精铣缸体底面钻铰定位销孔数控机床的研发.pdf
第 6期 2 0 1 3年 6月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d ul a r M a c h i ne To o l Aut o m a t i c M a nu f a c t ur i ng Te c hn i que NO . 6 J u n .2 0 1 3 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 3 0 6 0 1 2 4 0 3 精铣缸体底面钻铰定位销孔数控机床的研发 李文迪 , 王合 增 , 杨红梅 一拖 洛阳 开创装备科技有限公司, 河南 洛阳4 7 1 0 0 4 摘要 发动 机缸 体底 面及 定位销 孔 作 为缸 体 生 产线 加 工 中的重要 定位 基 准 , 其精 度 对发 动 机 产 品 的 性能 和使 用寿命 的影 响起 关键 作 用。 通过 对 目前 国 内行 业针 对 这 两 个基 准加 工采 取 的加 工 工 艺和 加 工设备进 行 了分析 , 研发 了一种 用 于发 动机 缸 体 底 面精 铣 及底 面 定位销 孔 加 工 的数 控 组 合 机床 , 并介 绍 滑 台式 精 密铣 头 、 多功 能 专用 夹具 、 定位 销 孔加 工等 关键 技 术 。 关键 词 精 铣底 面 ; 定位销 孔 ; 精 密铣 头 ; 刚性 主轴 ; 微量 润滑 系统 中 图分类 号 T G 6 5 9 文献 标识 码 B De v e l o pme nt o f NC M a c hi ne f o r Fi ni s h M i l l i ng Cy l i n de r Bo t t o m Dr i l l i ng a nd Re a mi ng Pi n Ho l e LI W e n d i ,W ANG He z e n g,YANG Ho n g - me i Y t o L u o y a n g K i n t r a E q u i p m e n t s c i e n c eT e c h n o l o g y C o . , L t d .L u o y a n g , H e n a n 4 7 1 0 0 4, C h i n a Abs t r a c tEn g i n e c y l i n d e r bo t t o m a n d p o s i t i o ni ng p i n h o l e a s i mpo r t a n t po s i t i o n i n t he c y l i n d e r b o d y p r o d u c t i o n l i n e p r o c e s s i n g b e n c h ma r k,t h e p r e c i s i o n i n f l u e n c e o n e n g i n e p e r f o r ma n c e a n d s e r v i c e l i f e o f t he p r od u c t p l a y a k e y r o l e . Ba s e d o n t h e c u r r e n t d o me s t i c i n d u s t r y a g a i n s t t h e t wo b e n c h m a r k ma c h i n i n g p r oc e s s i n g t e c h n o l o gy a nd e qu i pme n t a r e a n a l y z e d,a n d d e v e l o p e d a ki nd o f u s e d f o r e n g i n e c y l i n d e r bo t t o m s u r f a c e fin i s h i n g mi l l i n g a n d b ot t o m po s i t i o n i n g p i n h o l e ma c h i n i n g CNC mo d u l a r ma c h i n e t o o l ,a n d i n t r o d u c e s s l i d i n g d