（机械工程专业论文）ea111汽缸体基准铣钻铰数控专机的研制.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 e a l l1 发动机是一汽大众引进生产的一种新型t s i 发动机，其优良 的性能可以提高轿车整车性能，同时适应节能减排的发展趋势。该发动 机汽缸体采用德国g r o b 公司生产的自动线进行加工，其g r o b 自动生产 线前完成的统一精基准的加工，直接影响到汽缸体自动生产线上各工序 的定位精度和加工质量，是汽缸体生产过程中的关键核心工序，该工序数 控专机技术长期依赖国外。可见，开展汽车生产装备自主研发，对实现 进口制造装备国产化研发和提升国产装备技术水平，具有重要的工程意 义与价值。 本文以e a l l1 发动机汽缸体精基准加工数控专机研发为目标，开展 高档数控专机的自主研发，其主要工作内容与成果如下： ( 1 ) 优化了汽缸体工艺流程，制定了e a l l1 发动机汽缸体加工工艺 路线，显著减少了机床占地面积，保证了加工精度要求，并将加工节拍 控制在预期之内。 ( 2 ) 进行了汽缸体精基准加工工序内容设计，提出了采用主轴承孔 和汽缸孔的定位方案，采用同时装夹两个工件，进行双轴铣削、刚性钻 孔和刚性铰孔的加工工艺。 ( 3 ) 进行了工装夹具整体结构优化设计。夹具系统采用主轴承孔三 点定位、缸孔自定心机构、楔铁夹紧机构和辅助支撑机构，实现了工件 的定位准确、装夹刚度良好和夹紧可靠；刀具系统采用小直径可转位刀 片盘铣刀、硬质合金钻头和铰刀，有效保证加工精度和效率。 ( 4 ) 对专机整体结构及关键零部件进行了优化设计。采用刚性主轴 箱、高刚性主轴轴承支撑结构及弹性联轴节，有效提高了主轴刚性和精 度，降低了主轴电机震动对加工精度的影响；进行了滚珠丝杠、直线导 轨、伺服电机等部件的选型优化，显著提高了机床响应速度和加工精度。 e a l l l 汽缸体基准铣钻铰数控专机的研制 ( 5 ) 研发了专机电气数控系统，基于西门子8 0 2 d s l 数控系统平台， 开发了控制程序，实现了专机上下料、自动输送、自动循环加工的自动 线功能。 ( 6 ) 进行了专机系统软硬件集成与调试，并成功交付用户测试，结 果表明，所研发的专机在生产线上已连续平稳可靠运行一年以上，加工 精度和效率达到预期效果，赢得了市场的认可与赞誉。 关键词：数控专机定位基准加工工艺夹具刚性主轴箱数控滑台刀 具 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t e a l l le n g m ef a w - 、，o l k s w a g e nt 0i i l t r o d u c ean e wt s ie n 西北，锄di t sc x c e l l e n t p e r f b 肌a j l c ec 觚i m p r o v et h ec 甜v e h i d ep e 哟咖柚c e ，w h i l ea d a p t i n gt 0t h ed e v e l o p m e n t t 他n d0 fe 唱ys a v i n g n ee n g i n ec y l i r i d e rb o d yw i m 挑t o m a t i cg e 咖锄yg r o b c o m p 龃yp r o d u c 的n l i i l ef o r p r o c e 豁i r 唱c o m p l e t e d b e f o r ei t sg r o b 卸t o m a t i c p r o d u c t i o nl i i l e0 f 岫i f i e df - m eb e n c h m a r k 0 fp r o c e s s i n g ，d i r c c ti r n p a c tt 0t h cc y l i i l d e rb o d y ， a u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i i l e0 fe a c hp r o 豁o fp o s i t i o n i n ga c c u r a c y 觚dm a c h i n i i 培q u a l i 劬 t h ep r o d u c t i o no fc y i i n d e rb 1 0 c kc f i t i c a lc o r cp r o c e 鸥，t h ep r o c c 豁n cs p e c i a ll o n g - t c 衄 d e p e n d e n c c o nf 0 化i 朗c o u i l t r i 髂s i b l e ，t 0 c a n y0 u t 砌e p e n d e n tr e a r c h 锄d d e v e l o p m e n t0 f 挑t o m o t i v ep 川嘣0 ne q u i p m e n ti i n p o r t e dm a i l 蜘r i n ge q u i p m e n t ， r c a r c h 锄dd e v e l 叩m e