发动机机体加工工艺及其夹具设计（含全套CAD图纸）

发动机机体加工工艺及其夹具设计 要全套设计请联系QQ174320523 各专业都有摘 要： 本课题概要的介绍国内外机械制造行业的发展趋势，从而提出发动机机体加工工艺研究的重要性。对影响机体机械加工质量的因素和主要对策的分析、研究，关键工序的加工进行分析，选择合适的刀具，选择合理定位基准和可靠定位基准以及设计可靠的夹紧来保证其加工质量和加工精度，提出相应的对策提高发动机的良品率和满足客户的要求。同时粗铣顶底面、精镗缸套孔专用夹具和一套工艺规程的合理设计更使得加工工艺有所创新。关键词： 发动机机； 加工工艺；夹具； 因素 The Design of Engine Block Processing Technology and Jig Author: GUO YingTutor: CHEN Zhi-liang(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract: Brief introduction of this topic at home and abroad and the development trend of machinery manufacturing industry, and then puts forward the engine block the importance of processing technology research. The influence of mechanical processing factors on the quality of the main countermeasures and analysis, research, the key working procedure of processing analysis, choose proper tool, select the reasonable positioning base and reliable position datum and the design of clamping reliable to ensure the process quality and machining precision, and put forward the corresponding countermeasures to improve the engines rate and meet the demand of the customers. At the same time the bottom and fine rough milling boring cylinder liner hole special jig and a set of technical process the reasonable design of more make processing technology has innovation.Keywords: Engine Block; Processing technology; Jig; Factors1 前言1.1 机械行业在世界上的发展趋势世界机械制造行业包含了矿山设备、工厂设备和建筑机械及汽车零部件、家用电器等诸多领域，其年产值高达1万亿美元。据行业专家分析，机械制造业在未来的发展中，有四种重要趋势将对其产生重大影响。（1）机械制造行业的融合在机械制造的许多领域，电子控制和软件技术变得同机械工程同等重要。德国第巴赫机械制造公司是世界最大的大型玻璃制造厂生产玻璃制造厂生产玻璃处理系统的公司，目前该公司的软件控制装置、电子机械装置占据了其产值的1/3。（2）机械制造行业服务性思维在从电梯到工厂设备等的各个领域，生产厂家的利润增加已不再是因为按固定规格生产产品，而是要求制造厂家能按用户的要求生产产品，以满足的个性化特殊的需求。此外，企业也通过维修或售后服务以增加产值，并带动生产型服务业的发展。（3）机械制造业全球产品开发企业的产品开发，不是在自禁的闭门造车，而是在面向开放的公共平台和社会资源。如美国最大的家用电器制造商惠而浦公司，对由2000名工程师组成的全球产品开发小组进行改组，以集思广益开发新产品，缩短某些产品的开发时间。1.2 机械行业在中国的发展趋势 改革开放以来，我国机械制造业实现了持续的高速增长，但从去年开始这一态势发生了较大变化，主要表现是增速出现了较大回落。尽管如此，去年中国机械制造业的总产值仍比2010年增长了25.06%，实现了利润比上年增长了21.14%，但是上述增速分别比2010年回落了8个百分点和30多个百分点。2011年以来中国机械制造业增速出现了明显回落，说明中国经济总量高速增长时期已逐渐过去，今后机械制造业必须适应市场需求由重“量”到重“质”的转变趋势。但是总体来说，我国工业化和城市化在不断提高，未来建设任务仍然巨大，对工程机械产品需求的增加也将直接推动工程机械行业的快速发展1。