e s kt o p pr e c i s i o n mi l l i n g h e a d,mu l t if un c t i o n a l s pe c i a l fix t u r e,p o s i t i o n i n g pi n h o l e ma c h i n i n g,k e y t e c h n o l o g i e s ,e t c . Ke y wo r d sfin i s h mi l l i n g b o t t o m ;p o s i t i on i ng p i n h o l e;p r e c i s i on mi l l i n g he a d;r i g i d s ha f t ;t r a c e l u b r i c a t i o n s y s t e m 0 引 言 发动机是加工要求较高的机械产品, 其缸体底面 及定位销孔是缸体加工生产线中的重要定位基准 , 二 者的精度是其它工序加工精度和机床整机性能得以体 现的重要保证 , 继而影响发 动机 的整机性 能水 平 、 可靠 性和使用寿命。目前国内大多数生产厂家在进行缸体 的加工时 , 把精 铣底面和定位 销孔 的加工分 开进行 , 这 样缸体在多个设备中进行多次装夹, 存在一定的定位 装 夹误差 , 影 响最 终 定位 基 准 , 较 难 满 足产 品精 度 要 求; 另外一些厂家为了保证缸体的装夹次数 , 采取加工 中心上进行加工, 虽然精度得到一定的保证 , 但加工效 率不能满足生产节拍需求。为 了提高缸体 的加工精 度, 并提高缸体生产的加工效率, 结合常州柴油机公司 的需求研 制出一种具有 精密铣床加工功 能又具有加 工 中心功 能的数控机床 。 1 机床主要参数 1 . 1 被加 工零 件加 工要 求 被加工零件为三、 四缸共 9个 品种 的缸体 , 缸体 材料 为 H T 2 5 0, 精 铣底 面加工余 量 0 . 5 mm, 平面度 0 . 0 5 ; 钻 定位 销底孔 2一西 1 3 . 2 , 深 1 5 . 5 m m, 倒 角 1 . 4 4 5 。 铰定位销孔 2一 1 3 . 6 0 . 0 1 8 , 尺寸公差 0 . 0 3 。 生产 节拍 3分钟 。 圊 匝 囹 皿 } 一l 雨污 j . 丽 网 ., . 一 一艇I 【 1f 、 l1 9 2 .5 [ 图 1被 加 工 零 件 加 工工 序 图 1 . 2主 要参数 机床精铣削头电机功率为 1 1 k W 变频电机 , 钻铰 动力头电机功率为 7 . 5 / 1 1 k W 伺服电机 , 水平和立柱 数控滑 台伺 服 电机 分别 为 2 7 N m。铣 削 速度 V 2 9 7 m / mi n , 进 给 速 度 1 8 0 0 m m/ mi n ; 钻 孔 切 削 速 度 收稿 日期 2 O l 3一 O 31 3 ; 修 回日期 2 0 1 3 0 41 3 作者简 介 李 文迪 1 9 7 8 一 , 男 , 河南周 口人 , 一拖 洛阳 开创装备科技有限公 司技术 中心工程师 , 主要从事工艺装备产 品的设计与研究 , E ma i l 1 wd i 2 0 0 5 1 6 3. e o m。 2 0 1 3年 6月 李文 迪 , 等 精铣 缸体 底 面钻铰 定位 销孔 数 控机床 的研 发 1 2 5 l O O m / ra i n , 进给速度 7 2 0 mm / m i n ; 铰孔切削速度 3 0 m / mi n , 进 给 速度 1 3 0 m m / mi n 。 \ \ f 切削速度 v - 2 9 7 m / mi n I l 『 l I I 主 轴转 速 n 3 O O r l m i n 每齿进给量 S z O . 1 5 mm / z r l 一 ] I 每分进给量 n 1 8 0 0 m m / m i n , u 1 f W n s l if u 一 “m- , J 一 U L L l l 厨目 由 [工] l I . 4 6 9. 图 2 被加 工零件精铣底面加工示 意图图 切削速度 v - l O O m / min 一 一 暑 主 轴 转 速 n 2 3 2 3 r lm in 每转进给量S r -- O . 3 1 m m/ r 每分进给量 b n 7 2 0 m m / m i n l 上 导 1 . . . . . . . .j _ _ J j .