发动机缸盖加工专用机床的设计研究

◎姚 远

（三门峡职业技术学院 建筑工程学院，河南 三门峡 472000）

现代科技的发展带动了我国汽车行业的进步，在汽车发动机缸盖加工中，机床是制造业的主要生产设备，数控机床在设备中朝着高复合、高精度和高速度等方面发展和进步。传统的机床工艺加工生产流程比较长、生产周期长、占用的面积很大和精度不高等缺点，严重影响了专用机床设计质量。为了提高汽车发动机缸盖加工技术，需要采用现代化专用机床进行设计。

1 汽车发动机与缸盖

汽车发动机是为汽车提供动力的机器，是汽车的心脏，影响汽车的动力性、经济性和环保性。根据动力来源不同，汽车发动机可分为柴油发动机、汽油发动机、电动汽车电动机以及混合动力等。常见的汽油机和柴油机都属于往复活塞式内燃机，是将燃料的化学能转化为活塞运动的机械能并对外输出动力。汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，制造成本低；柴油机压缩比大，热效率高，经济性能和排放性能都比汽油机好。除了使用汽油和柴油之外，使用其他新能源的汽车被称为新能源汽车，包括纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车、燃气汽车、生物乙醇/生物柴油汽车和氢发动汽车等。我国市场上在售的新能源汽车多是混合动力汽车，但是目前已把纯电动汽车作为了主攻方向[1]。

发动机汽缸盖用来封闭气缸并构成燃烧室，缸盖在内燃机属于配气机构,主要用来封闭汽缸上部,构成燃烧室，并做为凸轮轴和摇臂轴还有进排气管的支撑，主要是把空气吸到汽缸内部,火花塞把可燃混合气体点燃,带动活塞做功,废气从排气管排出。

2 专用机床的意义

高速切削加工技术是一种技术的革命性进步，是在传统的切削加工技术之上发展而来，不仅提高工作人员的生产效率，也降低了切削的生产成本，这种技术被很多国家应用和推广。高速切削加工技术具备高精度和高效率，成为高速切削和加工的技术先锋[2]。

数控机床在发展中，有很多复合加工的优势，这种优势受到很多机械加工行业的关注，这是复合加工技术在国家机械制造技术、自动化控制技术和材料工程技术等综合技术水平的客观反映。复合加工机床在主轴箱中是制造技术的核心，也是整个加工工艺的关键，对专用机床技术有一定的技术要求，要保证切削的高效率、加工的高精度和高层度的自动化。这种复合加工技术不断得到应用和普及，有着较高的效率、精度和自动化性的优越感，受到了汽车、航空航天制造业的广泛关注，也引起了相关行业部门的高度关注。目前，我国市场上复合加工机床在汽车生产市场的需求比较大，进口设备成本也相对较高，在制约我国汽车品牌发展的同时，还影响了机床技术的进步与发展。机床在研究和制造中，要打破这种局面，从而促进我国加工技术的高效率、高精度和高自动化的进步与发展[3]。

发动机缸盖的毛坯一般为铸件，其结构较为复杂，对铸造毛坯的质量要求也很高，在这样的要求下，相应铸造成本也在不断增加，这就对缸盖加工提出了较高的要求，传统发动机缸盖生产线工艺流程方案较为复杂，而专用机床的出现，能够缩短加工链长度，减少待制品，减少加工工件搬运时间，提高铸造成功率。

3 专用机床的设计特点

传统的机床加工工艺有很多问题，主要是生产流程比较长、生产周期长、占用的面积很大、精度不高等，严重影响了专用机床设计质量，为了改变这一现状，复合加工机床要有一定的优势。首先，复合机床要缩短加工链的长度，减少机床的制品数量，而整条生产线在加工工件时，数量会大大减少。其次，对于基准的转换，工作人员要提高加工的精度，将复合加工机床的内容合到一个加工程序中，以此提高加工方案的有效性，加工同一次装夹工作，工艺的基准没有改变，这样才能保证机床加工的精度。第三，要减少生产线的用地面积和数量，复合加工机床的内容非常丰富，在设计时，要减少生产设备的数量和生产面积，这样不仅可以降低厂房的投入成本，还可以降低机床的管理和运营成本。最后，缩短机床的生产周期，复合加工机床有多内容一序加工的特点，节省了加工的时间，提高了机床加工的产值[4]。

