床所配置的各刀具与机床主轴是刚性连接，但因其悬深长度都超过了400mm（枪钻900mm、扩孔500mm、铰孔410mm），长径比都超过12，细长刀杆刚性不足所引起的轴线摆动问题显得尤为突出，它会引起工件孔位的偏移和孔轴线与基面的尺寸精度误差，影响孔加工精度。

（3）导向问题。刀具均为固定尺寸刀具，工件的尺寸精度一方面取决于刀具的制造精度和刚性，另一方面，取决于导向套的导向精度。表面粗糙度取决于刀具的刚性、刀具的几何参数及合理的切削用量。位置度和垂直度取决于伺服移动工作台的移动精度。为使被加工要素达到不同的尺寸精度、位置精度和表面粗糙度，常采用不同的导向精度，即枪钻、扩及铰孔所用导向装置的精度不同。为了有效解决工件重复定位误差问题，该机床整体方案配置中已采用了各个工位共用一套夹具方案，由此带来的在一套夹具中实现不同工步的不同导向精度问题，是解决加工精度的又一个工艺关键问题。枪钻模板的设计图如图7所示。

图6 夹具设计图

图7 枪钻模板设计图

枪钻模板安装在第一工位斜立柱上，当进入加工循环时，枪钻油缸6向前，枪钻导套8顶住工件，同时，到位开关7发令，伺服滑台向前，枪钻向前，刀具带内冷和挡铁屑板，挡铁屑板安装在含油尼龙套4和5之间，加工过程中，铁屑和高压冷却水经过枪钻导套、模板体和排水槽1排出，最终经PVC管排入冷却水箱。扩孔模板的设计图如图8、9所示。

图8 扩孔模板设计图

图9 滚动导套设计图

扩孔模板安装在第二工位斜立柱上，当进入加工循环时，伺服滑台向前，扩刀向前进入滚动导套进行加工。滚动导向由一对角接触球轴承支撑，轴承内圈随扩刀一起转动，轴承外圈固定在扩孔模板体上，前后端法兰盘10、17带气密封，气密封用于防止灰尘、铁屑进入轴承。铰孔模板的设计图如图10、11所示。

图10 铰孔模板设计图

图11 铰孔导套设计图

铰孔模板安装在第二工位斜立柱上，当进入加工循环时，伺服滑台向前，铰刀向前进入铰孔导套进行加工。为保证精度，除了采用精密三坐标加工之外，还设计了多个专用调整垫，安装时，修磨调整垫2、3，保证铰孔模板三个孔同轴度在0.01mm以内，三个孔中心线与铰孔模板底面的高度范围在545±0.01mm内。同时，确保模板上1孔与2孔、2孔与3孔的距离为170±0.01mm内，保证2、3孔与1孔的平行度满足0.01mm。

铰孔导套安装在法兰盘4上，由于铰孔为挺杆孔最终精加工工序，可换导套内孔尺寸为φ33H6（+0.016/0），导套与刀杆之间采用配磨工艺，保证最终加工精度。这种结构磨损后只需更换可换导套重新配磨即可，大幅度地减少材料的损失和调整时间，并且延长了模板使用寿命。