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数控机床/铣床 |
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采用国内专机精铣缸盖火力面的可行性探讨 |
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作者：安徽江淮汽车股份有限公司 郑俊华 |
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就目前的现状而言，采用国内精铣专机加工缸盖火力面并不存在技术上的难题，关键在于机床的制造精度。在此，本文结合具体实例，对采用国内专机精铣缸盖火力面的可行性进行了探讨。
柴油机缸盖火力面的加工面积大，对平面度、表面粗糙度等要求较高，是保证柴油发动机工作性能的一个重点。如果平面度及表面粗糙度得不到保证，则很难实现气缸垫的可靠密封，就有可能导致出现发动机总成在火力面处渗水、渗油，甚至出现油水混合的问题。如果由于结合面的加工精度造成油水混合，在实际操作中是很难查找其真正原因的。
目前，国内柴油机缸盖火力面的加工方法主要有以下几种：
□ 采用磨床
机床价格高，设备维护费用高。由于磨床的加工深度小，还需要增加结合面的半精加工，以保证尺寸公差的要求及磨削余量的要求。因此，一般只用于大批量的生产线中。
□ 采用进口加工中心
加工过程中，会产生影响表面质量的拖刀网纹。但其加工效率高，一台设备除精铣平面外还可以完成钻、镗、铰孔的加工。一般只用在单班年产量小于5 万台的生产线上。
□ 采用国外专用铣床
其特点是生产效率高、精度稳定性好，可以很好地保证加工质量。但进口专机价格昂贵，一般用在大批量生产的刚性生产线上。
□ 采用国内精铣专机
对于用户来说，此方法不失为一种经济有效的选择。但由于存在一定的风险，目前国内很少采用。
图纸的精度要求及工艺参数的安排
图纸的精度要求如图1所示。
此次，采用国内专机加工的产品信息及主要的工艺参数确定方案如下：
□ 缸盖火力面面积：462mm×169mm
此缸盖火力面上需要加工的面积约占整个平面的80%，机床的切削阻力大，要求机床具有很好的刚性和较高的主轴功率。
□ 表面粗糙度要求：Ra1.6
此粗糙度要求较高，采用精铣专机要相当于一般磨床的加工精度要求。由于采用国内专机加工存在着一定的风险，为确保机床能长期稳定可靠的运转，工艺要求提高工艺的保证能力，要求设备加工的表面粗糙度能够达到Ra1.0。
□ 平面度要求：0.03mm
平面度的加工受定位基准的影响。分析此工件的结构，定位需采用顶面的一面两销。因此，顶面的平面度对加工后火力面的平面度有着一定的影响，故对平面度的要求按照图纸的考求确定为0.03mm。
□ 工件高度要求：92±0.05mm
□ 确定加工余量：0.5±0.1mm
由于缸盖火力面为平面精铣，余量过大，切削过程中易产生轻微振动，会影响加工的表面精度；余量过小，则对此平面加工上道工序的加工精度要求偏高。此外，加工表面的平面度还将受此平面上道工序的加工平面度的影响，故加工余量确定为0.5±0.1mm。
机床的保证措施
1. 为保证加工后的表面没有拖刀网纹，机床主轴与工作台的垂直方向应成一个微小的角度，100 范围内倾斜0.03mm。如图2所示，当刀盘前端切削刃切削工件时，刀盘后端的刀片切削刃与工件存在约0.09mm的间隙，故后端刀片不参与切削，保证了加工后的表面不存在拖刀网纹。
2. 由于采用主轴倾斜，加工后的表面形状会从端面看存在两边高、中间凹的椭圆弧形状，影响加工后表面的平面度。减小椭圆弧的途径有两种，其一，尽可能减小主轴的倾斜角度，使主轴与加工表面尽可能垂直；其二，采用直径较大的刀盘。此次，我们采用直径为315mm的精铣刀盘，以确保工件的平面度。
3. 主轴倾斜对平面度的影响分析
图3为从主轴方向上看到的切削示意图。由图3可知，影响加工平面度的关键指标是24.59这个尺寸。影响该尺寸大小的3个变量分别是：刀盘的直径、刀盘中心与工件中心线的偏差、主轴的倾斜角度。
在加工过程中应尽可能地使刀盘中心与工件中心重合。下面就刀盘中心与工件中心重合的状态下，刀盘直径与主轴倾斜角度对工件平面度的影响进行分析。
图4为从垂直于主轴和切削进给方向的加工示意图，其中24.59的尺寸与图3中的尺寸为同一尺寸，即刀盘参与切削的部分。
由图4可知，∠C = ∠D
平面度偏差=24.59×sin∠D =24.59×tgD=24. 59×tgC
=24.59 ×A÷B