n t 锄dt 0e i l l l 柚c ct h el c v e lo fd o m e s t i ce q u i p m e n ta n dt e h o l o g y 锄dh 鹬妇p o n 锄te n 酉n e e r i n gs i 鲫i f i c 卸c e 锄dv a l u c e a l l le n g i i l ec y l i r l d e rb o d yp r e d s i o nb e n c h m a r kp r o c e s s i n gc n cs p e c i a l 陀蹦m 孤dd e v e l o p m e n tg o a l s ，幻玎yo u ti i l d 印e n d e n tr e 抓h 加dd e v e l o p m e n t0 fl l i g l l e n d c n c p l 龇，i t sm a i l lt a s l 【sa n da c h i e v e m e n t sa r e 弱f 0 u o w s ： ( 1 ) o p t i m 娩e dc y l i n d e r b l o c kp 加l c e 蹒，t 0d e v e l o p 龇p 加i c e 蹒i n gl mo fm ce a l l l e n g i i l ec y l i i l d e rb l o c i 【as i g n i f i 啪tr e d 删o ni l lm a c i l i n ec 0 v e 瑙a na 陀ao f t 0e 腿u 佗t l i e m a c l l i i 血ga c c u r a c y ，锄dp r 0 c c 豁i i l gt l l eb e a tc o n 仃0 l 丽l i i le x p c i c t a t i 0 璐 ( 2 ) r n l ec y l i n d e rb l o c kp r o c e 鸥i n go p e r ：a t i o nc 0 n t e n to fr e f i n e db a l i i 圮d e s i 印，廿l e p o s i t i o i i i i l g0 fm em a i l lb e a r i n gb o r c 柚d 廿l e 聊砌e rh o l e ，d 锄p i n gt w ow o r k p i e c e s ， d u a l a x i sm i l l i r 培，d r i l l i n gr i 酉da n dr i 酉dr e 锄i i l gp r o c c 鼹 ( 3 ) n e 0 v e r a l ls 仃u c t u r eo fm eo p l ：i i n 娩撕加d e s 轴0 ft h ef 奴t i 鹏f 政n 鹏s y s t e m 惦i i l gm r e e - p o i i l tp o s i t i o n i i l g0 ft h e m a i l ib e a r i r 喀b o 陀c y l i i l d e rb o r c l fc e n t e 血l g i i l s t i t u t i o n s ，t i l ew c d g cd 锄p i n gm e c h 觚i s m 锄dt h ea u x i l i a d rs u p p o r ta g e n c i e s ，t 0a c l l i c v e a c c i l r a t ep o s i t i o n i i 喀o ft l i ew o r k p i e c cd 锄p i i l gr i g i d i t y 锄d 陀l i a b l ec l 锄p i n g ；t 0 0 ls y s t e m u s 锄a l ld i 锄e t e fi i l d e x a b l ed i s cc u n e 塔，c a r b i d ed m lb i t s 觚d 佗a m e 璐t 0e 吣u 陀 戤u r a c y 柚de f f i c i e n 哆 ( 4 ) o p t i m i z e dd e s i g no ft l l ep l a n e t so v e r “ls t m c t u r e 锄dk c yc o m p o n e n t s ar i 酉d h e a ( 1 s t o c k h i g t lr i g i d i t ys p i n d l eb e a r i n gs u p p o ns n u c t u l i ca n dt t l ee l a s t i cc o u p l i n g ， i r l l p r o v es p i n d l er i g i d i t y 锄da c c i l r a c y 川u c i n gt h es p i n d l em o t o rv i b m t i o no nm a c h i n i n g a c c u r a c y ；t i l eb a l ls c