一 4 3 7 .5 0 .o 3 } u 1 f 1 十 u。 瓣 .2 -“ uL L ~ 一 ,r L 上 I 一 僻{ 一{ 1 [工] 1 甲 I l i 图 3 被加 工零件钻定位销孔加工 示意图 铰孔参数 切削速度 v 3 O i n 主轴转速n --“ 6 8 0 r l m i n 每转进给量 S r O . 1 9 m m / r 每分进给量 1 3 0 m m/ mi n 图 4 被加工零件铰 定位销孔加工示意 图 图 5机 床 总 图 1 . 3 节 拍 铣 底面 4 6 93 1 52 1 8 0 0 6 0 2 1 S 销底孑 L 22 2 9 0 06 0 3 S 销 孔 2 X 2 21 3 0 01 2 S 台 台 刀库 选刀 换 刀 0 . 7 5 X 21 . 8 X 25 . 1 S 上 、 下料 8 S 夹具 夹 紧放松 辅助 1 0 S 移位 滑 台快 进 1 7 3 53 3 2 51 7 5 4 3 7 . 5 X 3 l 0 0 0 0 X 6 02 1 . 3S 立 式 滑 台快 进 3 l 53 3 73 0 93 2 7X 3 l 0 0 0 0 X 6 0 1 5. 3 S 机床 总节拍 9 5 . 7 S 1 . 4 机 床工 作 动作循 环 机床原位移位滑台停在精铣头右侧 输 送上 料 移 位 滑 台左 快 进 、 工 进 铣 缸 体 底 面 铣面 结 束 , 移 位 滑 台 左 快 进 至 镗 头 箱 位 置 钻第 一定 位 销底 孔 移 位 滑 台左 快进 钻第二个定位销孔 主轴换刀 铰刀 , 移位 滑台 右快退至镗头位置铰第一定位 销底孔移位 滑 台左 快 进铰 第 二 个 定 位 销 孔输 送 下 料 滑 台右 快退 回原 位 。 鏊鱼塑鱼 煎 2 孔位 1 孔位 图 6移位滑台工作循环图 2 设计 中的关键技术 2 . 1 整 机 本 机床 是 一 台 铣 、 钻 铰 组 合 的 多 工 位 柔 性 加 工 数控机床, 工件一次装夹完成底面 的精密铣 削和定 位 销孔 的钻 铰加 工 。消 除 多 台设 备 重复 装 夹 定 位误 差 的影 响 , 保 证 了定位 销孑 L 与底 面 的垂 直 度 。 2 . 2设计 中的关键 技 术 2 . 2 . 1 移 位滑 台 移位滑台是本设备 的关键部件 , 既要承受高速铣 削时产生 的切削力 , 又要 在钻铰加 工时准确定 位 , 且要 满足复合加工时的生产节拍, 因此需要具有高刚性 , 高 精度和高 速特性 , 设 计 时采取 三点 措施 1 滑 台底座 采用使用 高精 度 的滚柱 直 线导 轨代 替矩 形 导轨 , 并对 基准侧和从动侧导轨均进行了固定 ; 2 丝杠采用两 端“ 固定 一固定” 支承方式 , 丝杠轴承采用 D B组合的 配对轴承 安装 , 并 进行 预 拉 伸 。 3 伺 服 电机 通 过挠 性联轴器与滚珠丝杠直联 , 保证传动无间隙。 2 . 2 . 2精铣 头 铣头采用从德国 S F E S吸收优化过的高刚性精密 主轴结构 , 可以同时承受大的轴 向力和径向力, 通过修 磨轴承之间的隔套对轴承进行预紧, 保证高刚性。由 于常柴要求同时加工 9种不同的产品, 缸体的高低不 一 致 , 为了满足各个产品的高度 , 在主轴上设计有行程 1 2 6 组合 机床 与 自动化 加工技 术 第 6期 调整机构 , 可以对 主轴前 端外 伸量 依 据不 同工 件高 度 进行微 量调整 , 调 整精 度 为 0 . 0 1 m m, 调整 完成 后使 用 锁 紧机 构对主轴 进行 抱 紧 , 保证 了铣头 的刚性 。为 了 方便铣 头对移位滑 台垂 直 度 的调整 , 在铣 头前 端设 计 有径向调整机构 , 方便精度调整和设备维护。 图 7铣 头 结构 示 意 图 2 . 2 . 3 专用 夹具 夹 具 上安 装 有 摆 杆 输 送 装 置 , 自动 完 成 工 件 的 上下料; 工件拉 到夹具 后 , 工件后 端有液压 定位装 置, 前端靠油缸推工件到位 , 侧 面定位油缸推缸体定 位 , 液 压压 紧 。 图 8夹 具 结 构 图 支承面有 自动气检装 置和吹屑装置 , 确保 缸体 定位 准确 且压 紧可 靠 ; 夹 具压 紧 油 缸设 置 自锁结 构 , 使整个加 工过 程 中夹 紧可靠 , 有效 保证 加工精度 。 