依靠我国机械行业50年形成的物质技术基础和发展经验，通过加快与国际经济的融合与接轨，有利于更多地获得发展所需的各种资源，加快机械行业技术进步和产业升级；有利于面向国内外两个市场，进一步扩大机械产品出口；有利于学习国内外先进的管理经验，加快企业经济运行机制和管理体制的转换。随着经济全球化步伐加快，国内市场日趋国际化，世界著名跨国公司对我国机电产品市场的进入战略正在由过去推销产品为主转变为以产品、资本、技术、服务等更多种手段的全面市场输入，一些体现国力和技术水平的重要机械产品（如汽车、电力设备、数控机床、自动化控制设备等）市场的竞争将更加激烈2。1.3 论文背景及主要任务本课题中加工零件为发动机机体，它是发动机的主体，是安装其他零部件和附件的支承骨架，其结构复杂，有较高的精度要求，因此，在机械制造加工工艺中具有一定的代表性，本课题来源于生产实际现场，具有较强的实际应用价值。由于现在机械工业的迅猛发展，发动机的需求量和发动机的技术含量的一步步提高，发动机机体的生产成本的控制有利于发动机的成本控制，所以研究发动机机体的加工工艺及夹具设计是非常必要的。发动机机体的生产纲领是成批大量生产，此类生产类型要求有细致和严密的组织工作，因此要求有比较详细的机械加工工艺规程和合理的专用夹具。机械加工工艺规程的合理编制有利于降底生产成本，使充分利用现有的生产条件，做到少花钱，多办事；还可以减少工人的劳动强度，保障生产安全，创造良好、文明的劳动条件。发动机机体的加工精度要求很高，所以要加工过程中需要专用的夹具来保证加工精度。机床夹具的首要任务就是保证加工精度，特别是保证被加工工件的加工面和定位面之间及被加工表面相互之间的位置精度。它还能提高加工效率，减轻劳动强度，充分发挥和扩大机床的工艺性能。因此，机床夹具在机械制造中占有重要地位。此次毕业设计的主要任务是发动机机体加工工艺规程的编制、粗铣机体上下表面夹具和精镗缸套孔专用夹具的设计、及对影响发动机机体加工的典型工序的加工质量的因素及主要对策加以分析和研究。运用大学四年所学的专业知识结合实践经验，进一步研究了发动机机体的构造以及有值得改进的地方。这有利于对所学知识的巩固和知识面的扩展,通过毕业设计进一步提高调查研究、设计计算、理论分析、查阅资料及绘制图样等各方面的基本技能。本课题来源于实际生产现场，根据湖南农业大学东方科技学院毕业设计任务书中所规定的内容，本次设计包括三个主要内容。一是发动机机体的加工工艺规程编制。制定一套合理的工艺规程，有利于在生产过程中作到优质、高效、底消耗、安全生产和改善劳动条件，使得机械加工循序渐进的进行。其主要内容包括：研究零件图分析其合理性，在得到允许的情况下改正其中的不足之处，分析零件的工艺性、零件毛坯图、工序路线、加工余量的确定。主要工序的定位方案、定位误差分析、主要工序的单件机动工时计算等。再根据以上内容，查阅相关资料，确定合适的加工设备及主要参数和规格。其次是粗铣机体上下表面夹具和精镗汽缸孔夹具的设计。经过多种方案对比选择，确定更为合理的定位方式、夹紧方式、刀具的对刀引导方式、夹具整体结构和夹紧力。再次是对影响发动机机体加工的典型工序的加工质量的因素及主要对策加以分析和研究。使得所设计的夹具结构简单、定位精确、夹紧可靠。完全符合零件图纸加工要求。然后绘制夹具总装图，最后整理设计完成设计过程。2 设计分析2.1 设计任务此次设计的主要内容为发动机机体的加工工艺规程的编制，粗铣顶底面夹具设计、精镗缸套孔夹具设计，对影响发动机机体加工的典型工序的加工质量的因素及主要对策加以分析和研究。加工工艺规程的制订要符合生产情况，生产纲领为成批大量生产。夹具的设计要满足加工技术要求，操作方便、安全。2.2 工艺规程的制定机械加工工艺规程是规定产品或零部件机械加工工艺过程和操作方法等的工艺文件2。 规模的大小、工艺水平的高底以及解决各种工艺题的方法和手段都是要通过机械加工工艺规程来体现。因此，机械加工工艺规程设计是一项重要又严肃的工作。它要求设计者必须具备丰富的生产实践经验和广博的机械制造工艺基础理论知识。机械产品生产过程是指从原材料到该机械产品出厂的全部劳动过程。它既包括：毛坯的制造、机械加工、热处理、装配、检验、油漆等主要劳动过程，还包括：包装、储存和运输等辅助劳动过程。机械产品复杂程度不同，其生产过程可以由一个车间或一个工厂来完成，也可以由多个工厂联合完成。机械加工工艺过程是机械产品生产的一部分。是对机械产品中的零件采用各种加工方法直接用于改变毛坯的形状、尺寸、表面粗糙度以及力学物理性能，使之成为合格零件的全部劳动过程。2.3 零件结构工艺性分析所谓零件的结构工艺性是指在满足使用要求的前提下制造该零件的可行性和经济性1。功能相同有零件，其结构工艺性可以有很大的差异。所谓结构工艺性好，是指在现有工艺条件下既能方便制造，又有较低的制造成本。2.3.1 零件图的分析在进行工艺规程制定之前，要仔细研究所加工零件的零件图和充分了解此零件所用的场合。这样才能合理的设计工艺规程，因为零件图是工程设计人员与机械加工人员进行交流的一种技术性文件，它被称为工程语言3。