加工气缸盖电热塞孔组合机床设计及空间角度的计算

加 工 气 缸 盖 电 热 塞 孔 组 合 机 床 设 计 及 空 间 角 度 的 计 算 向文俊 扬州柴油机厂技术中心 江苏 扬州 225000 摘要 柴油机气缸盖电热塞孔轴线常和气门座圈孔中心连线和轴线呈空间角度布置 因此 加工此孔的组合机床设计比较 复杂 文章以YZ4102柴油机气缸盖为例介绍了加工空间角度孔系的组合机床的设计方法 关键词 柴油机 电热塞孔 组合机床 设计 中图分类号 TG65 文献标识码 A 文章编号 1001 2265 2004 04 0107 03 图1 YZ4102气缸盖生产线平面布置图 1 概述 柴油机气缸盖的电热塞孔因发动机燃烧原理和结构设计的 需要 通常和气门座圈孔中心连线和轴线呈空间角度分布 由 于这种分布形式 给加工该孔系的工艺装备设计及制造带来很 大难度 在小批量生产时 通常采用通用机床配置专用夹具来 完成这些孔的加工 此时是将夹具定位基准面设计成空间角 度 工件安装后转位以实现加工要求 这种工艺 机床结构简 单 夹具结构复杂 工件装卸比较困难 且被加工孔平面落差大 深度难以控制 因此在大批量生产方式中 往往需要采用组合 机床来完成这些孔的加工 为了实现设计要求的空间角度 这 样的组合机床设计和制造都比较复杂 本文介绍了在加工 YZ4102气缸盖电热塞孔组合机床设计中 采用直角坐标系进行 空间角度转换计算的方法和机床结构设计的重点 2 机床的总体方案和设计要点 2 1 YZ4102气缸盖生产线简介 扬柴YZ4102气缸盖生产线由三段组成 第一段采用通用 机床加专用夹具 完成六个面的加工和定位基准孔的加工 第二 段采用19台组合机床组成加工自动线完成所有孔系的加工 第 三段采用部分专用设备和辅助设备完成清洗 试压 压座圈 压 导管等辅助工序和导管座圈压入后的精加工 全线共有设备 43台 年生产能力五万只 加工电热塞孔机床是第二段加工自 动线的一部分 见YZ4102气缸盖生产线平面布置图 图 1 2 2 加工电热塞孔机床总体方案 根据自动线总体设计要求 电热塞孔由钻 扩 锪 攻丝四台 单卧斜四轴组合机床完成 机床采用液压传动 夹具的定位夹紧 机构形式统一 缸盖在机床中的安装位置为气门座圈孔轴线与 水平面平行 以便于实现全线自动输送 2 3 加工电热塞孔机床的设计要点 从工序简图2中可见 电热塞孔轴线在K向视图中的投影 线与气门座圈孔中心连线的夹角为62 电热塞孔轴线在气缸 盖横剖面内的投影线与气门座圈孔轴线的夹角为36 这样电 热塞孔轴线的实际位置与气缸盖外表面及其它孔系的轴线都不 平行或垂直 在确定了以上设计条件并经分析 这四台机床有以下几个 设计要点 1 机床主轴箱主轴轴线必须相对于工件呈空间角度布 置 以实现电热塞孔加工所需的角度 2 为实现机床主轴轴线的空间角度 需对安装滑台的基 础部件进行旋转和倾斜 滑台后端需要增加平衡机构 必须进行 专用件的结构设计 3 机床主轴轴线所呈的空间角度不能采用产品图样中直 接标注的有关角度 需要进行转换计算 4 机床主轴轴线在安装后角度的改变 会引起主轴箱主 轴分布产生变化 计算比较复杂 3 机床设计中滑台和侧底座安装角度 的计算 根据对YZ4102气缸盖产品图样中电热塞孔所标注的位置 和尺寸要求以及对组合机床设计方案的分析 安装在滑台上的 主轴箱主轴轴线必须和滑台导轨平行 因此需要将滑台轴线相 对于气门座圈孔轴线 在水平面内旋转 角 然后再将滑台导 轨平面相对于夹具基 准面 水平面 倾斜 角 这样主轴轴线 即可形成电热塞孔轴 线所需的空间角度 见图3组合机床外形 图 所以设计中首先 要计算出 的角 度值 在角度转换计算 中 通常采用图样中 