王正剛，王福元

(鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224003)

0 引言

該課題來(lái)源于江動(dòng)集團(tuán)。被加工柴油機(jī)氣缸體生產(chǎn)綱領(lǐng):年產(chǎn)量5萬(wàn)件，二班制，屬大批量生產(chǎn)。氣缸體左、右、后面上平衡軸孔系、凸輪軸孔系、曲軸孔系、缸套孔系等七組孔系的精加工是氣缸體加工的關(guān)鍵工序。氣缸體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚較薄，夾緊不當(dāng)工件容易變形。在精加工孔系時(shí)，鏜桿懸伸長(zhǎng)，刀桿容易變形，故每個(gè)孔系加工的同軸度，該孔系軸線與其它孔系軸線及平面的位置精度較難達(dá)到圖紙要求。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一臺(tái)氣缸體三面精鏜組合鏜床精加工氣缸體七組孔系，既保證重點(diǎn)工序的加工精度及位置精度，又提高了生產(chǎn)效率。

1 機(jī)床的總體設(shè)計(jì)方案

1.1 三面精鏜孔加工方案的確定

被加工氣缸體工序圖，如圖1所示，柴油機(jī)氣缸體材料為HT200，其硬度為HB170～220。在本工序之前氣缸體的上下，左右，前后六個(gè)面均已加工成為成品，各孔都已加工成半成品。

本工序的加工內(nèi)容:左側(cè)面:精鏜平衡軸孔4×Φ52M7，凸輪軸孔 Φ47H7、Φ35H7，調(diào)速軸孔 Φ25V7，起動(dòng)軸孔Φ37H7，右側(cè)面:精鏜曲軸孔 Φ195H7、Φ78H7，锪平Φ95平面;后面:精鏜缸套孔 Φ118H9、Φ111H8、Φ110H7。圓柱度要求在0.007mm以內(nèi)，同軸度要求在Φ0.03mm內(nèi)，平行度要求被測(cè)孔軸線平行于曲軸孔軸線且在給定方向上0.05mm以內(nèi)，表面粗糙度均為Ra1.6。

1.2 機(jī)床的總體布局

機(jī)床聯(lián)系尺寸總圖，如圖3所示，是用來(lái)表示機(jī)床的配置形式、主要構(gòu)成及各部件安裝位置、相互聯(lián)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系的總體布局圖，它為夾具等專用部件設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。機(jī)床的配置選用臥式組合鏜床，可便于安裝工件，便于設(shè)計(jì)夾具，無(wú)漏油現(xiàn)象;機(jī)床重心較低，有利于減小振動(dòng)。

動(dòng)力箱1TD40通過(guò)主軸箱帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，主軸通過(guò)浮動(dòng)卡頭帶動(dòng)鏜桿上鏜刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)。在側(cè)底座1CC40上配置液壓滑臺(tái)1HY40，實(shí)現(xiàn)鏜刀進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在中間底座上面安裝夾具，液壓滑臺(tái)1HY40和夾緊油缸配有液壓站。

圖3 機(jī)床聯(lián)系尺寸總圖

刀具主軸的切削速度、進(jìn)給量見(jiàn)圖2。根據(jù)已選定的切削用量，計(jì)算切削扭矩、切削功率，用作選擇動(dòng)力箱電機(jī)功率。動(dòng)力箱的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 動(dòng)力箱的參數(shù)

2 夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 定位方案的確定

氣缸體三面精鏜組合鏜床夾具總裝圖如圖4所示，工件在夾具上定位方案是:氣缸體底面與支承板平面接觸，限制3個(gè)自由度，氣缸體側(cè)面與臺(tái)階支承板肩側(cè)面接觸，限制2個(gè)自由度，氣缸體端面與一圓柱定位銷端面接觸，限制1個(gè)自由度，這樣就限制了工件6個(gè)自由度。支承板平面、臺(tái)階支承板平面及肩側(cè)面裝配前要配磨，以保證工件的定位精度。工件采用三面定位，符合基準(zhǔn)統(tǒng)一、基準(zhǔn)重合原則，能夠保證工件加工的位置精度要求，便于工件的裝夾，有利于夾具的設(shè)計(jì)和制造。

圖4 氣缸體三面精鏜組合鏜床夾具總裝圖

2.2 夾緊方案的確定

氣缸體夾緊方案示意圖如圖5所示。氣缸體屬于箱體類零件，由于工件為薄壁件，易受力變形，故采用多點(diǎn)同時(shí)夾緊工件，均勻分布夾緊力，且對(duì)著支承板夾緊工件的邊緣實(shí)體上，以減少氣缸體夾緊變形誤差。夾緊力為液壓缸驅(qū)動(dòng)，用推桿將推力傳遞至鉤形壓板，然后由鉤形壓板將夾緊力分散到工件表面，從而將工件夾緊。采用自動(dòng)回轉(zhuǎn)鉤形壓板機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，裝卸方便。鉤形壓板的工作原理為:鉤形壓板在油缸活塞桿驅(qū)動(dòng)下通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)夾緊?；钊麠U向上時(shí)，工件松開(kāi)，鉤形壓板在抬起的同時(shí)，借助活塞桿頭部的螺旋槽可以實(shí)現(xiàn)鉤形壓板的自動(dòng)向外旋轉(zhuǎn)，以便裝卸工件?；钊麠U向下時(shí)，工件夾緊，在夾緊時(shí)，鉤形壓板能自動(dòng)地轉(zhuǎn)回到工作位置。