由已知的零件图，机械设计人员可以制定出相应的工艺规程，有利于零件的后续加工。在分析零件图时应注意的问题有：检查零件图的完整性和正确性。在所给的零件图中，具有三个视图，可以看清零件的结构，表达直观、清楚。经检查零件无差错。零件示意图如下图所示：图1 零件示意图Fig.1 schematic of body发动机机体从立体来说有4组加工面：（1）机体上下面 机体上下面有较高的平面度要求，对主轴孔有较高的平行度要求，除此之外，还有一些孔的加工。 （2）机体前后面 机体前后面有凸轮轴孔、主轴孔、两通孔以及一些螺纹孔，还有一调速器安装面。（3）机体两侧面 机体两侧面有两水管安装面、两窗口面、油泵平面、油泵孔以及一些螺纹孔。（4）缸套孔 缸套孔的中心线对主轴孔的中心线有较高的垂直度要求。零件工艺结构比较复杂，但是零件的刚性比较好，所以零件的工艺加工过程偏向于工序集中，这样可以使总的工序数目减少，夹具的数目和工件安装次数也相应减少，这样有利于保证各加工面间的相互位置精度要求，有利于采用高生产率的机床，节省装夹工件的时间，减少工件的搬动次数。2.3.2 结构工艺性分析由发动机机体零件图可以看出，此零件结构复杂，并根据零件的用途，故选用牌号为HT20-40的铸铁为零件的毛坯材料，并采用铸件，这样有利于提高零件制造精度和减振性4。在机械加工过程中，因为技术要求都较高，所以在满足各种性能指标下，也应该兼顾加工的经济性。其主要面加工方法如下：（1）机体上下面 上表面的平面度为0.05，与主轴孔中心线的平行度为0.10；下表面的平面度为0.2。用双面铣进行加工。（2）机体前后面 两表面的平面度为0.06，与主轴孔中心线的平行度为100：0.05，也用卧式双面铣进行加工。（3）机体两侧面 两侧面有五个不同的面，其中加工要求较高的是油泵平面，要求与缸套孔中心线的平行度为0.25，用五头铣同时加工。（4）缸套孔 缸套孔有许多的精度要求，在这里采用粗镗，半精镗，精镗对它进行加工，以满足精度要求。除上述主要尺寸外，还有一些重要的尺寸精度要求比较高，在制定工艺过程中还要考虑它们的形位公差等。这些尺寸有：主轴孔前后孔的同轴度为0.015；前轴承座孔圆柱度为0.012，其端面与主轴中心线的垂直度为100：0.06；顶面各螺纹孔中心线与顶面的垂直度为100：0.2；前端面内凹面凸轮轴孔上面的两孔的凸台表面与前端面平行度为100：0.1；综上所述，零件的结构工艺性要求较高，制造精度较高。3 零件毛坯3.1 零件毛坯材料的选择发动机机体是发动机的主体结构，是安装其他零部件和附件支撑骨架，承受极为复杂的载荷；该零件的工作条件恶劣，要求有足够的刚度和强度，需要具有良好的机械性能，它直接影响到发动机的性能。故在材料选择上采用牌号为HT20-40的灰铸铁作为零件的材料。由机械加工工艺手册表1-9查得HT20-40具中等强度，耐磨性和耐热性，良好的减振性，较好的铸造性，用于制造负荷中等，受磨损的零件和大尺寸零件，如汽缸，齿轮，活塞等5。3.2 零件毛坯的种类选择由于发动机机体形状复杂，由机械加工工艺设计手册表2-35各种铸造方法的经济特性，在大批生产的情况下，所以毛坯为铸造件3。这样有利于零件的大批量生产，并且坯件精度高，可以大量减少后继工序加工费用，提高生产效率、降底生产成本。铸件采用砂模铸造的方法，查金属机械加工工艺人员手册有在大批、中批生产的铸件精度等级为2级，为消除内应力，开箱后进行退火处理，最后清理完后再进行喷丸处理5。3.3 零件毛坯质量根据计算铸件毛坯质量为43kg5。3.4 零件的毛坯图及尺寸的确定机械加工中毛坯尺寸与完成加工后的零件尺寸之差，称为毛坯的加工余量（零件的表面如无需机械加工，则该表面上即无加工余量）。加工余量的大小。取决于加工过程中各个工步应切除的金属层的总和，以及毛坯尺寸与规定的公称尺寸之间的偏差数值。所以在确定毛坯尺寸时应根据各工步的加工余量来确定6（各工步的加工余量见表2）。由于发动机机体结构较复杂，故毛坯图不予画出。4 工件定位基准的确定基准是机械制造中应用十分广泛的一个概念，是用来确定生产对象上几何要素之间的几何关系所依据的那些点、线或面。从设计和工艺两方面看基准，可把基准分为两大类，即设计基准和工艺基准。其中定位基准又可以分为粗基准、精基准和辅助基准1。在发动机机体的加工过程中，上下、前后两面同时加工，由于采用双面铣的方法，以机体主轴中心线为定位基准，对于机体加工精基准的选择，应考虑以下几点：主要定位基准应有足够大的表面，使定位可靠；以设计基准作为定位基准，使基准重合，避免基准不重合误差，但是由于工件结构上不方便，故基准不重合，因为此处是粗加工，所以基准不重合影响不大；使大部分表面能用同一基准来进行加工（基准统一），以保证位置精度，操作方便。 在加工发动机机体的时，最先铣出它的顶底面和前后面作为后面工序的精基准，以后采用基准统一原则，避免基准不重合误差。5 加工阶段的划分与工序路线的确定由机械制造工艺学可知，加工阶段的划分可分为：（1）粗加工阶段。