r e w s ，l i i l e a rg u i d e s ，s e 0m o t o r 卸do t l l e rc 0 m p 伽e n t s l e c t i o ni s o p t i m 泣e d t 0 s i g n i f i 锄t l yi i l c 陀a m em a c h i n es p e e do fr e s p o n s e 彻da 伽r a c yo f p r 0 c c s s i n g e a l l l 汽缸体基准铣钻铰数控专机的研制 ( 5 ) p l 锄ee l e c 仃i c a lc n cs y s t c mi sd e v e l o p c d ，b a s c do n 恤s i e m e 璐8 0 2 d s l c n c s y s t e m ，t h ed e v e l 叩m e n tc o n t r o lp r o c e 辎t 0a c i l i e v e ap l 锄eu n l o a d i l l g ，a u t o m a d c 仃a l i 坞m i 鼹i o n ，a m o m a t i cc y d ep r o c e 鼹i i 培卸幻m a t i cl i n e ( 6 ) ( b n d u 西e dap l 锄es y s t c mh a r d w a 锄d f 呐a 佗i i l t e 伊a t i o na n dd e b u g g ：i i l g ，锄d t h es u ( x 七鼹n l ld c l i v e r y0 ft h eu rt e s tm s l l l t ss h o wt l i a tt h ep l a n ed c v e l o p e di n 血e p r o d u 萌伽l i i l eh 弱ac o n 血u o 璐s m 0 0 t h 锄dr e l i a b l e0 p e 础o nf o rm 0 他l 锄ay e 鸡 m a c h “n ga c c u r a c ya n de 伍d e n c yt 0a 出e v et h ed e s i r e dr e s u l t s ，m em 址e th 弱w o n h c o g i l i d o na n dp r a i s e k e yw o l m s ：c n cs p 嘶a lm a c l l i n et i l s ，l o c a t i n gd a n 皿，p 础：e 豁，丘x t u r e ，r i 舀ds p i l l m e b o x ，c n cs l i d e ，旬0 0 l 江苏大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 汽车工业是国家经济支柱产业之一，在国民经济中起着举足轻重的作用。汽车 发动机的性能是影响到汽车整车性能、环保特性与可靠性的关键技术指标，发动机 及其零部件的制造是汽车制造业中的核心内容。 我国在“十一五 科技发展纲要中提出，要大力发展数控镗铣床和组合机床技 术，以满足汽车发动机缸体、缸盖以及航天、航空行业零件加工，提升基础加工能 力和水平。 汽缸体作为发动机的基础零件，是汽车发动机最核心最关键的零件，其加工精 度和表面质量直接影响发动机的性能技术指标、环保技术指标和可靠性技术指标， 是影响汽车的整车性能、安全性和舒适性的关键因素。可见，汽缸体制造工艺与装 备是汽车发动机先进制造技术的重要内容之一n 1 。 全球各大著名组合机床制造商，都将发动机汽缸体生产线及关键设备制造作为 自己的品牌和实力的象征，参与世界市场竞争。汽缸体统一精基准的加工、主要平 面精加工，缸孔及其止口精加工，主轴承孔、凸轮轴孔精加工是其整个加工过程中 的关键工序内容，往往需要采用高精度高刚性的机床装备才能保证偿1 。其中汽缸体定 位面和定位销孔加工为统一精基准加工工序，其为后续各种工序加工工序提供定位 基准，其加工精度的高低，直接影响到后续工序工件定位的准确性和一致性，是影 响汽缸体的加工精度和表面质量的决定性关键工序。可见统一精基准的加工工艺与 装备技术是发动机机体加工中最核心的研发内容。 1 2 专用机床技术现状 专机与组合机床一样，是专门针对特定零件的特定工序设计制造的一种机床， 它是随着汽车工业的兴起而发展起来的。利用标准化的通用部件组成的专机就是组 合机床。组合机床和组合机床自动线是一种专用高效自动化技术装备，目前仍然是 大批量机械零件实现高效、高质量和经济性生产的关键装备，因此被广泛应用于汽 车、拖拉机和内燃机等众多工业生产领域。 数控专机则是组合机床与数控技术相结合的产物，即利用数字控制技术控制组 合机床，实现组合机床达到更高的加工精度，更快的加工效率以及更方便的调褴操 e a l l l 汽缸体基准铣钻铰数控专机的研制 作性。数控专机的快速发展得益于近些年电气自动化控制技术的快速发展和普及， 特别是计算机数字控制技术的快速发展、成本大幅度降低以及伺服驱动系统的日臻 完善和高稳定性口，。 