摘要：发动机机体的三轴孔精加工工序是机体制造中的关键工序，也是限制性的工序。机体的三轴孔加工精度要求高，国产设备很难达到精度要求，所以用于三轴孔精加工工序的机床——三轴镗机床长期依赖进口。机体制造厂的设备购置及运行成本较高。

　　为提高三轴镗机床的国有自主化程度，结合中国重汽杭州发动机有限公司和大连机床集团设计制造协议，进行自主研发三轴镗机床。在仔细分析用户产品加工内容及精度要求的基础上，提出将fHl轴孔和凸轮轴孔的精加工分为半精、精两工序的加工方案。通过对两种镗削方式的分析研究，提出采用推一拉镗结合的方式，在一次加工中完成两工序的加工方法。这是本机床的独到之处之一。

　　为解决油封孔、止推面和曲轴孔同轴加工互相干涉的问题，提出采用复合刀具法。研发出一种专用复合刀具，将曲轴孔刀具、油封孔刀具和止推面刀具复合在一个镗杆上，通过控制中心芯杆的行程实现油封孔刀具让刀和止推面的粗、精加工。这是本机床的另一独到之处。

　　本文按照组合机床的一般设计规律，对机体的加工工序进行分析，拟定刀具方案，设计主机方案及夹具等关键部件。对凸轮轴孔镗杆在加工中的受力状态，应用一般静力分析方法和有限元方法进行分析。在设计中，突出工程技术方法的应用。如ABS接头在刀具连接上的应用，高压内冷技术在刀具上应用，定位面气检技术的应用，气密封在导套上的应用等。本机床已完成预验收，应用于生产实际。经用户厂使用验证xx达到机体加工精度的要求，并满足生产率要求。本机床的设计制造成功为三轴镗机床的研制积累了宝贵的经验。

　　关键词：机体;高精度;镗削;三轴镗机床

　　1 概述

　　1.1 发动机机体制造技术综述

　　1.1.1  发动机机体简介

　　发动机是汽车的最主要组成部分，有“汽车的心脏"之称。发动机机体是发动机重要基础零件，通过机体将曲柄连杆机构(包括活塞、连杆、曲柄、飞轮机构等)和配气机构(包括缸盖、凸轮轴、进气门、排气门、进气歧管、排气歧管、气门弹簧、气门导管、挺杆、挺柱、摇臂、正时齿轮)以及供油、润滑、冷却等机构联接成一个整体l¨。机体在发动机工作时承受各种载荷，要求其变形小、强度高和重量轻。所以机体的结构比较复杂，是薄壁箱体类零件。根据缸孔布置，其结构形式主要分为两类：直列式，V型式。柴油发动机机体大多采用直列式结构，汽油发动机一般采用V型式。

　　机体上许多平面和孔作为其他零、组、部件的装配基准，这些零、组、部件的相对位置是由机体的加工来保证，所以机体的加工制造技术要求较高。综上所述，机体的加工质量直接影响发动机的装配质量和使用性能。

1.1.2  发动机机体加工内容概述

　　机体加工内容包括平面加工和孔系加工两大类。平面大多是定位结合面，一般用做其他零、部件的装配基准，根据装配要求，有些平面要求具有高的精度，如机体的上平面等;有些要求精度低，如各种管道结合面等。

　　孔系加工又可分为简单孔系加工和复杂孔系加工。简单孔系要求精度低，容易加工，如各种紧固孔。复杂孔系一般要求较高的精度，在孔与孔之间不仅在距离上要有严格的尺寸精度，而且相互之间有严格的平行度、垂直度等形位公差。如缸孔系、曲轴孔系等。

　　1.1.3  发动机机体加工装备概述.