标注的已知角度和尺 寸 列出关系方程后 7012004年第4期 1994 2008 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 图2 工序简图 图3 组合机床外形图 图4 电热塞孔空间度位置计算图 代入尺寸计算 这样既增加了计 算工作量 又影响计算结果的精 确 在本次组合机床设计中 我 们采用了几何作图法 将几何模 型中设定的线段 代入计算 最终 可精确的求出所需角度 这里的 关键就在于建立几何模型 根据工序简图所示尺寸和角 度 我们以电热塞孔轴线A F为 对角线建立了一个三维几何模 型 见图4电热塞孔空间角度位 置计算图 图中 电热塞孔轴线与其在水 平面内投影线的夹角 即滑台导 轨面需要的倾斜角 电热塞孔轴线在水平面内投影线与气门座圈孔轴线的 夹角 即滑台轴线需要的旋转角 A F 电热塞孔实际位置轴线 A G 电热塞孔轴线在气缸盖横剖面 垂直于气门座圈孔中 心连线 内的投影 AB 气门座圈孔轴线上截取的线段 AD 气门座圈孔 中心连线上截取的线段 已知角度为图样标 注角度 角的计算如 下 BG CF DE A Gsin36 AB A Gcos36 AD BC DE tg62 A Gsin36 tg62 AC AD2 AB2 A Gsin36 tg62 2 A G cos36 2 A G 0 8673 tg 1 CF AC tg 1 A G sin36 A G 0 8673 34 127 tg 1 BC AB tg 1 A G sin36 A Gcos36 tg62 21 122 由此可得滑台导轨平面相对于夹具基准应倾斜的角度 为34 127 滑台轴线与气门座圈孔轴线在水平面内应旋转的角 度 为21 122 4 主轴箱主轴中心连线与主轴箱定位销孔中心连线 间夹角 的计算 由于机床滑台倾斜和侧底座旋转 使得主轴箱定位销孔中 心连线和在夹具中定位的气缸盖电热塞孔中心连线不平行 为了实现加工位置 设计时需要将主轴箱主轴中心连线相 对主轴箱定位销孔中心连线偏转 角 见图5主轴箱主轴布 置图 角的计算如下 根据被加工工件和主轴箱的相对位置 作主轴箱主轴分布 角度计算图 如图6所示 801 组合机床与自动化加工技术 1994 2008 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 图5 主轴箱主轴布置图 图6 主轴箱主轴分布线角度计算图 图中 AB 气缸盖1 4电热塞孔中心连线 DE 主轴箱1 4电热塞孔主轴中心连线 DF 主轴箱中DE平行于定位销孔中心连线的投影 分别为上述计算角度 主轴中心连线相对于定位销中心连线的夹角 AD B E分别为主轴轴线延长线 即AD B E CF 分析 将AB绕A 点水平旋转角 后交 FC于O点 过O点作 A PO 使得 A PO DEF 并 可 证 得 A PO DEF 过E 点作夹具基面的垂线交 CF于G点 可 证 得 FEG BC EG 根据立体几何原理可证 得 A PO为直角三角 形 AOB是直角 在 DEF中 tg EF DF EF AO 1 在 EFG中 EF EGcos BCcos 2 在 AOB中 AO ABcos OB ABsin 3 在 BOC中 BC OBtg 4 由 1 2 3 4 计算得 tg EF AO BCcos ABcos OBtg cos ABcos OBsin ABcos ABsin sin ABcos tg sin tg21 122 sin31 127 0 2167 则 12 229 在计算出设计所需的 的具体角度值后 即可进行机 床的结构设计 5 机床的设计和制造调试 