圖5 氣缸體夾緊方案示意圖

為了工件定位可靠，在工件的側(cè)面、前面采用液壓夾緊，使工件與定位元件的側(cè)面、端面可靠接觸。它必須在鉤形壓板夾緊之前完成輔助夾緊動(dòng)作。

2.3 切削力與夾緊力的計(jì)算

所謂夾緊力的大小，從廣義上說(shuō)就是要正確地確定夾緊力地三個(gè)要素:大小、方向、作用點(diǎn)。根據(jù)工件所受切削力、夾緊力的作用情況，找出加工過(guò)程中對(duì)夾緊最不利的狀態(tài)，按靜力平衡原理求出理論夾緊力，最后為保證夾緊可靠，再乘以安全系數(shù)作為所需夾緊力的數(shù)值，來(lái)確定夾緊力。工件承受切削力示意圖，如圖6所示。

(1)鏜孔切削力F的計(jì)算

The kinetics requirement equation of the actuator is

圖6 工件承受切削力示意圖

式中:FZ——圓周力(N);

FX——軸向切削力(N);

f——進(jìn)給量(mm/r);

ap——切削深度(mm);

HB——布氏硬度。

HB=HBmax-1/3(HBmax-HBmin)，在本設(shè)計(jì)中，HBmax=220，HBmin=170，得 HB=203。ap=1.25，f大小見(jiàn)加工示意圖。

加工過(guò)程中最不利的狀態(tài)下，工件三面總的切削力分別是:

(2)夾緊力WK大小的估算

式中:K——安全系數(shù);取K=2.0;

F——切削力;

μ1——壓板與工件表間的摩擦系數(shù)，取μ1=0.2;

μ2——工件與夾具支承面間的摩擦系數(shù)，取μ2=0.2。

根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，由公式(3)計(jì)算夾緊力，得:

2.4 液壓缸的選擇

本設(shè)計(jì)選用兩個(gè)頭部法蘭固定式油缸，采用頭部法蘭固定式油缸的好處是使得夾具體的整個(gè)裝配空間顯得緊湊。因?yàn)楸緳C(jī)床采用雙油缸驅(qū)動(dòng)夾緊，所以活塞最大作用力P=4130N，查表知液壓缸的有效工作壓力:p=1.5MPa，液壓缸機(jī)械效率η=0.9。

液壓缸內(nèi)徑:

選用標(biāo)準(zhǔn)值，液壓缸內(nèi)徑為63mm。

2.5 導(dǎo)向方案的確定

導(dǎo)向方案如圖2、圖4所示，鏜套是鏜模支架上特有的元件，用來(lái)引導(dǎo)刀具以保證被加工孔的位置精度和提高工藝系統(tǒng)的剛度。為了保證孔系的同軸度要求，平衡軸孔系1～2、曲軸孔系3和凸輪軸孔系6從一端加工，導(dǎo)向裝置采用前、后導(dǎo)向，且前導(dǎo)向采用內(nèi)滾式導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，后導(dǎo)向采用外滾式導(dǎo)向結(jié)構(gòu);起動(dòng)軸孔4和調(diào)速軸孔5采用單導(dǎo)向;缸套孔7采用長(zhǎng)型鏜套單導(dǎo)向，并設(shè)計(jì)托架，以便在單導(dǎo)向鏜桿退出鏜套時(shí)，托住鏜桿。

鏜桿與機(jī)床主軸采用浮動(dòng)連接，被加工孔的位置精度由鏜模和鏜桿的制造精度來(lái)保證。鏜模、鏜桿、鏜套經(jīng)精磨后研磨，加工精度達(dá)IT4級(jí)，其配合間隙采用研磨。鏜桿要求具有足夠的剛度、硬度和耐磨性，為此，鏜桿采用20Cr，滲碳淬火，滲碳后淬火硬度61-63HRC。

3 結(jié)束語(yǔ)

本課題是氣缸體三面精鏜組合鏜床總體及夾具的設(shè)計(jì)，首先對(duì)被加工零件進(jìn)行了工藝性分析，確定了機(jī)床的配置型式、工件的定位夾緊方案及動(dòng)力箱電機(jī)功率，對(duì)三面精鏜孔夾具的定位機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、對(duì)刀引導(dǎo)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)夾緊力進(jìn)行了估算。我們?cè)O(shè)計(jì)了氣缸體三面精鏜組合鏜床夾具加工氣缸體七組孔系，既保證孔系的加工精度及位置精度，又提高了生產(chǎn)效率，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益與應(yīng)用價(jià)值。

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