在欧、美和日本等工业化发达国家，大批量生产线基本上经历了三大阶段：第 一阶段的组合机床组成的刚性生产线；第二阶段的由加工中心组成的柔性生产线； 第三阶段由部分组合机床、部分柔性加工数控专机和少部分加工中心组成的半刚性、 半柔性生产线。 组合机床组成的刚性生产线解决了大批量高效生产的需要，是汽车工业早期快 速发展的基本生产模式，但其不能适应产品快速变型( 若要实现变形机型加工，必 须改造生产线或者重新研发生产线) 。由加工中心组成的柔性生产线是为解决刚性 生产线不能适应产品快速变型的不足而出现的一种模式，它具有强大的柔性，能够 实现小、中批量多品种的加工生产，可以实现产品快速转型。但由于加工中心单刀 加工效率较低，往往一道工序需要多台并序生产，生产线物流麻烦，同时刀具费用 过于昂贵；另外，加工中心作为通用设备，用来作为特定工件特定工序加工，许多 功能多余荒废。由于加工中心要求通用化考虑，其在加工精度和刚性方面就不如组 合机床更具有针对性，其加工精度和刚性一般没有组合机床好。半刚性、半柔性生 产线是融合前面两种生产线模式的优点而形成的生产模式，它利用组合机床来解决 工件固定定型工序和粗加工工序，利用数控专机来解决高精度的加工内容，利用加 工中心实现部分容易变化工序的加工。目前，国外比较流行和推广的就是这种半刚 性、半柔性生产线。数控专机在半刚性、半柔性生产线中担负着高精度、高效精加 工的角色，是这种生产线的关键设备。国外先进的生产线制造企业如g r o b 、l a 船、 c r o s s 、h u l l e r h i l l e 、h e l l e r 等公司，在数控专机的研发生产上都位于世界技术领 先的位置h 。 在国内，生产线比起国外先进形式，一直处于模仿阶段。但是，随着近几年世 界加工制造中心向中国的转移，国内自动生产线技术和应用也快速发展起来。目前 国内比较普遍的采用的是刚性生产线，也有一些企业从国外引进了加工中心柔性线， 但应用情况并不理想。半刚性、半柔性生产线在国内正逐步得到大家的认可，并逐 渐得以推广。国内虽然在生产线模式上模仿国外，但在数控专机的研发应用上却发 展迅速，在刚性生产线和半刚性、半柔性生产线较多使用。国内的大连机床厂、亿 2 江苏大学工程硕士学位论文 达日平、东风汽车设备制造厂、一拖开创装备等公司在其生产的汽车、拖拉机零件 加工自动线中，把数控专机都作为生产线中的关键核心技术进行推广使用。 前面介绍了生产线模式和数控专机国内外发展应用的演变，下面结合发动机关 键零件的生产装备国产化技术现状与趋势进行论述。 随着汽车产业的快速发展，发动机的性能大幅度提升，支撑这些提升的基础是 要加工出精度更高的发动机零部件。必须设计制造出高精度的加工设备，才能确保 生产出高精度的发动机零件。 近些年，中国汽车产业迅速发展起来。2 0 0 9 年国内汽车产销量已超过日本和美 国，稳居世界第一的位置。这得益于中国对于汽车行业经济支柱地位的重视和人民 群众生活水平的提高，达到了购置私家车的时代。中国已经成为世界汽车重要的生 产基地。现在中国虽然在汽车产量上称雄世界，但在制造汽车的装备上，还有较多 依赖国外先进技术。国内先进轿车发动机机械加工生产线大都是整线引进国外的， 对于一些技术水平一般的卡车、工程机械乃至拖拉机的发动机生产线，关键精加工 设备也是来自德国等西方工业发达国家。我们国内组合机床制造企业近些年虽然在 发动机制造自动流水线方面能力快速提升，但是生产的精加工设备，特别是汽车发 动机机加生产线关键精加工设备和国外先进企业在加工精度和稳定性方面还有较大 差距，往往整线工程中要由国外设备最终把关。所以国内装备制造厂家必须努力攻 关，逐步向国外先进技术靠齐，最终实现替代进口，这样才能实现发动机制造装备 从“中国制造 到“中国创造 。 当前，发动机关键零件缸体生产用组合机床正在向高精度、高效率和自动化方面 发展。高精度方面，像缸体顶、底面平面度，主轴承孔同轴度、缸孔止口深度精度、 工艺定位销孔精度和孔距等方面以长远提升。轿车发动机机体关键精度如表卜l 佑1 ： 表1 1 轿车汽缸体关键部位加工精度 t a b l e1 1t l l l em a c h i n i n g a c c u r y0 ft l l ek e yp a r t s0 fc 盯c y l i n d e rb o d y 3 e a l l l 汽缸体基准铣钻铰数控专机的研制 轿车汽缸体精度的提高完全是基于加工设备能够稳定加工出如此高的精度。国 外先进企业引领了这个行业的技术发展。在缸体关键精加工设备方面，采用了先进 的设计结构，如高精度主轴部件的研制应用，内出刀精车缸孔止口镗杆的使用，主 动测量仪器的使用、高耐用度硬质合金刀具、c b n 刀具、金刚石刀具的使用，加工中 心技术在组合机床上的引入使用，滚珠丝杆、直线导轨等高精度部件在组合机床上 的使用，高精度、高刚性组合机床通用部件的模块化、标准化技术应用，数字伺服 控制在组合机床上的应用，等等。这些技术的综合应用，大大提高了组合机床的加 工精度。上面采用的技术中，高速加工刀具材质使用、直线导轨技术、高速主轴技 术、数控技术等也是提高生产效率的方法。组合机床中使用刚性主轴箱，避免刀具 与导向套摩擦而限制刀具速度的现象，也提高了加工效率。数控系统及伺服电机等 技术的快速发展，为组合机床自动化发展提供了基础。 