为避免高速铣削时产生振动 , 在缸体 两侧面分别布 置有 带 自锁 的液压 辅 助 抱 紧装 置 。压 板 的压 紧点 与 工件 中心 成 一 个 微 小 角 度 , 夹具 的 压 紧 力 使 工 件 靠 紧定位块 , 保证加工时工件 的侧定位基准 可靠 。采 用钢 球代 替 销 轴 进 行 导 向 , 防 止旋 转 液 压 夹 紧 缸 咬 死 , 效果 良好 。 2 . 2 . 4高 刚性立 柱式 滑 台 通常 立 式 加 工 机 床 的机 构 是 立 柱 固 定 在 底 座 上 , 进 给 滑 台座 固定 在 立 柱 上 , 而 把动 力 头 安装 在 滑 台体上 , 这种结构主轴悬伸距离 固定较长 , 高速切削 时容 易产 生振 动 , 且 产生 颠 覆力 矩 , 设 计 一 种把 立 式 进给滑台底座 和立柱优化 成一体 的立 柱式滑 台结 构 , 省去滑台底座 , 有效提高了刚性。 2 . 3 刀具 的选 择及 加工 工艺 2 . 3 . 1 铣 底 面 为 了保证 在高 速 铣 削保 证 产 品达 到 较 高 的平 面 度 、 粗 糙 度 要 求 , 我 们 对 名 牌 厂 家 山 特 维 克 、 瓦 尔 特 、 三菱等公司做了大量 的调研 , 并分别对三家公 司 的刀 具进 行 研 究 , 且 分 别 对 实 体 铸 铁 件 以及 钢 件 进 行试 切 , 经过 认真研 究 和 大 量 的试 验 , 最后 采 用 肯 纳 公 司 的 3 1 5精 铣刀 , 该刀 具具 有 以下特 点 1 刀体为整体式 , 刚性好 ; 2 刀座 一 次 磨 成 共 面 ; 刀 片 装 上 以后 即 共 面 , 不需调整, 操作方便 ; 3 所有 刀片 切削 刃为 大 圆弧 , 可 获得 良好 的光 洁度 , 可达镜 面效 果 。 铣 刀 的中心 与工件 中心 有 一定 的偏 移 量确 保 铣 削加 工时 为顺 铣 状态 。 2 . 3 . 2钻铰 定位 销孑 L 为了消除导 向套的导向误差对定位销孔位 置精 度 的影 响 , 采 取 刚性 钻 铰 的方 式 。钻 头 与 铰 刀 通 过 液压高精强力 主刀柄直接与主轴刚性连接 , 为了更 好地防止钻孑 L 时底孔被引偏 , 钻头采用带有定 心作 用的直槽钻头 , 铰刀采用无斜切削锥的端刃铰刀。 2 . 3 . 3 刀具 的冷 却 为 了提高 加工效率 , 整个 加 工过 程采 用 了高 速切 削 , 刀具就需要 进 行冷 却 , 如 果 采用湿 式 加 工 , 就会 增 加很大的经济投入, 且后期维护使用成本也较为昂贵。 通过对 多家微量润 滑 系统 的调 研 和试验 , 最后 采 用 了 性价 比较高 的 A e e u . L u b e 微 量 润滑 系统 , 在钻 铰孑 L 时 进行 喷雾 润滑冷却刀具 , 起 到抑制温 升 、 降低刀具 磨损 的作用 , 既延长了刀具的使用寿命提高了铰孑 L 的表面 粗糙度 , 又有效降低了生产维护成本。 2 . 4 设 备的维 护及 环保 设计 了可 调式托 刀装 置 , 方 便工 人进 行 铣刀 刀具 的更换 ; 在镗头前端增加了手动按钮 , 方便工人进行刀 具 的更换 和设备 的调试 ; 设计 了 自动 排 屑装 置进 行排 屑 ; 吸尘装 置在铣削 时进行 除尘处理 , 吸尘罩 固定在铣 头上 可 以根据不 同产 品跟随移 动 , 达 到环保 目的 。 3设备 的使 用情况 从 机床投 入 使 用 以 来 , 已经 在 常 柴 股 份 有 限公 司4 8 0机体项 目生产线使用近 2年时间, 各项性能指 标 都达 到 了设 计 要求 , 已加 丁 出 8万 多 件合 格 工 件 。 满 足 了精 铣 底 面 和 钻 铰 定 位 销 孔 集 成 加 丁 内 容 , 且 具 有很 高 的生产 效率 。有 效 解 决 了生 产 现 场该 序 阻 碍 生产 效率 的瓶 颈 问题 。 分 别与 另外两 个 采用 传 统 加工 工 艺 和 进 口加 T 中心进行加工缸体 生产厂家的设 备进行 比较分析 , 该 设备 具有 一定 经济性 。 表 1 被加工零件检测 结果 检验项 目 精度要求 进 口加工中心与本机床 传统设备 缸体高度 0 . 1 O 0 3 土 O . O 6 平面度 0 . O 5 0 . 0 2一O . O 3 0 . 0 3 5 0 . 