在粗加工阶段，主要是以高生产率去除加工面多余的金属，使其在尺寸形状上接近零件成品。（2）半精加工阶段。在半精加工阶段减少粗加工中留下的误差，使加工表面达到一定的精度，并留有适当的加工余量，为后续精加工做好准备。（3）精加工阶段1。在精加工阶段，应确保尺寸、形状和位置精度达到图纸上规定的精度要求以及表面粗糙度要求。加工工序路线方案的确定:表.1方案1Table.1 Scheme 1工序序号工序名称工序序号工序名称1030507090120140160180200220240260280300320340钻铰底面各孔粗镗主轴孔、凸轮轴孔粗铣前后面精铣上下面铣两窗口面半精镗缸套孔精镗缸套孔及止口钻汽缸体顶面各孔汽缸体顶面各孔扩孔汽缸体顶面各孔攻丝钻前、后面各孔钻前后面连接孔钻起动手柄螺纹底孔缸套孔倒角钻回油孔底面各孔攻丝刻线及去毛刺20406080110130150170190210230250270290310330粗铣上下面精镗主轴孔及凸轮轴孔精铣前后面铣两水管安装面铣油泵平面粗镗缸套孔铣调速器安装面清理铁屑清理铁屑清理铁屑钻两侧孔镗油泵孔钻前后面各孔前、后面及回油孔倒角前后面各孔攻丝两侧面螺纹孔攻丝表.2方案2Table.2 Scheme 2工序序号工序名称工序序号工序名称1030507090110粗铣机体顶、底端面退火处理铣两水管安装平面、两窗口面及油泵平面精铣机体顶、底端面钻、扩、铰机体底面各孔粗镗主轴孔、凸轮轴孔20406080100120粗铣汽缸体前、后端面粗铣机体两侧面铣调速器安装面精铣机体前、后端面和钻各孔钻、铰机体顶面各孔镗油泵孔 续表 2工序序号工序名称工序序号工序名称150170190210230250270290310粗镗缸套孔及止口精镗缸套孔及止口钻主油道孔并各孔倒角机体底面各孔攻丝精铣机体两侧面和钻各孔钻起动手柄螺纹底孔及缸套孔倒角清理铁屑刻线及去毛刺水道、油道密封检测清洗机体140160180200220240260280300320半精镗缸套孔及止口半精、精镗主轴孔及凸轮轴孔尺寸偏差检测前、后面各螺纹孔攻丝两侧面各螺纹孔攻丝顶面各螺纹孔攻丝压碗型塞检测缸套孔尺寸，分组作标记压入成品汽缸套整理、终检以上二种方案比较：方案二较方案一更为合理、全面。方案二的工序集中，工艺安排基本符合先加工基准面再加工其它表面；先加工平面，后加工孔；先安排粗加工工序，后安排精加工工序的这几条原则。其次，方案二的热处理工序安排恰当，一开始便进行退火处理，消除内应力，便于机械加工，加工完后还进行各种检验，提高加工质量。而方案一工序分散，对于刚性较好的发动机机体，工序集中为好，否则浪费加工成本，加工效率底，浪费时间，而且方案二的安排符合工艺顺序的安排原则：一、先加工基准面，再加工其他表面；二、先加工平面，后加工孔；三、先加工主要平面，后加工次要平面；四、先安排粗加工工序，后安排精加工工序。其次，对于热处理的安排上，为了消除内应力而进行的热处理工序（如人工时效、退火、正火等），最好安排在粗加工之后，故方案二在粗铣上下面、前后面之后在进行退火处理1。6 加工余量的确定根据零件图上的标注尺寸查阅金属机械加工工艺人员手册第五章加工余量表5-48、表5-49、表5-53、表5-56、表5-59、表5-72、表5-843再根据所制定的工艺规程，结合实际经验，参考机械加工余量手册5，可确定工序间的加工余和公差等级，并确定零件总的加工余量（以毛坯的加工余量2-4mm作为总余量）。毛坯的机械加工余量如表5所示:表.3机械加工余量Table.3 Process Remaining Definition加工表面工序名称加工余量公差等级公 差公差尺寸上下表面前后表面底面4-M12底面8孔与底面8同轴7深孔底面M20X1.5两水管安装面两窗口面185主轴孔90主轴孔毛 坯粗 铣精 铣毛 坯粗 铣精 铣毛 坯钻 孔铰 孔攻 丝毛 坯钻 孔铰 孔毛 坯钻 孔毛 坯钻 孔攻 丝毛 坯粗 铣毛 坯粗 铣毛 坯粗 镗精 镗毛 坯粗 镗精 镗60.754110.22.81.87.88717.42.6661.40.61.40.6IT11IT7IT11IT7IT10IT7IT10IT7IT10IT10IT11IT11IT12IT7IT12IT70.400.060.200.120.0270.600.0450.460.0254941.5488+0.2 -0.2 487.25 +0.050.012361.5232-0.63 -0.43231+0.18 010.213+0.027 0M127.88+0.016 0717.4M20278127229012841831184.4+0.2 -0.4185+0.045 088189.4+0.20 -0.2690-0.005 -0.030 续表 3加工表面工序名称加工余量公差等级公 差公差尺寸80主轴孔62凸轮轴孔105缸套孔107缸套孔缸套孔止口顶面18孔顶面2-M10顶面4-M14毛 坯粗 镗精 镗毛 坯粗 镗精 镗毛 坯粗 镗半精镗精 镗毛 坯粗 镗半精镗精 镗毛 