引领发动机机体加工组合机床技术发展的，大部分仍是欧、美、日本等发达国 家的先进企业，国内组合机床行业虽然也取得了长远的进步，但是一般还局限于卡 车、工程机械乃至拖拉机的汽油机和柴油机的流水线和自动线设各的制造，也有个 别轿车发动机机体生产线设备为国内企业制造，但是这些生产线设备和德国等先进 企业的装备还是有很大差距的。我们在引进先进设备的同时，逐步消化国外先进技 术，不断赶上国外先进技术，同时在此基础上，发挥我们自己的聪明才智，进行技 术创新，使我们的生产线装备形成自己的技术特色和优势，逐步替代国外进口设备， 并进一步超越国外先进技术。 目前国内组合机床的发展趋势是，不断提升机床精度，提升加工效率，提升机 床自动化程度。为此，要在设计中采用高精度通用部件，应用直线导轨、滚珠丝杠， 采用高速快换刀具和刀具系统，采用刚性主轴系统，采用数控柔性加工技术，采用 复合加工新工艺等。同时要在机床精加工夹具设计中尽可能采用工件位置维持技术， 避免夹压变形，提升产品精度嘲。 e a l l1 发动机是一汽大众引进生产的一种新型t s i 发动机口1 ，其优良的的性能可 以提高轿车整车性能，同时能够适应节能减排的发展趋势。该款1 4 t s i 发动机用在 宝来、速腾、高尔夫等一汽大众的主流车型中。它拥有增压、直喷、双增压、热管 理、降低摩擦和紧凑结构等特点，这些特点正是高效汽油发动机的全球发展趋势下 的技术特征，完全符合c 0 2 减排、减少环境污染、节约燃油的要求，该发动机同等 排量油耗能降低1 5 ，排放降低2 0 。e a l l l 发动机具有德系车“低速高扭 与“双 4 江苏大学工程硕士学位论文 峰值 的性能优势，还采用免维护链传动凸轮轴、横流冷却、无声齿链正时传动和 新的进气歧管等先进技术，能在同等条件下发挥出最大的有效功率，其动力性、经 济性优势、舒适性十分明显呻1 。 发动机的性能主要表现以下几个方面：( 1 ) 动力性能指标：有效功率、有效扭 矩和转速；( 2 ) 经济性指标；( 3 ) 运转性能指标：排气品质、噪声和起动性能。 而e a l l1 发动机在这些指标方面达到了世界先进水平。1 4 t s i 发动机排量仅为1 4 l ， 而在动力性能方面，最大功率达到了9 6 k w 5 0 0 0 r p m ，最大扭矩达到了2 2 0 n m 1 7 5 0 3 5 0 0 r p m 。它的最大扭矩轻松超越大部分国内2 0 l 级别的自然吸气发动机，而且从 1 7 5 0 3 5 0 0 r p m 转速区间都能达到最大扭矩峰值，涵盖了大部分城市行驶工况。经济 指标方面，该发动机安装在速腾和高尔夫车上，均能发挥出6 l 1 0 0 l ( i i i 的综合油耗， 这比同级别车型节油1 5 以上。而国内同类级别车型规定的综合油耗标准是不超过 1 0 l 1 0 0 l i i l 即可。在运转性能方面，它的一氧化碳和碳氢化合物排放达到了欧标准， 是一款绿色环保的发动机。同时由于该机型能够提供连续稳定的大扭矩输出，并采 用免维护齿形无声链进行正时传动等先进技术，大大降低该发动机的噪声。该款发 动机在速腾和高尔夫车上0 1 0 0 k m h 加速时间仅为9 5 s ，表现相当出色。总之，该 款发动机代表了世界发动机发展的最新趋势，它在动力性、技术先进性、节能减排 等方面的领先优势无可取代，将为消费者开启工艺精湛，动力卓越，绿色环保的驾 乘时代。 这款发动机纵然设计理念和设计结构十分先进，但要想发挥出优秀的性能j 各 个零部件的加工精度至关重要。作为发动机基础载体零件的发动机缸体加工精度如 何，更是关系到整个发动机性能指标能否实现的关键和核心。 一汽大众的发动机汽缸体采用德国g r o b 公司生产的自动线进行加工，但其端面 定位基准在上g r o b 自动生产线前完成加工。缸体定位基准加工工序与g r o b 生产线 的流程关系如图卜1 。 刊g r o b 自动生产线完成机体加i 图1 1 汽缸体机加工流程 f i g 1 1m h i l l i n gp 0 c e 鼹0 fc y l i i l d e rb o d y 一汽大众为了保证e a l l1 发动机的品质，实现其优秀性能，决策采用了世界项 尖、价格昂贵的g r o b 自动线来加工汽缸体，这样尽可能发挥国外先进设备的优势， 5 e a l l l 汽缸体基准铣钻铰数控专机的研制 生产出来高精度的汽缸体。但该自动线要能实现生产，必须提供一个各工序机床定 位使用的统一定位基准，该基准可以保证工件在每台设备上准确定位，保证各工序 加工面之间正确的位置关系。定位基准加工精度对机体后续精加工精度影响至关重 要。因此，统一精基准的加工成为保证发动机机体精加工精度的关键和核心。该工 序在g r o b 自动线前进行加工完成。大众公司其他工厂在加工这个定位基准工序时， 采用的是德国生产的专机设备，加工精度很高，价格也十分昂贵。进口一台本工序 加工设各，需要6 0 0 1 0 0 0 万元人民币。为了国产设备提升技术档次，向国外先进 企业技术靠齐，同时也为使用客户降低设备采购成本，我们毅然接受挑战，研制这 台定位基准面加工数控专机，以取代进口设备。这对于提高汽缸体加工工艺水平、 降低生产成本、实现汽车生产关键设备国产化具有重要意义。 