0 5 与顶 面平行度 O . 1 0 . O 5一 O . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 9 销孔距离 4 7 3 . 5 0 . 0 3 4 7 3 . 5-t- O . 0 1 5 4 7 3 50 . 0 2 7 销孔尺寸 4 , 1 3 . 6 o 。 。 击 1 3 . 6一由 1 3 . 6 1 5 4 , 1 3 . 6一击l 3 . 6 2 位置度 击 O . 0 4 5 4 ,0 . 0 2 4 , 0 . 0 3 5 4 , 0 . 0 44 , 0 0 6 下转 第 1 2 9页 2 0 1 3年 6月 黄绍华, 等 提高铣刀铣 削4 2 C r Mo 寿命的试验研究 l 2 9 后角减小时, 由于楔 角相应增大 , 从而提高了切 削刃的强度。同时楔 角增 大 , 刀具 的散热体积也 变 大 , 热 量 容 易 扩 散 , 使 得 切 削 温 度 降 低 , 利 于减 轻 刀 具 的磨损 , 刀 具 的耐用 度得 到 改善 。 A 刀 与公 司所 用 的原刀相 比, 后角减小了 2 。 , 加工件数 提高 了 1 9件。 刀具 的后 角也 不 宜过 小 , 减 小 后 角会 增加 切 削 力 , 使 切削刃的热量增加 , 降低刃 口的韧性 , 会加速刀具 的 磨 损 。后 角过 小 , 切 削与 后 刀 面 容易 发 生 干 涉 , 产 生 严重摩擦 , 不利 于切削 , 所 以后角有一个合理值 , 即 合 理 后角 。B刀 比 A刀 加 工 件 数 提 高 了 2 6件 , B刀 是 在减 小 后 角 的 基 础 上 , 减 小 了 刀 的 前 角 。减 小 前 角 , 也是为了增大楔角, 增加切削刃的强度 。前角减 小 , 切 屑沿 着 前 刀 面 的 弯 折 角 度 变 大 , 切 屑 变 形 大 , 容易折断, 改善了断屑效果 。 A刀 8 3件 和 B刀 1 0 9件 , 虽然 比原刀的加 工件数 6 4件 有所提高 , 但仍达不到公司所要求 的 件数 2 0 0件 。为此 , C刀与 D刀我们换 了铣刀 的 材料 。用 来 制造 刀具 的材 料 , 一 定 要有 高 的硬 度 , 高 耐磨 性 , 必 要 的抗 弯强 度 。。 。A, B刀 所 用 的刀 具 材 料是 国产料硬质合金 x, 属于钨钴类材料 , 硬度高 , 耐 磨性 良好 , 化学成分和力学性能如表 3所示 。但考 虑到 被加 工材 质 4 2 C r Mo是难 加 工 材 料 , 对 刀具 性 能 有更高的要求 , 因此我们 选取韩 国特 固克 Y料。Y 含钴量 比 x高 , 含钴量提高塑性相对增 大, 刀不容易 出现崩 刃 , Y化学 成分 和性 能 如表 4所示 。 改变刀具 的后角 和前 角 , 铣刀 的寿命小 幅度 提 高 , 改变铣刀的材料 , 其寿命有 了较大的改善 。在改 变刀具的几何参数 对寿命 的提 高不 大时 , 可 以考虑 改 变刀具 的材料 , 往往 能获得 不错 的效 果 。 3 结 论 1 由 A刀 和 C刀 的 比较 可得 , 圆周 后 角 6 。 , 槽 前角 1 2 。 , 刀具的材料 由 x改为 Y, 铣刀 的寿命提高 了 9 4 % ; 由 B刀 和 D刀 的 比较可 得 , 在 圆周后 角 6 。 , 槽前角 8 。 时, 刀具的材料从 x改为 Y, 铣刀的寿命提 高 了 9 5 % 。由此 可 见 , 刀 具 材 料 对 刀 具 耐 用 度 影 响 很 大 。 2 由 A刀 和 B刀 的 比较 可得 , 铣 刀圆周 后角 从 8 。 减小到 6 。 , 刀具寿命提高了 3 0 % ; 后角减小 2 。 后 , 槽 前 角 从 l 2 。 减 小 到 8 。 , 铣 刀 寿 命 又 提 高 了 3 1 % 。 因此选择合理的前角和后角, 对切削起很大作用。 3 楔角增大 , 刀具 的散热体积变大 , 切削温度 降低 , 减轻 了刀具的磨损 , 提高了刀具的耐用度。 [ 参考 文献 ] [ 1 ]张晋 , 彭彦平 , 张伟.刀具 断屑槽 对切 削状 态的影响 [ J ] . 煤矿机械 , 2 0 1 1 , 3 2 1 1 2 91 3 0 . 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