当主轴中心和工件中心重合时，主轴倾斜加工平面的平面度影响为0.0074mm，而实际安装的误差为对平面度的影响小于0.01mm。主轴倾斜可满足加工后平面度的要求，且还有一定的余量。
4. 机床精度及结构要求
图5 采用龙门式结构的机床
□ 机床采用龙门式结构（如图5所示）：机床应具有很好的刚性，以保证加工的稳定性。
□ 采用高精度级铣削头主轴轴承采用德国进口FAG高精度级轴承，以提高主轴的精度，保证机床较小的端向跳动和径向跳动量。
□ 高精度铣削工作台：确保平稳的切削进给。
□ 采用通过式结构、固定式铣头：避免让刀，确保工件高度尺寸精度的要求。
□ 采用液压夹具：采用自动夹紧方式，手工上下料，保证工件的可靠装夹，减少人为因素对加工精度的影响。
刀具的选择
刀具的选择也是成功的一个关键因素。为了保证加工表面的精度，建议采用德国进口高精度密齿精铣刀盘（如图7所示）。此刀盘刀片不可调整，刀片可承受较大的切削力，且刀盘的制造精度很高。刀盘所采用的刀片均是硬质合金修光刃刀片，共有40个。刀片未曾进行涂层处理，具有锋利的切削刃，可减小切削阻力。
图7 德国进口的高精度密齿精铣刀盘
加工调试情况
设备安装调试完毕后，在连续加工的一批工件中进行随机抽取检查，具体检验结果如下：
1. 92 ±0.05 尺寸精度保证状况
随机抽取5 个工件进行检查，每个工件测量3个数值。由检测结果可知，加工工件的高度尺寸变化范围在0.03mm 之内，高度尺寸得到很好的保证。由此可见，采用固定式铣头对保证加工工件的尺寸精度具有很好的工艺保证能力。
2. 加工平面度状况
对连续加工的10个工件进行分析。测量结果为，加工平面度均小于0.022mm，最小值为0.01mm。工件定位面的平面度状况和装夹的可靠性对加工的平面度均有一定的影响，使得平面度在一定范围内波动，但此机床对加工平面的平面度也具有很好的保证能力。
3. 加工表面粗糙度检查
切削深度为0.5mm，线速度Vc范围为110～160m/min，进给量F范围为0.1～0.4mm/Z。针对在此范围内加工的工件进行抽样检查。其表面粗糙度Ramax=1.2，不能满足设计要求。针对切削参数进行调整，刀片跳动进行调整加工的表面粗糙度仍没有好转。
4. 表面粗糙度在切削深度为0.5mm时不能满足设计要求的原因分析
加工过程中采用的刀盘为密齿刀盘，而且每个刀片在切削时有两个刃口同时参与切削：一个是切削刃，此切削刃为正前角，切削阻力小；另一个刃口为修光刃（如图7所示），此刃口为负前角。由于刀具很大，切削时工件的反作用力大，导致切削阻力、切削功率也很大，易造成刀盘震动，因此对机床主轴的刚性要求很高。
而刀盘与机床主轴的连接是通过刀盘内侧的四个连接螺栓孔连接的，以致刀盘连接的刚性差。实践表明，可改为外侧4个螺栓孔连接，或同时使用内侧和外侧共8个连接螺栓连接，以保证连接的可靠性。
此机床主轴的调整机构采用的是传统的螺纹锁死的连接形式，其特点是机构调整方便。但对于精加工机床而言，其主轴相对床身的稳定性要差。当切削力较大时，易产生振动，影响加工精度。建议此机床主轴的连接宜采用国外专机抱死式连接结构，这样有利于提高机床整体系统的刚性，保证加工的稳定性。
另外，可以采用伺服电机主轴驱动装置，提高主轴旋转的稳定性；采用液压滑台或伺服工作台，以提高进给的稳定性，从而提高对加工精度的进一步保证能力。
5. 表面粗糙度的最终解决方案
□ 切削深度调整到0.3mm；
□ 采用一半切削刃进行切削加工，即20 个刀片进行切削；
□ 切削速度Vc=110m/min，进给量F=0.4mm/Z；
□ 刀盘跳动调到0.008mm 以内。
在此条件下，加工的表面粗糙度抽样检查结果显示满足设计要求。
结语
目前，此机床已进入小批量生产阶段。在国内专机的使用过程中，我们还存在对保证表面粗糙度缺少经验，对国外先进刀具的使用条件理解不够充分等问题。但实践表明，采用国内专机进行平面精铣可以很好地保证加工平面的平面度和高度的公差要求。就目前的现状而言，采用国内精铣专机加工缸盖火力面并不存在技术上的难题，关键在于机床的制造精度。
当前，国内制造业快速发展，设备制造厂家的经验积累、国内加工设备的制造水平正处于一个上升阶段。国内专机如果能够成功使用，将不仅具有投资经济性好、加工效率高等显著优势，还可以促进国内加工设备制造水平的提高。相信，采用国内设备代替进口加工设备，将是未来机加工行业设备选型的发展趋势。
原载AI《汽车制造业》杂志(end)
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(5/12/2006) |
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