加工电热塞孔四台组合机床 除因加工工序内容不同 所采 用的主轴转速 刀具接杆 导向套等选择不同外 其结构设计基 本相同 在这四台机床结构设计和制造调试过程中我们重点作 了以下几个方面的考虑 1 保持组合机床设计时间少 成熟技术可靠性好 制造周 期短 成本低的特点 尽可能采用通用部件 在经过计算确定每 台机床所需的切削功率 运动行程 推进力以后 经过平衡 对四 台机床的通用部件作了统一选择 保持了机床外观的一致性 采用了组合机床设计标准规定的中间底座 侧底座 HY50 液压滑台 主轴箱 动力箱等通用部件 减少设计周期 降低制造 成本 2 为实现 机床主轴所需的 空间角度 我们 在侧底座和滑台 之间设计了一只 斜垫座A 将滑 台倾斜成 在 中间底座和侧底 座之间设计了另 外一 只 斜 垫 座 B 将侧底座和 滑台 一 起 旋 转 参见图2 因滑台安装在斜垫座A上面后倾斜角度较大 需 要设置滑台平衡机构 但斜垫座A的外形尺寸受到侧底座安装 尺寸一定的限制 我们在参考立式机床采用的滑台平衡机构的 基础上 将双滑轮结构改进为单滑轮结构 重新设计了一套平衡 机构 在斜垫座A的结构设计中 对四壁采用了内腔网式短筋 的布置 在内腔后端平衡块安装部位布置一隔板 既形成平衡块 运动导向 又作为加强筋 使整个结构具有比较好的强度 并减 轻了零件的重量 3 根据前述主轴连线偏移转 的计算结果 分别计算出 各主轴的坐标尺寸 设计了主轴箱 由于主轴轴线经过倾斜 旋 转后 主轴箱前端面与被加工的气缸盖电热塞孔孔口平面形成 落差 考虑到必须保证刀具的长度一致 以利于刀具的制造和 采购 因此将主轴接杆设计为不同长度 以满足加工要求 因 角确定后主轴坐标和主轴接杆长度的计算不复杂 可参 见图6 这里不作详细介绍 4 在夹具设计中 采用了框式结构 使夹具具有很好的刚 性 因为气缸盖的加工定位基准孔在与缸体结合面 所以在夹 具右模板上布置定位机构 在左模板上布置夹紧机构 这样夹紧 力的方向和切削力的方向相同 有利于提高加工的稳定性 为 了便于保证电热塞孔相对于定位基准孔的位置度要求 我们在 左右模板上分别设计了两个基准孔 统一以基准孔标注模板上 各孔的位置尺寸 这样既可作为左右模板的镗孔基准 又可在机 床调试过程中插入两根定位芯棒 准确方便地保证了左右模板 安装过程中的位置度要求 5 左模板上的刀具导向套孔 在设计中提出了旋转 角 再倾斜 角 的空间角度要求和相对于模板基准孔位置度要求 这是模板加工中的关键项目 为了保证四台机床加工的一致性 和工艺性 我们设计了一块斜度为 角的垫座作为制造工装 制造中将左模板安装在垫座上 再将镗床工作台旋转 角后加 工各导向孔 基于同样的道理 为了保证四台机床垫座A 垫 座B加工角度的统一 我们还设计了斜度分别为 的垫块 制造时将垫块安装在各个垫座上作为找正角度的基准 再加工 出所需斜面 这三种垫座和垫块的角度加工后都经过三座标测 量机的检测和反复修正 以保证图样设计规定的气缸盖电热塞 孔空间角度和位置度的要求 并保证了四台机床精度的统一 6 结束语 这四台组合机床由扬柴公司设修分厂制造调试完成后 经 切削试验 检测电热塞孔轴线位置和角度完全符合产品图样的 设计要求 没有任何返工或修正 一次投入生产 并顺利地和其 他机床联成自动生产线 投产以来机床使用情况良好 确保了 电热塞孔的尺寸精度及位置精度 大大提高了生产效率 达到了 年产缸盖五万只的生产纲领 取得良好的经济效益 同时填补了 我公司自制加工空间角度孔系组合机床的空白 在此以前 我公 司仅能自制加工单一角度孔系的组合机床 本次机床设计体会 零件中空间角度孔系的加工 一般采用 两个平面角度的工装复合叠加后使被加工孔轴线与机床主轴平