坯粗 镗 精 镗毛 坯钻 孔扩 孔扩 孔毛 坯 钻 孔攻 丝毛 坯钻 孔扩 孔扩 孔1.40.61.40.62.510.52.51.10.42.50.51715.58.51.5120.52.5IT12IT7IT12IT7IT12IT11IT7IT12IT11IT7IT12IT7IT11IT9IT9IT9IT10IT9IT90.40.030.40.020.450.10.0350.460.10.0350.230.2478179.40.280+0.03 060161.40.262-0.005 -0.0251011103.5+0.45 0104.5+0.1 0105+0.035 01031105.5+0.46 0106.6+0.1 0107+0.035 01091111.5+0.23 0112+0.70 +0.046171822.58.5M101212.514.5 续表 3加工表面工序名称加工余量公差等级公 差公差尺寸缸体前面9-M8前面4-M12前面4-16连接孔缸体后面11-M8后面8定连接孔后面11定连接孔缸体后面30通孔与11H8同孔的8深孔后面凸轮轴孔上12凸台孔后面25凸台孔M20攻 丝毛 坯钻 孔攻 丝毛 坯钻 孔攻 丝毛 坯扩 孔铰 孔毛 坯钻 孔攻 丝毛 坯钻 孔铰 孔毛 坯钻 孔铰 孔毛 坯钻 孔毛 坯钻 孔毛 坯钻 孔铰 孔毛 坯钻 孔1.56.71.310.21.85.30.56.71.37.50.510.50.530811.70.318.5IT10IT10IT9IT8IT10IT10IT7IT10IT8IT10IT10IT10IT7IT100.016M146.7M810.2M1210.215.5166.7M87.58H7 10.511H830811.712+0.019 018.5 续表 3加工表面工序名称加工余量公差等级公 差公差尺寸主轴孔下14凸台孔与14孔同轴12.5孔轴孔下M20孔主轴孔内45斜孔机体后面25通孔两侧面20-M8孔起动螺纹M20两侧面4-M12攻 丝毛 坯钻 孔毛 坯钻 孔毛 坯钻 孔攻 丝毛 坯钻 孔毛 坯钻 孔毛 坯钻 孔攻 丝毛 坯钻 孔攻 丝毛 坯钻 孔攻 丝1.51412.518.51.58256.71.318.51.510.21.8IT10IT10IT10IT10IT10IT10IT10IT10M201412.518.5M208256.7M818.5M2010.2M127 选择加工设备和工艺设备此零件加工时的主要方法有铣削加工、镗削加工、钻削加工。工序中的铣削有粗铣和精铣，由于两平面有较高的平面度要求，而且对主轴孔中心线有较高的平行度要求，为了提高加工效率，以主轴孔中心线为基准，采用双面铣，至于两水管面、两窗口面以及油泵平面，位置度要求不是很高，为提高加工效率，采用五头铣。工序中的镗削加工，首先考虑到缸套孔对主轴孔中心线有较高的垂直度要求，两缸套孔有较高的同轴度要求，所以采用立式镗床，对缸套孔进行粗镗、半精镗和精镗，其次镗主轴孔和凸轮轴孔，由于前后的孔径大小不一，工件较大，采用液压双面组合镗。工序中的钻、扩、锪孔、攻丝，所需加工的尺寸繁多，采用摇臂钻床Z3025、双面组合钻以及各种攻丝机。8 主要工序定位方案由于零件结构较复杂，工序较多，工件较大，定位情况也就随之繁杂，但总归离不开几种基本定位情况而已，大体上工件采用一面两销对工件进行定位。故只需重点分析主要工序中的粗铣上下表面和精镗缸套孔的定位方案及定位误差的分析计算。根据工艺规程所选加工装备和夹具可知以下条件：(1)大批量生产，毛坯为铸造件，加工设备为专用机床。(2)粗铣工序采用液压夹紧，夹紧可靠，拆换迅速。(3)精镗工序采用一面两销进行定位，用液压夹紧，夹紧可靠。(4)粗铣顶底面的加工要求，如图2所示。图2 粗铣机体顶底面的加工要求Fig. 2 Requiring of rough milling blocks upper and lower surface(5)精镗缸套孔的加工要求，如图3所示。图 3 精镗缸套孔的加工要求Fig .3 Requiring of boring organism cylinder hole主要工序的定位方案的确定:（1）粗铣机体上下表面：加工要求：尺寸公差4880.2, 上下表面粗糙度6.3. 本工序采用两根铣刀杆加工，每根铣刀杆上分别装有相距为488mm不重磨硬质合金刀片套式面铣刀6，将刀具安装在双面铣专用机床上可以同时粗铣发动机机体的上下面，提高工作效率。 满足零件图上的加工要求，只需要限制3个方向上的自由度，即、。经过分析，采用的定位方案为： 183：采用菱形销定位，它可以限制。的定位：采用平面定位的方法来限制 方向。的定位：采用两挡块，它可以限制Z轴方向的转动。（2）精镗机体缸套孔由上面缸套孔及止口的加工要求有，对机体工件加工需要限制六个自由度，机体结构复杂，用侧面和前后面定位比较困难，所以只能对其底面采用一面两销进行定位，这样可以限制机体的六个自由度，夹紧采用液压夹紧，这样夹紧可靠，有利于机体的加工。