　　机体的加工内容众多，需要分多道工序加工完成。在大批量化生产中采用专用工序机床加工。即一台机床只加工机体的某一或几个工序。工序机床分为通用加工中心机床和专用组合机床两类。

　　由于汽车工业快速发展，对发动机的质量和产量都有了更高的要求，而且发动机的升级换代周期越来越短，所以发动机生产制造技术要求实现柔性化制造。因次，工序机床大量采用加工中心机床。加工中心机床特点：柔性化条件好，容易实现加工内容变更;单轴加工，生产率不高。

　　但加工中心机床受自身结构限制，加工效率和加工范围有限，目前在机体某些关键工序(如三轴镗工序、精镗缸孔工序等)加工不能替代组合机床。组合机床以特定的加

　　工内容为基础设计制造，专用化程度高，生产率高，但柔性化条件不好。组合机床沿专用机床通用化方向发展。因此通过对机床的调整改造可以实现对同类型和同系列机体的加工。所以在讲求效率的环境下，组合机床仍有强大的生命力。

　　1.2 三轴镗机床

　　1.2.1 三轴镗机床的概述

　　三轴镗机床是卧式精镗发动机机体曲轴孔、凸轮轴孔和惰轮轴孔组合机床的简称。随着汽车发动机技术日新月异的发展，机体结构形式也在不断的创新和优化，机体精镗曲轴孔系序的加工内容各不相同。有些机体在精镗曲轴孔、凸轮轴孔和惰轮轴孔时需同时加工其他孔，如精铰后端面销孔等;有些机体仅只需精镗曲轴孔。

　　机体的曲轴孔和凸轮轴孔是多层壁深孔，若采用加工中心机床等柔性设备加工，从一边加工，刀具悬伸过长，加工精度不高;若两边加工，受加工中心机床重复定位精度制约，很难达到高精度。目前精镗曲轴孔系的柔性技术还不成熟，所以此类机床仍采用刚性技术的组合机床。综上所述，现在三轴镗机床泛指卧式精镗发动机机体曲轴孔系的组合机床。

　　1.2.2  三轴镗机床的重要性

　　曲轴孔系是发动机机体上的重要的复杂孔系。曲轴孔系的加工是发动机机体孔系加工中精度要求高、工时长的限制性的关键工序，加工难度大。因此三轴镗机床是用于机体关键工序加工的关键设备。

　　1.2.3  国产和进口三轴镗机床对比

　　东风汽车公司设备制造厂采用引进美国LAMB公司的半精、精镗床，对主轴承孔、凸轮轴孔拉镗的同时对两端面定位销孔、惰轮轴孔进行精镗，精镗主轴承孔后，径向走刀车止推面，精加工后主轴孔同轴度控制在巾0.025mm以内，凸轮轴孔同轴度控制在巾0.04mm以内，表面粗糙度能达Ral.6µm，孔距位置精度能达士O.03mm。

　　杭州发动机有限公司采用英国CROSS公司进口机床精加工后，曲轴孔孔径精度达到H6级，同轴度控制在由0.02mm以内。凸轮轴孔孔径精度达到H7级，同轴度控制在巾0.02mm以内。

　　大连机床集团为潍坊柴油机厂、保定内燃机厂等设计制造的三轴镗机床，曲轴孔孔径精度达到H6-H7级，同轴度控制在巾0.025mm以内，表面粗糙度稳定达Ral.61.tm。凸轮轴孔孔径精度达到H7级，同轴度控制在巾0.025mm以内，表面粗糙度稳定达Ral.61µm。

　通过表1.1可见进口机床的加工精度明显优于国产机床。

　　表1.1国产和进口加工精度对比

　　Tab.1.1 Machining accuracy at home and abroad compared

　　1.3课题研究内容

　　1.3.1 课题来源

　　本课题来源于中国重汽杭州发动机有限公司委托大连机床集团设计制造用于加工WD615机体的三轴镗组合机床协议。

　　(1) 中国重汽杭州发动机有限公司简介

　　中国重汽杭州发动机有限公司是我国专业生产重型高速柴油机的大型骨干企业，具有较强的产品研发能力，其产品在国内享有较高的声誉。

　　中国重汽杭州发动机有限公司主导产品WD615系列柴油机是从奥地利引进的，其功率范围160～266KW，是我国同类发动机技术{zxj}、质量最稳定的柴油机，同时也是我国汽车工业“十五"规划中予以重点发展的产品，目前仍是我国重型卡车的{sx}动力源。