4 汽车发动机缸盖加工专用机床的设计研究

在汽车发动机组成当中，一个关键件就是发动机缸盖，缸盖在发动机实际组成当中属于一个对多种零件组合实现承载的主体零件，缸盖加工质量优劣、精度高低直接影响发动机综合性能，基于此，各个发动机以及机床相关生产厂家都尤其关注缸盖加工质量和精度。

在缸盖机床加工生产线当中，加工进气、排气座圈孔还有导管孔属于缸盖精加工当中的一个关键工序，该工序加工质量与精度直接关系到发动机实际性能高低。在汽车行业快速发展中，这一关键工序的精度和形位公差要求都全面提高，为了全面提升缸盖加工精度，需要加强该加工成型工艺流程。首先，要对进、排气座圈孔进行粗镗加工，之后对导管孔实现粗扩，进而对进排气座圈孔实现精镗加工，最后精铰导管孔。通过这样的工艺流程，全面提升发动机缸盖加工精度，并进一步提升发动机整体性能。例如亿达日平机床有限公司的技术人员结合制造部门实际工艺水平，并依据客户要求，研发出枪铰横车复合加工机床。该机床的设计是以提升发动机缸盖进、排气座圈以及导管孔所对应位置精度以及座圈锥面相应粗糙度等为基础，并结合市场需求全面提升相应制造精度。该产品在应用当中加工链长度实现有效缩减，待制品数量大大减少，并通过基准转换率的降低，实现了加工精度的全面提高，机床数量也减少了，生产线实际占地面积有效缩小，生产周期全面缩短，节省了大量时间，促使产品产值有效提高。

4.1 复合加工机床的方案设计

在汽车发动机缸盖加工专用机床的设计中，要重视复合加工机床的方案设计。发动机缸盖主要材料是铝，工作人员对其进行加工和铸造，其中最关键的工序是发动机缸盖进、排气座圈和导管等部分，尤其是导管座圈压入后进行加工这一部分，一般采用的是FANUC（3Ii-MA）数控系统。工作人员测量工件顶面的进气孔和排气孔，很容易看出，有相等的孔距，所以，机床的主轴加工一般是双动力头的形式，这是卧床数控机床。工作人员使用加具X移位进出四次，在导管座中加测进气侧和排气侧[5]。

4.2 齿轮箱的传动链设计

在齿轮箱的传动链设计中，电机主要从M轴传到齿轮箱中，齿轮箱在内传动链比较简单，主动轴为M轴、S1和S2，轴传动轴A和B轴，与齿轮箱相比，齿轮A、BS1、S2和M轴，传动图在绘制的过程中有两个步骤，一是选取电机最佳功率阶段转速，一次作为输出转速，当主轴输入为每分钟2000转时，电机输出的转速为每分钟2860转，主轴的输出每分钟为750转，电机的输出每分钟为1070转，二是齿轮的转速计算一般用胡切削功率来计算，主轴模数为3，齿宽为25毫米，电机和主轴转速可以设计出转动链，传动比计算公式为i12=n1/n2=Z2/Z1，斜齿轮的分度圆直径的计算公式为d=B为螺旋角。斜齿轮的中心距计算公式为a=(d1+d2)/2=m(Z1/cosB1+Z2/cosB2)/2[6]。