9 影响发动机机体主要工序的机械加工质量的因素及主要对策机体是发动机零件中结构较为复杂的箱体类零件，也是发动机的骨架，是所有零件和附件的装配基体，其精度要求高，加工工艺复杂，且加工质量直接影响发动机的整体性能。同时，在当前发动机开发在排放、油耗、噪声及性能等方面面临更高的要求，机体的工序质量控制也将以一个更高的起点来适应这种变化。目前，随着数控技术和测量技术的发展，机床制造业取得长足的进步，其加工质量和精度的提高使机械加工生产线在规划阶段有了新的工序质量保证手段，全面提升了工序质量保证能力。9.1 设备精度的影响零件的形状精度和相互位置精度最终是靠设备来保证的，因此设备的选择对保证机体零件的加工精度显得尤为关键。近几十年来，汽车工业已经成为了中国机床的消费主体，约消费了全社会40%的机床。同时，汽车工业投资的一半以上又用于购买机床，其中，进口机床额约占80%。统计表明，“十五”期间，汽车工业投资总额突破2000亿元，超过1000亿元用于采购机床，其中约800亿元用于购买进口机床。这一数据表明，国内汽车工业的发展我国机床市场和进口高速增长的主要原因，换个角度也说明我国装备制造业发展还严重滞后后于国际先进水平，汽车工业关键设备仍严重依赖进口。 为了稳定保证生产过程加工质量，工艺人员在工艺规程时，就必须考虑一定的安全系数。国外规定，机械加工的工序能力不大于双侧公差的3/4，对于单向公差，不大于产品的公差的7/8.因此，国外对机床的质量要求非常严格，机械能力CM/CMK=2.0/1.67,即3.4PPM，这意味着一百万个零件中仅有3.4个不合格品，达到了6西格玛的要求。而国内机床质量水平只能达到3-4西格玛，差距比较大。 就金属切削设备而言，以发动机加工为例，在汽车行业普遍流行的做法是，发动机机体、缸盖、曲轴、连杆和凸轮轴这些核心零部件的加工设备选择时，一是采用尽可能柔性、成熟技术、成熟工艺方案为原则；二是在整个工艺方案中重要关键特性加工的设备采用进口设备；一般特性采用国产设备。这就说明在这类高速度、高性能、高精度的机床的技术性能、可靠性与国外还有较大差距（特别是欧美），而中底端产品在部分使用进口元件条件下，还是完全可以替代进口的。 以800台面通用卧式加工中心的定位精度和重复定位精度两项指标为例，通过对国内外机床参数的比较不难发现这一差距，见表4。表 4国内外800台面卧式加工中心精度比较Table. 4 Precision comparing with 800horizontal machining center table at home and abroad机床精度指标国外（欧美）平均水平国内较高水平定位精度-+0.005-+0.008重复定位精度-+0.003-+0.0059.2 工艺系统的影响提高工艺系统的刚度对保证加工质量尤为关键，主要可采取四个措施：9.2.1 合理设计工艺装备结构在设计工艺装备时，应尽量减少连接面数目，并注意刚度的匹配，防止有局部底刚度环节出现。在设计基础件、支撑件时，应合理选择零件结构和截面而现状。一般地说，截面积相等时。空心截形比实心截形的刚度高，封闭的截形又比开口的截形好，在适当部位增添加强肋也有良好的效果。如在粗镗气缸孔工序中，夹具为U型开放式结构，为提高夹具系统的整体刚性，在夹具的左右端增加了带有铰链的转动横杆，工件上料（上下料方式为通过式）后，转动横杆工作，连接U型口端部，并通过连接销固定，使夹具前后端墙板形成闭式稳固结构，提高夹具刚性，加工机体四侧面夹具，采用地面一面两销定位，主夹紧力在工件的顶面，考虑到在切削加工过程中，切削力将对工件带来较大的变形，为提高工艺系统的整体刚性，抵消切削力的影响，在压紧导柱中间部位设计斜锲内胀机构，在工作时，机构自动撑紧下缸孔部位，抱牢工件，可抵消部分切削力。9.2.2 提高连接表面的接触刚度主要是提高机床部件中零件间接合表面的质量，和给机床部件预加载荷。在设备采购时就充分考虑到接触强度，设备工作台，纵向移动轴，立柱轴和主轴箱配有紧凑型导轨和带预紧滚柱的滚柱导块。9.2.3 采用辅助支撑例如在精镗气缸工序中，为提高工艺系统的整体刚性，除主夹紧力作用外，在机体两侧还布置可调辅助支撑装置，使机体受到左右对称，分布均匀的辅助作用力影响，可有效增加工件刚性，减少机体在加工过程中形变，见下图。图 5 带有辅助支撑的夹具Fig. 5 With auxiliary support jig9.2.4 采用合理的装夹和加工方式在机体毛坯加工工序中，特别是去除主要余量的铣削加工，考虑到毛坯件在表面材料去除后应力释放而产生较大的变形，笔者提出了对压紧力进行高底压分级程序控制，荒加工时采用较大的压紧力，加工完成后短暂撤销压紧力，使工件内应力释放，再以较小的压紧力作用下对工作进行半精加工。这种方法有效地降底了因毛坯内应力产生的变形影响，提高了机体加工过程质量。9.3 温度的影响切削过程中还始终伴随着热的作用，包括切削热，辐射热等。在热的作用下，工艺系统同样不可避免地要产生变形，会使刀具相对于工件的正确位置受到破坏，造成加工误差。