该工序加工设备面临的挑战不仅是加工精度要求高、加工节拍短的问题，还存 在一个占地面积尽可能小的问题。 该定位基准包括定位面和定位销孔，传统的工艺需要先加工定位面，然后以定 位面为基准加工其他面，再以其他面定位加工定位销孔。这样的工艺需要多台设备 才能完成加工，对于客户来说，就要采购更多的机床，使用更多的工人，占用更多 的场地，势必造成各种成本增加。如果能够用一台设备，在一次装夹工件情况下， 经过多道工步来全部加工出定位面和定位销孔，就可以解决传统工艺的缺点，但对 机床的结构和节拍提出挑战。国内其他生产厂家也曾制造过一台专机来进行加工， 其采用单铣削主轴，钻孔和铰孔采用单个动力头组合，铣定位面共面度超差，定位 孔位置度不稳定，最关键问题是加工节拍严重达不到要求。为满足客户各项加工精 度和节拍要求，我公司着手研制一台真正能够满足客户要求，并能够引领该工序先 进加工性能的数控专机。 1 3 本课题研究内容 1 3 1课题来源 本课题来源于一汽四环铸造配套有限责任公司一台数控专机研发工程实践，用 于完成e a l l1 汽缸体端面四个定位基准面的铣削和两个定位销孔的钻、铰以及两个 孔钻削加工。本设备加工的汽缸体实物照片如图卜2 所示。 6 江苏大学工程硕士学位论文 图1 2 e a l l l 汽缸体 f 噜1 2e a l l 1c y l i i l d c rb o d y 1 3 2 论文研究内容 本论文研究整台设备设计研发过程，对于加工内容进行深入分析基础上，结合 客户最终的要求，全面论述本台专机的整体加工工艺优化、整体设备结构、关键部 件结构、专机各项技术参数等设计分析思路和最终结论。 本专机加工内容为队1 11 汽缸体的变速箱端面上精铣四处定位基面、钻四个孔 及精铰两个定位销孔。本工序特别要求在尽可能小的空问内，采用一台设备完成工 件端面定位面的铣削和定位销孔的钻铰，要求生产节拍4 5 秒。 针对以上所提技术要求，将重点从以下几点展开研究：( 1 ) 从加工工艺分析入 手，重点考虑专机结构方案和参数选定，以满足加工精度和加工节拍要求。( 2 ) 根 据_ t 件加工所需的定位、央紧和防变形等要求，进行央具各功能系统的结构设计分 析和研究。( 3 ) 刀具的设计和合理选用。( 4 ) 对专机整体结构及关键零部件进行 了优化设计和参数计算。( 5 ) 研发专机电气数控系统，基于数控系统平台，开发了 控制程序，实现专机自动线功能。 7 e a l l l 汽缸体基准铣钻铰数控专机的研制 第2 章 e a l l1 汽缸体加工工艺分析 2 1e a l11 汽缸体加工工艺分析 2 1 1 产品及零件概述 e a l l l 发动机是一汽大众引进的一款高性能t s i 发动机，用在宝来、速腾、高尔 夫、等主流车型中。它代表了世界发动机发展的最新趋势，在动力性、技术先进性、 节能减排等方面的世界领先优势无可取代。这款发动机的大批量生产，必将带动我 国汽车行业的快速进步。 论文中要阐述的工件为发动机汽缸体，是灰铸铁材质。它是发动机的核心基础 零件，通过它将发动机的曲柄连杆机构和配气机构以及供油、润滑、冷却等机构联 接成一个整体。在发动机工作时，缸体、活塞及缸盖共同组成了燃烧室旧1 。汽缸体的 加工历来被国内外发动机生产厂家所高度重视。在轿车上，汽缸体的壁厚往往被设 计得尽可能轻薄，有利于减轻整车重量。但对于加工来说，却提高了加工难度，必 须考虑加工过程中的夹紧变形问题。定位基准加工、缸套孔加工、主轴承孔加工、 缸体结合面加工是汽缸体加工的关键工序，其精加工工序设备也是生产线中的关键 点和难点。目前轿车发动机汽缸体年产量在1 0 5 0 万台，属大批量生产，多采用半 刚性、半柔性的全自动加工线来完成。生产线上关键工序一般采用数控专机来进行 加工。 2 1 2 汽缸体加工工艺分析 本课题研究的e a l l l 汽缸体为薄壁套机体，是汽车制造工艺中典型的箱体零件。 汽缸体的结构复杂、加工精度要求高，加工工艺路线长，其加工内容主要包括：( 1 ) 各种平面加工，主要有顶面、底面、端面、侧面凸台连接面、瓦盖剖分面等； ( 2 ) 各种孔系表面，主要有汽缸孔、主轴承孔、定位销孔、油汽通道孔等；( 3 ) 各种连 接螺孔。汽缸体的加工主要在缸体生产线上进行，多数工序为组合机床和专机。缸 体生产除了要完成上述加工表面的粗加工、半精加工、精加工外，还要完成有关的 装配、检验、清洗等工序。 汽缸体外表面结构复杂，大的端面、顶面、底面的铣削多用组合铣床来完成， 个别有用铣削数控专机来完成；一些高低错落的凸台面或定位面一定是采用数控专 机来完成。 8 江苏大学工程硕士学位论文 汽缸体重要孔系多采用数控专机来进行加工。比如主轴承孔粗加工会采用双面 扩孔组合机床，半精加工和精加工会采用单面单轴专用镗床进行加工的。缸孔的粗 加工和半精加工会采用多轴组合镗床进行加工，精加工多采用单轴或双轴的数控专 机进行加工，经常还会与精铣顶面融合在一台机床内进行加工。 汽缸体的链接螺孔或其它孔系一般采用多面多轴组合机床进行加工。深水孔会 采用枪钻、深孔钻等专机进行加工的。 上面阐述了汽缸体加工各面采用的加工方式，下面从加工工艺顺序来分析加工 工艺特点。机械加工中，安排加工顺序的原则是：先粗后精，先面后孔，先基准后 其它口们。