　　(2)大连机床集团有限公司简介

　　大连机床集团有限公司是我国高效自动化成套技术与装备的产业化基地和全国工具行业排头兵。2007年代表中国机床行业首次跻身世界xx。

　　从1956我国{dy}台组合机床在大连机床厂问世，大连机床厂在组合机床设计制造一直处于排头兵位置，大连机床厂在组合机床的设计制造上有丰富的经验积累和许多有益的技术探索，目前己成功研制了多台三轴镗机床。

　　1.3.2课题内容

　　研制一台三轴镗组合机床，使其能够完成对WD615系列五种气缸体总成的曲轴孔、凸轮轴孔、惰轮轴孔、齿轮室孔、油封孔、后端面销孔以及左、右止推面的最终加工，并能稳定达到精度考核要求。

　　1.3.3 课题意义

　　由于三轴镗机床的重要性，国内机体制造厂家多采购国外三轴镗机床，不仅使的关键工序的加工技术自主拥有率低，而且增加了国内机体制造厂家的设备成本，本课题研制有助国产机床替代国外进口机床，降低机体制造厂家的设备成本;可以积累三轴镗机床设计制造的经验，提高三轴镗机床的技术水平;有益于提高发动机技术自主化程度。

　2  总方案设计

　　2.1 机床方案设计

　　2.1.1 机床配置

　　(1)机床的布局

　　本机床采用双面卧式的布局形式，如图2.1所示。这种布局的特点是：机床以工件几何中心为中心近似对称布置，工件的主定位基准平行于水平面，动力滑台仅做水平直线运动;机床的轮廓高度较低，机床的敞开性比较好，方便工件的装卸和机床的维护;主轴箱的重力垂直作用于滑台上，滑台驱动力仅需克服切削力和摩擦力，所以滑台的运行稳定可靠而且容易掌控。

图2.1 机床总图
Fig.2.1  Machine Tool General Plan

　　(2)机床的主要部件

　　机床由夹具、中间底座、精密镗头、数控滑台、镗模、刀具、工具、检具以及冷却润滑等部件和电气、液压控制系统构成，夹具和镗模将在第四部分介绍，下面主要介绍：中间底座、数控滑台和主轴箱。

　　① 中间底座

　　中间底座是组合机床重要的基础部件之一，要求具有高刚性、工艺结构合理和有利于排屑。本机床采用了整体式铸造中间底座，将传统的中间底座和侧床身合为一体，吸震性能比较好，提高了中间底座的刚性，降低了中间底座的热变形。

　　②数控滑台

　　本机床左、右两个数控滑台均采用双矩形导轨，这种导轨形式的优点：承载能力大，刚性好，容易生产制造及维护比较方便。缺点：需要用镶条来调整导向精度，导向精度约为0.02/1000。动导轨采用硬塑料导轨板结构，其优点：摩擦系数较小，耗能低;动、静摩擦因数接近，低速运动平稳性好;能吸收振动，抗震性好;耐磨性好，使用寿命较长;磨损后易于更换，经济性好。三轴镗机床的刀具导向精度主要由夹具和镗模的精度决定，滑台导向精度处于次要位置，所以双矩形导轨数控滑台适用于三轴镗机床。

③主轴箱

　　主轴箱分为两部分，前部分为精密镗头，后部分为传动箱。这种分体式的结构工艺性比较好，降低了加工制造的难度。精密镗头为封闭式框形结构，此为一种高刚度结构。左镗头内设两根主轴，分别用于加工机体齿轮室孔和惰轮轴孔。右镗头内设四根主轴，分别用于加工机体曲轴孔、凸轮轴孔和两个后端面销孔。主轴支承采用刚度型结构，即主轴前支承为固定形式，采用一组双列圆柱滚子轴承和一组双列角接触球轴承组合式支承结构;后支承为游动形式，采用一组双列圆柱滚子轴承支承结构。主轴通过前后两组双列圆柱滚子轴承的内径1：12圆锥面定位，定心和定位性能好，很好的控制了主轴的轴向和径向跳动公差。