特别是对于精密加工和大件加工，由于工艺系统热变形所引起的加工误差常常占到加工总误差的40%70%。温度的影响在以前因受投资等条件的制约，往往无法系统的加以预防，所以产生了各类质量问题，比如，检测区域与加工区域温度差造成的质量评判纠纷等。随着发动机零件质量要求的提高，该问题逐渐凸显为主要影响因素，因此必须在工艺设计时就全局考虑，采取对应措施以降底影响程度。9.3.1 温度对机体的影响机体材料灰铸铁在室温状态下热膨胀系数一般为10*10-6 / ,即温度每变化一摄氏度，一米长度方向上将变化0.01mm，应该对主要孔面的精加工质量影响非常大，如6DL机体顶面产品工艺定位孔（用以精确装配汽缸盖），两孔间距807mm，相互位置度要求0.06，即使加工在公差中值，但温度若变化4，就超差了。9.3.2 采取的措施针对上述温度影响，综合实际经验，对机体生产线设备及厂房采取以下措施：（1）、采用全空调车间，因为工厂处于中国南方地区特别是冬夏季节温差大，若不控制环境温度，其生产的综合效应将使过程质量控制无法进行。（2）、生产线工序尽可能采用湿式加工，并且切削液带有温度控制。切削液具有冷却、润滑，洗涤、防锈四大性能，实践证明，金属切削液能降底切削温度60150摄氏度，降底加工表面粗糙度，提高产品加工质量和刀具是用寿命。（3）所有设备主要部件，如床身、立柱、滑台等采用热平衡设计，减少设备因受热变形而对加工精度产生的负面的影响。（4）机床本身的温度控制也是非常重要的，除加工设备有精度温度补偿功能外，还可在精加工设备热敏感区采用冷却液连续控制受热变形影响。如机体缸孔精加工专机立柱，其Y轴方向（距夹具中心距离）受热后位置漂移直接影响缸孔的位置精度，以前的国产专机设计时忽略了温度对精度敏感方向的影响，造成了加工质量的不稳定。因此机体生产线中缸孔半精和精加工专机均要求对机床立柱进行冷却，该措施在实施后大大提高了加工质量的稳定性。（5）严控空调及通风设备的出风口，避免强制局部冷却而使设备的不同部位产生较大温差。（6）严格控制热源（如高温清洗设备等）影响区域，生产线设计时就避免机加工设备，特别是精加工设备与热源距离过近。除此之外，在热源外围采用隔温材料控制热影响区面积。对于清洗后集体的温度控制，可采用常温清洗或设立冷却通道，将出口部位工件温度控制至室温。9.3.3 对车间环境温度和冷却液温度的要求通过长期研究这两种温度对设备精度的影响，笔者总结归纳出以下要求： 对车间环境温度要求：（1)环境温度要控制在20-50，温度偏离上述范围时，有必要调整设备几何精度与控制系统的温度补偿。（2）温度随时间的变化T/t要平稳，建议小于06k/h，但允许在短时间内（比如几分钟内）存在稍高值。（3）温度层，级温度随室内地面的高度而不同，垂直梯度G= T/h 1.5K/m,但应随时间的变化尽可能地稳定，G/t 0.2K/m/h。 对冷却液温度要求采用湿式加工后，机床零部件经冷却液冲帅产生生产极强的热交换，但这对于各轴的测量系统几乎无任何影响，影响加工精度的因素取决于机床结构和工艺系统的设计，包括家具、工件和刀具。冷却液供给温度TK必须与轴的测量系统的温度相近但又有所迟滞，可以将靠近X轴光栅尺的机床本身温度TM作为参照值，两者之间的偏差要求需视轴行程而定：当轴行程不超过750mm,绝对偏差TKTM 0.5K；当轴行程超过750mm,绝对偏差TKTM 0.2K。9.4 磨损的影响在力的作用下，工艺系统各部分的有关摩擦表面之间不可避免的要产生磨损，使工艺系统原有精度遭到破坏，将影响到精度的保持性。对于磨损问题，无法避免，只能采取两种措施，一是延缓磨损周期，主要方法是摩擦表面而选用耐磨材料，加强维护创建良好的润滑环境等，二是建立易磨损件的磨损极限标准，定期对易损件进行检查。因此，在机体生产线设计规划的同时，就需制订与之相适应的技术规范，并在试生产开始就强制执行。对于刀具磨损，不仅直接影响工序加工质量，其耐用度还与生产线产能以及加工成本相关，在措施上除采用耐磨材料的刀具，如涂层刀具、刀具等提高刀具寿命外，还需要加强监控。在早期，人们依靠提高有效的早期预防。随着控制理论的发展，自适应控制的实际生产应用逐渐成为可能。机体生产线在设备选型时就对该功能提出要求；通过主轴功率监控或轴向力监控来实现刀具磨损状态的识别，并自动调整机床动作来安全应对这种变化。该技术在规模应用后取得了良好的效果，特别是对刀具磨损，崩刃等失效状态提供了早期预警，大大降底了批质量事故的发生几率。另外，对于产品精度要求高的项目，其对刀具磨损敏感度也一定很高，则可采用自动测量和反馈补偿技术进行质量控制。9.5 振动的影响机械加工过程中会使工艺系统产生振动，强烈的振动会在加工表面留下振纹，降底零件的精度和表面质量，对刀具耐用度和机床的寿命产生负面影响，同时产生的有害噪音还恶化生产环境，对工人健康不利。振动按其生产的原因可分为三类：自由振动、受迫振动和自激振动。自由振动往往是由于切削力的突然变化等原因所引起的，这种振动一般可以迅速衰减，故对机械加工过程的影响最小，而受迫振动和自激振动是不能自然衰减，对加工危害性较大。