1 问题的提出
我公司生产的三、四缸系列多缸柴油机机体缸孔及止口工序简图如图1所示。传统的加工工艺方法是：精铣顶面(以底面定位)——精镗缸孔及止口(以底面及底面两销定位)，分别在两台机床上完成。主要产生以下几个方面的质量问题：(1)主轴孔中心至顶面尺寸227.5mm达不到图纸要求；(2)主轴孔轴心线与顶面的平行度达不到图纸要求；(3)止口深度达不到图纸要求。严重的影响了柴油机的整机质量。为此我们采用新工艺方法，开发设计了一台铣顶面镗缸双工位半柔性数控组合加工机床(图2)。经过半年的使用，效果非常显著。
图1
1.滑台底座 2、4.数控滑台 3.立柱 5.镗头 6.铣头 7.控制台 8.控制柜
图2 双工位半柔性数控铣镗床
2 加工工艺分析
工件的精度要求及主要工序如图1所示，其工艺尺寸链如图3所示，它的设计基准是在主轴孔中心，与工艺基准不重合(工艺基准在底面)，尺寸N在加工过程中是自然形成的，为封闭环，其公差为dN=0.10mm，基准不重合误差为dA2=0.06mm,则允许加工误差dA1=dN-dA2=0.04mm，加工允差太小，无法保证加工精度。主轴孔轴心线对底面的平行度是0.03mm,根本无法保证主轴孔对顶面的平行度要求。缸孔止口的镗削，虽然刀具切削是以顶面定位加工的，但由于受镗孔过程中顶面切屑的影响导致定位不准及液压死挡铁定位精度的影响(图4)，同样无法保证止口的加工精度。
图3 加工顶面尺寸链
1.镗头箱 2.定位杆 3.滑套 4.镗杆 5.工件
图4 镗止口刀具定位示意图
3 工艺改进
从上述工艺分析可知，要保证主轴中心至顶面距离(227.5 0-0.10)mm及其平行度要求，最好的方法是减小基准不重合误差，使定位基准与设计基准重合，即使dA2=0。这样允许加工误差dA1=0.10mm，加工时就比较好保证了，即要以主轴孔定位加工顶面。但以主轴孔定位要解决三个方面的问题，一是工件的防转定位，二是夹具必需有足够的刚性，三是要使用方便。
缸孔止口深度的控制也是比较困难的技术难题，同行业中有用镗缸孔及止口——铣顶面，也有采用数控技术的，但都存在一个问题，能保证止口深度，不易保证主轴孔中心至顶面的尺寸。为此我们以主轴孔定位，应用数控技术，开发设计了铣顶面——镗缸孔及止口双工位半柔性数控组合镗铣床。
4 工装设备设计
机床总体设计如图2所示，机床选用南京四开电子公司SKY数控系统：控制轴数为X、Y、Z；运动控制方式为半闭环；脉冲当量为0.005mm；中文编程(数控部分详细功能略)。在镗削头与铣削头设计上，为了提高加工精度和生产力，考虑采用新刀具材料，铣刀应用涂层刀片，镗刀采用PCBN立方氮化硼的刀具，故镗削头、铣削头均采用能适应高速切削、高精度的金刚镗头和精铣头结构(结构图略)。
夹具结构如图5所示。工作原理如下：工件装夹前，定位杆5位于左极限位置，装上工件，定位杆5插入主轴孔并进入右导向座的导向套中，对工件进行主定位，这时工件被抬起(此时工件底面与楔块8上平面留有0.3～0.5mm间隙)，油缸6左移，使工件完成止推定位，然后油缸9推动楔块7右移，使楔块8逐渐上升接近工件底面，直至贴合并夹紧工件。楔块7、8不但有使工件防转定位的作用，又能同时夹紧工件，更为重要的是还能增强工件定位夹紧的支承刚性。
1.夹具底座 2、6、9.油缸 3.导向座 4.止推定位块 5.定位杆 7.下楔块 8.上楔块
图5 夹具结构简图
其工作过程如下：将工件在夹具上安装好(夹具安装在纵向工作台上)，首先铣头滑台快速向下运动到位处于铣削工作位置，工件随同夹具进入第一工位进行精铣顶面(工件在夹具上以主轴孔定位)，铣削完毕，铣削头滑台返回退刀，纵向工作台快进，进入第二工位，镗削头滑台向下快进——工进——镗止口面到位停留，同时延时，完毕主轴定位，纵向工作台右移(1mm)让刀，以防止刀尖划伤工件加工表面，然后镗削头滑台快速返回，到位后，纵向工作台返回到第一工位，卸下工件，循环完毕。
由于该设备及夹具在设计时考虑了三、四缸系列柴油机机体能同时加工的问题，生产不同型号的机体，只需要适当调整刀具的尺寸和夹具的止推定位块4及修改电器的控制程序即可。且加工非系列产品柴油机机体只需更换夹具，具有较好的柔性。