　　左头传动箱内设齿轮变速机构，由一个电机驱动，各主轴输出不同的转速。右头传动箱内设两套齿轮变速机构，由两台伺服电机分别控制，一台控制曲轴孔镗杆主轴，另一台控制其余三轴。同时传动箱设有主轴定位装置，控制加工开始和加工终了时，曲轴孔镗杆主轴和凸轮轴孔镗杆主轴的径向位置。

　　精密镗头内的轴承采用脂润滑方式。传动箱下半部分采用油浴润滑，上半部分采用

　　喷油润滑，使得齿轮副润滑比较良好，同时降低了传动箱的整体发热。

　　2.1.2机床的控制系统

　　机床采用PLC控制，人性化的主控面板操作，参数命令输入方式，自动和点动控制程序的方式，方便操作，降低操作者误操作的机率。

　　(1)数控滑台控制

　　滑台采用伺服电机驱动机构驱动，伺服电机通过减速装置带动滚珠丝杠来驱动滑台运动。减速装置内传动齿轮副采用正反转消隙结构，提高了伺服电机的控制精度。左、右动力头滑台均采用半闭环控制方式。

　　(2)镗杆位置控制

　　由于在加工过程中主轴及镗杆不可避免的要发热和热传导，常常导致镗杆热胀伸长，有时可达到0.5mm。左、右止推面位置精度较高，半闭环控制方式不能控制热胀误差，无法达到精度要求。

　　减小镗杆热胀伸长有两种基本方法：一是设置温度补偿机构;二是改进检测机构。

　　设置温度补偿机构要以材料热性能为基础，通过将温度测量装置时时提供温度数值转化为材料的变形量，用以反补偿热胀量。这种方法易于实现精密控制。但在专用机床上的应用技术还不成熟。

　　经过分析发现镗杆热胀伸长的主要原因是主轴的热胀。这为我们改进检测机构提供了可能。我们在镗杆自由端头设置位置检测机构，当镗杆端头触发检测开关，控制系统即默认此位置为加工时左、右止推面位置。这种改进将主轴的热胀量变为无影响量，极大的减小由于热胀造成的误差，提高加工精度。实践证明这种方法非常有效。

2.1.3机床的主要参数

　　机床的主要技术参数

　　主轴数：6轴，

　　电机数：6台(5台伺服电机)，

　　总重量：12吨，

　　动力滑台数：2台，

　　左动力滑台行程：400mm，

　　右动力滑台行程： 1680mm，

　　装料高度：1240mm，

　　总功率：32Kw，

　　外形尺寸：长X宽X高=8500x4000x2800mm，

　　生产节拍：5分钟/件(具体详见生产率计算卡)。

　　2.1.4机床的工作循环

　　机床启动，人工将工件吊装到升料架上，人工关防护门，横向油缸向前推靠工件，升料架下降(让刀位)，右动力头快进，镗杆托架落下，右动力头再快进，横向油缸向后撤离工件(插销位)，导套插销撤、主轴定位撤、工件插销，横向油缸再次向前推靠工件(消隙)，工件夹紧，辅助支撑上且抱紧、气检、横向油缸再次向后撤离工件;左动力头快进，工进，快退。同时右动力头电机启动，右动力头工进(推镗曲轴孔)，曲轴孔芯杆后拉(油封孔让刀)，慢退，工进粗精车止推面(刀芯杆后拉)，车止推面刀具快退(刀芯杆前推)，工退(拉镗曲轴孔)，主轴定位、导套插销，松开工件，工件拔销，横向油缸向前推靠工件(让刀位)，右动力头快退，镗杆托架升起，右动力头再次快退，升料架升起(上料位)，横向油缸向后撤离工件，人工开防护门，人工吊卸料。

　　此时，机床一个动作循环完成。

　　2.1.5机床的生产率计算

表2.1生产率计算卡

　　Tab.2.1 Productivity Computing Card

　　表2.1续

　　Tab.2.1 Cont