铣削或镗削非连续面，加工过程为断续切削，存在一定的间歇性冲击力，引起切削力的周期性变化，从而激起振动，这种就是典型的受迫振动。一般采取的措施是避免激振力的频率与系统的固有频率接近，以防止共振。如粗精铣机体的一个面。要求精度，原工艺设计要求采用速度才能满足生产节拍要求，可是粗糙度达不到要求，虽对刀具进行了多次改进但效果仍不理想，降底进给至，表面粗糙度达到了要求，可又无法满足节拍要求，在多次切削实验后，将进给量加大至，得到了理想的结果。可见通过调整切削参数，避开系统共振点，也是解决此类振动问题的有效方法。自激振动机理比较复杂，采取的对策仍是通过各种实验，在设备、工具和实际操作等方面解决。如发动机机体半精、精镗凸轮孔工序，因机体长度达，固直线镗杆长径比很大，一凸轮孔镗杆为例，其，且受工件结构影响，又无法在中间设置辅助支撑，在实际加工中受各档切削力的综合作用，形成振源，采用一般的直线镗杆无法解决振动对机械加工精度产生的影响。目前比较成功的做法是使用重金属刀杆，但因其价格昂贵，加工此类大孔很不经济，所以选择阻尼防振镗杆作为方案的优先选项，该镗杆可通过内置减振系统来吸引刀杆振动能量，最终达到消振的目的。10 主要工序单件机动工时的计算10.1 工序10：粗铣顶底面机床：双立轴圆工作台铣床。刀具：硬质合金端铣刀（面铣刀）材料： 齿数。铣削深度：。每齿进给量：根据参考文献13机械加工工艺手册表2.4-73，取；铣削速度：参照参考文献13机械加工工艺手册表2.4-81，取。机床主轴转速： (1) 取 ；实际铣削速度： (2)进给量： （3）工作台每分进给量： ：根据参考文献13机械加工工艺手册表2.4-81,被切削层长度：由毛坯尺寸可知刀具切入长度： (4)取刀具切出长度：取走刀次数为1机动时间： （5）10.2 工序40：精铣顶底面：机床：双立轴圆工作台铣床刀具：硬质合金端铣刀（面铣刀）材料： 齿数铣削深度：每齿进给量：根据参考文献13机械加工工艺手册表2.4-73，取；铣削速度：参照参考文献13机械加工工艺手册表2.4-81，取机床主轴转速，由式（1）有：， 实际铣削速度，由式（2）有：进给量，由式（3）有： 工作台每分进给量： 被切削层长度：由毛坯尺寸可知刀具切入长度：精铣时刀具切出长度：取走刀次数为1。机动时间，由式（5）有：本工序机动时间 10.3 工序100：粗镗缸套孔及止口机床：卧式镗床。刀具：硬质合金镗刀，镗刀材料：。切削深度：，毛坯孔径。进给量：根据参考文献13机械加工工艺手册表2.4-66，刀杆伸出长度取，切削深度为。因此确定进给量。切削速度：参照参考文献13机械加工工艺手册表2.4-66取机床主轴转速，由式（1）有：，取；实际切削速度，由式（2）有：工作台每分钟进给量： （6）被切削层长度：刀具切入长度： （7）刀具切出长度： 取行程次数：机动时间，由式（5）有：10.4 工序110：半精镗缸套孔切削深度：，粗镗后孔径进给量：根据参考文献13机械加工工艺手册表2.4-66，刀杆伸出长度取，切削深度为。因此确定进给量切削速度：参照参考文献13机械加工工艺手册表2.4-66，取：机床主轴转速，由式（1）有，取实际切削速度，由式（2）有： 工作台每分钟进给量，由式（6）有： 被切削层长度：刀具切入长度，由式（7）有：刀具切出长度： 取行程次数：机动时间，由式（5）有： 10.4 工序130：精镗缸套孔切削深度：，半精镗后孔径进给量：根据参考文献13机械加工工艺手册表2.4-66，刀杆伸出长度取，切削深度为。因此确定进给量切削速度：参照参考文献13机械加工工艺手册表2.4-66，取，机床主轴转速，由式（2）有：，取，实际切削速度，由式（2）有： 工作台每分钟进给量，由式（6）有：被切削层长度：刀具切入长度，由式（7）有：刀具切出长度： 取行程次数：机动时间，由式（5）有：11 时间定额计算及生产安排根据设计任务要求，该发动机机体的年产量为5000件。一年以240个工作日计算，每天的产量应不底于21件。设每天的产量为21件。再以每天8小时工作时间计算，则每个工件的生产时间应不大于22.8min。参照参考文献13机械加工工艺手册表2.5-2，机械加工单件（生产类型：中批以上）时间定额的计算公式为： （大量生产时）(8)因此在大批量生产时单件时间定额计算公式为： （9）其中： 单件时间定额 基本时间（机动时间） 辅助时间。用于某工序加工每个工件时都要进行的各种辅助动作所消耗的时间，包括装卸工件时间和有关工步辅助时间 布置工作地、休息和生理需要时间占操作时间的百分比值11.1 粗精铣顶底面机动时间：辅助时间：参照参考文献13机械加工工艺手册表2.5-45，取工步辅助时间为。由于在生产线上装卸工件时间很短，所以取装卸工件时间为。则：根据参考文献13机械加工工艺手册表2.5-48，单间时间定额，由式（9）有：因此应布置一台机床即可以完成本工序的加工，达到生产要求。112 粗镗缸套孔机动时间：辅助时间：参照参考文献7机械加工工艺手册表2.5-37，取工