汽缸体加工也同样遵循这一原则。 ( 1 ) 粗加工阶段工艺特点。汽缸体粗加工工序安排在整个加工过程的前面部分， 主要对机体毛坯各面进行粗切加工，加工掉大部分余量，以便给后续半精和精加工 留较少的余量，提高后续工序的加工效率。同时去除掉毛坯表皮硬层，可以保证后 续工序容易加工。粗加工还可以释放大部分铸造应力，保证后续加工时不会产生应 力变形，影响加工后的精度。 汽缸体表面粗加工多以硬质合金刀盘大余量大走刀进行铣削加工，缸孔多以硬 质合金铣镗刀进行高效镗削，主轴承孔多以整体扩孔刀进行扩孔加工。 ( 2 ) 半精加工阶段工艺特点。汽缸体半精加工多是为保证一些重要表面加工精 度，在粗加工后，将粗加工过的表面进行休整加工，提升精加工时余量均匀。半精 加工也可将精度要求中等的表面直接加工完成。 ( 3 ) 精加工阶段工艺特点。汽缸体精加工就是将精度要求高的重要面加工到产 品要求的精度。 精加工多采用高精度、高刚性的专机进行加工，目前由于数控伺服技术的成熟 应用和数控加工的稳定可靠，所采用的专机一般为数控专机。 精加工对于机床刀具要求有：可精密调整、耐用度高、加工速度高、可快速调 整等。 ( 4 ) 螺孔等特点内容加工。螺孔和一些次重要的小孔，可安排在精加工主要平 面后进行，一方面加工时对工件变形影响不大，另一方面如果主要平面出现废品后， 这些小表面就不必加工了，可避免浪费工时。如果这些小表面加工可能会碰伤主要 表面，就应该将其放在主要平面精加工之前。 9 e a l l l 汽缸体基准铣钻铰数控专机的研制 ( 5 ) 定位基准加工工艺特点。汽缸体定位基准一般为一面两销的定位形式，大 部分以底面及其上两个定位销为基准贯穿整个生产线，也有以端面及其上两个定位 销为基准的，个别工序还会以顶面及其上两个定位销为基准的。一般大型机体都会 用底面及其上两个定位销为基准，而小型机体会以端面和底面分前后阶段作为定位 基准的1 。队l1 1 汽缸体生产线前段加工以端面及其上两个定位销为基准，生产线后 段以底面及其上两个定位销为基准。 不管是哪个阶段使用的定位基准，都是其它工序工件定位进行加工的基础，其 精度高低会直接影响到其它工序的加工精度。e a l ll 是轿车发动机，精度要求高，因 此，定位基准精度必须更高才能满足其它精加工工序要求。所以，定位基准的加工 就成为汽缸体加工的关键工序。 一面两销定位基准的加工有几种工艺形式：一种是加工定位面为一台专机设备， 加工定位销孔为另一台或多台专机设备；另一种为加工定位面和加工定位销孔为一 台多工位专机设备。加工定位面多用硬质合金刀盘进行铣削加工。加工定位销孔有 采用钻、扩、铰工艺的，也有采用钻、镗、铰工艺的，还有采用钻、铰工艺的。 2 1 3 关键技术问题分析 在能够完成整个汽缸体加工时，必须保证机体加工后各方面壁厚要求均匀，以 保证机体各处的刚性符合设计要求。机体最初的定位基准的加工就显得至关重要。 选用合适的毛坯面定位，加工出精确的定位基准，对于以后机体的上自动线加工最 为关键。最初定位基准的加工，必须保证该定位基准与重要加工面( 如缸孔、主轴 承孔等) 间正确的位置，保证后序用该定位基准定位加工重要部位时，重要部位的 加工余量均匀。引进国外先进的发动机机体，其铸造余量都较小，一般在2 3 珊，如 果定位基准加工不准确，会出现加工余量不均，甚至出现局部无余量可加工，造成 机体报废。一般情况下最初基准加工会用最重要的表面或孔进行定位来进行加工。 还必须考虑定位基准在一次装夹情况下加工完成，因为这时采用的基准均为毛 坯面，毛坯面作为定位基准一般只能使用一次。 毛坯面定位，要考虑在准确定位夹紧的同时，设置合适的辅助支撑，以增加夹 具刚性，防止加工过程中产生振动。还要考虑央紧可靠性。 在晟初定位基准加工时，采用了工序集中原则，加工内容较多，必须考虑提高 加工速度，以保证生产线节拍要求。 l o 江苏大学工程硕士学位论文 2 2e a l11 汽缸体机械加工工艺 e a l l1 汽缸体机械加工总体工艺为： 粗铣两端面一半精铣两端面一精铣端面四个定位面，钻、铰定位销孔，钻输送 孔一粗铣底面及止口面一粗铣顶面及侧面凸台面一粗镗缸孔一半精铣、精铣底面及 半精铣止口面一半精铣顶面一钻扩顶面底孔、攻丝一钻铰底面定位销孔，钻扩瓦盖 螺纹底孔、攻丝一精拉止口面一装主轴承盖一粗扩主轴承孔一粗精铣滤清器出水管 斜面一前后端面钻孔、攻丝一左右端面钻孔、攻丝一半精镗缸孔一半精镗主轴承孔 及扩端面定位销孔一精镗主轴承孔及铰端面定位销孔一精铣两端面一精铣顶面，精 镗缸孔一珩磨缸孔 整个加工工艺中，精镗主轴承孔及铰端面定位销孔、精铣两端面、精铣顶面精 镗缸孔等工序为关键工序，它们是保证机体精度的。这些重要工序除了需要机床精 度高外，前面定位基准加工精度也是关键。因此，定位基准的加工是汽缸体机体加 工关键中的关键。 2 3 铣钻铰基准工序工艺内容 2 3 1 本工序加工内容及加工精度分析 本专机用于e a l l1 汽缸体端面上精铣四处定位基面、钻四个孔及精铰两个定位 趟弛如二加工工序图如图2 = ! 堕云按生垦地工顺序如! 