4.3 主轴组件设计

在主轴组件设计中，主轴组件有着重要的作用。主轴组件的工作性能有所不同，提高机床的加工质量和效率，对机床设计有着重要的影响，主轴设计主要包括旋转精度、刚度、抗振性、热变形和耐磨性。首先，对于主轴的旋转精度，工作人员要精确加工缸盖座圈导管孔，主轴要满足齿轮箱的旋转精度，在装配后，工作的转速条件为无载荷，在低速转动和工作转速的条件下，主轴前端在安装时，工件的径向跳动要低于0.1毫米，轴向窜动要低于0.02毫米[7]。其次，对于主轴的刚度而言，反映了机床和组件抵抗外载荷能力，影响主轴组件刚度的因素很多，例如，主轴的尺度和形状，主轴的前后支撑距离和前端悬伸量，滚动轴承型号，管理人员还要做好安装和预紧，以保证主轴的制造效率和装配质量。再则，对于抗振性，主轴的组件在振动时，影响了轴承的质量，减少了主轴的寿命。如果出现了切削自激振动，在一定程度上，影响主轴的加工质量，在主轴设计时，固有的频率大于原来的激振力的频率，这样才能减少主轴的共振。又则，主轴的热变形，主轴的组件热变时，如果主轴升长，轴承的间隙就会发生变化。温升时，使主轴箱发生热膨胀，主轴的位置会发生偏离，如果主轴的前和后升温不同，还会影响主轴的倾斜程度，如果是双主轴，主轴内部有枪饺和横车的进给，主轴内部温度升高的不同，双主轴驱动也有所不同，在设计时，工作人员要减少主轴组件的发热情况，这样才能控制温度的升高。最后，对于耐磨性，主轴组件有一定的耐磨性，保证工作人员能够长久的保持精度，锥孔、定心轴和主轴等部位，工作人员要局部高频淬火，主轴轴承要保证主轴的性能，材料要选择承受载荷大主轴，为了稳定机床切削，减少机床的噪声、轴承的发热等情况，在安装主轴时，要平衡主轴。在平衡主轴时，要安装好销和螺塞，平衡主轴[8]。

4.4 枪饺横车进给装置的设计过程

枪饺横车进给装置的设计过程包括三个流程：首先，传动的相关零件，枪饺横车在装置传动的过程中，一般靠伺服电机电动滚珠丝杠实现装置的进给，在转动设计中，要优化装置带来的误差，电机采用KTP的联轴器消除，而传动的齿轮箱和功能应用是相同的，为了消除单纯丝杠动带来的误差，工作人员一般采用直线轴承和导向杆这两种进行配合，以改善枪饺横车的精度。其次，轴承的选用，保证每根丝杠都有一对圆锥滚子轴承，圆锥滚子轴承要承受径向和轴向联合的负载，负载的承受能力一般由径和轴有联合载荷，轴承的承载能力主要由外圈的滚道角度决定，角度越大，承载能力越大，根据工况的要求，参考实际案例，要采用成对的7305D圆锥滚子轴承，参与主轴回转进给轴，要选择可承受径向和轴向载荷，高速旋转的246207D角接触球轴承组。最后，润滑与密封，滚珠丝杠的润滑主要由润滑泵定时的供给，进给装置所有的轴承润滑，一般采用润滑脂润滑，根据配合油封和迷宫密封等形式，防止外界杂质的润滑环境[9]。

4.5 Inwentor虚拟零件的设计

Inwentor主要有两种零件设计，设计模板包括标准零件模板和钣金零件模板等。这两种零件在软件内实现了相互转化的功能，设计也比较人性化。Inwentor的主轴箱选用的是标准零件，电机的防护罩也属于钣金件，标准零件主要指方形材料和棒料等，对材料进行切割、抽壳、钻孔等，钣金零件一般需要对板材进行弯折、切割和打孔等操作，在模板设计中，工作人员利用相应的工具完成对这些主轴箱的零件设计。Inwentor虚拟装配在功能上，对零部件进行干涉和校验，对虚拟装配件图进行装配，完成完整的虚拟样机功能，工作人员对Inwentor虚拟进行观察和分析，一旦出现一些安全隐患，就要对其进行观察，如果结构上出现了一些缺陷，会影响装配的质量。对干涉内容和部件进行修改和检查，对所发现的问题，工作人员要及时的改进，避免设计思路的方向错误，节省大量的人力、物力和财力，优化了企业机床产品的质量[10]。

5 结语

综上所述，专用机床的设计在汽车发动机缸盖加工中有着重要的作用，设计包括复合加工机床的方案设计、齿轮箱的传动链设计、主轴组件设计、枪饺横车进给装置的设计和Inwentor虚拟零件的设计。通过专用机床的设计、研发，可以促进我国加工技术的高效率、高精度和高自动化的进步与发展。