内容季丌譬寞要书如立 先精铣四处巾4 0 咖定位基面，粗糙度r a l 6 ，要求加工后四处定位面共面，公 差0 0 1 5 衄，定位面到汽缸体轴向中分线基准的尺寸为1 7 5 3 0 0 6 舢；接着钻巾 1 2 o 0 6 唧孔，孔深1 5 1 姗，粗糙度r a 6 3 ；钻巾1 3 5 o 0 6 唧孔，孔深1 4 1 嗍， 粗糙度r a 6 3 ；钻两定位销底孔2 由1 3 7 咖，孔深1 4 唧；精铰两定位销孔2 巾 1 4 严8 唧，孔深1 3 1 咖，粗糙度r a l 6 ，两定位销孔间横向坐标距离为3 5 5 o 0 3 唧， 纵向坐标距离为2 2 1 0 0 3 舢。 e a l l l 汽缸体基准铣钻铰数控专机的研制 ( 毛珏女l 直打置) 了 ( 舻)( 舻)【聍) 气了 y 7 z ( 夕 o ，一 1卜一 4i 萎 l【 匕- 3- 爹 = 强 翟 v 吖、v ，r 、，、 鹦岂鹦 蚓阅 制一i m l隅l m 肜刚 一砧 一 t l u t l r 兀1 一 ! ( 毛摹t t 1 1 ) lf m 5 ( 惦姐曲- j ( 弘，) 慵 江苏大学工程硕士学位论文 8 一b 叶堂等叶一卜 凼 i u 渡纹度v t 1 5 n 匡 会l h 最攀h 恒瑚。寸毒舞 h 最逍h 令母薄掣墨一nm h 景翠h 一 岔漕鼻掣蠢一h小m h 最通h莹引勇踊盈“最逍h 岔掣鼻捌醛一价， e a l l l 汽缸体基准铣钻铰数控专机的研制 说明 一，被加工零件 铱a 1 1 m 体目号： a 1 1 1 0 3 c1 0 302 1a hj j 科：h 1 2 5 0 6 8 1 9 4 3 9 鼹：h 8 1 7 0 2 4 ： 生产节拍：4 5 秒 ! ( ：；主：同步加工两件9 0 秒2 件) 二，图中符号 定位基准9 定位支点人辅助支承! 夹压方向i 船 p 三，“口”方框内尺寸，精度及粗糙度由本机床保证：其余尺寸精度及粗糙度由前工序保证。 四，填注实测记录单序号。 图二1e a l l l 汽缸体定位基准( 铣基面，钻、铰定位销孔) 加工工序图 f 嘧2 - 1m a c h i n i i 培胛础鹏g m p h 0 fe a l l lc y l i n d c rb o d yo r i 锄谢i o nd a n 蚰( r n m i i l gs u 血d 佣，c l h o l e0 f d 珊吨卸d 联喇 四处定位基面用一把直径巾4 0 舳的铣刀进行依此铣削加工，加工后要求达到 o 0 1 5 姗的共面度；两个定位销孔经过本机床钻、铰两道工序后达到i t 7 的精度要求， 而且孔位坐标公差0 0 3 咖。 2 3 2 本工序加工工艺分析 专机在加工工件时涉及铣削加工，钻削加工和铰削加工。 本工序之所以要在本台设备上加工这些工艺内容，是因为：首先考虑到定位基 准面和定位销孔之间有较高的位置精度关系，在一台设备上一次定位进行加工，能 够保证加工定位一致性，保证基准间位置精度；另一方面，多工序内容采用多轴专 机交叉加工，可以大幅度提高加工效率；共用多轴箱多轴刚性加工，可以有效控制 各孔间位置精度，保证加工精度长期稳定；还可以减小占地面积和减少工人数量。 2 3 2 1 铣削加工工艺分析 铣削加工是使用旋转多刃刀具对工件进行切削的加工方法。加工时，铣刀旋转 是主运动，铣刀或工件沿坐标方向的直线运动或回转运动是进给运动n 引。具体到本 专机上时进给运动各部位有所不同，与x 轴平行的进给运动由数控移位滑台带动工 件实现，与x 轴垂直的进给运动由立式数控滑台带动铣刀实现。 作为机械制造中一种常用的切削加工工艺，被广泛应用于汽车、航空及模具制 造业中机械零件的粗、精加工。 铣削加工具有以下特点： ( 1 ) 铣削加工采用多齿刀具切削，铣削生产率很高。 ( 2 ) 铣削加工属于断续切削，要求机床和夹具具有较高的刚性和抗振性。 ( 3 ) 同一种被加工表面可以选用不同的铣削方式和刀具。 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 铣削可用于粗加工和精加工，铣削精度等级为i t l l 8 ，表面粗糙度为 r a l 0 6 3 u m 。铣削主要用于加工各种平面及直槽、台阶、t 形槽、键槽、分齿零件 和曲面等n 羽。 结合本专机，主要关注如何提高机床的刚性和抗震性，合理选用铣刀以及切削 参数，保证精铣加工达到预期的精度和效率。 2 3 2 2 钻削加工工艺分析 钻削加工是用钻头在实体工件上加工孔的方法。在组合机床上多采用带导向模 板的多孔同时加工工艺。在加工孔距相对较远的情况下，主轴直径可以排布成刚性 主轴时，可以采用刚性钻削。由于带导套加工时，刀具和导套间有摩擦，为避免刀 具与导套的咬合，相对运动速度不能太高，限制了加工效率。而刚性钻孔时没有导 套，刀具转速不受限制，而且一般刚性加工会采用硬质合金钻头，所以可以将切削 速度设计的很高，大大提高效率。同时，由于主轴刚性和刀具刚性较高，加工孔时 能够将加工孔的尺寸精度和位置精度大大提高。在组合机床上，一般的带导向的钻 孔加工，位置精度只能达到0 2 0 1 5 咖，而刚性钻孔的位置精度可达到 o 0 5 舢的水平。 钻孔属粗加工，可达到的尺寸公差等级为i t l 3 i t l l ，表面粗糙度值为r a l 2 5 。 由于麻花钻长度较长，钻芯直径小而刚性差，又有横刃的影响，故钻孔有以下工艺 特点： (