柴油機關(guān)鍵零部件的加工及其設(shè)備

南車戚墅堰機車有限公司 （江蘇常州 213102） 虞行國 許亞英 譚曉麗

柴油機在現(xiàn)階段各個領(lǐng)域都在廣泛地應(yīng)用，例如船舶、鐵路、工程機械及電力等，在遇到戰(zhàn)爭和突發(fā)的災(zāi)害時期柴油機更加能發(fā)揮其優(yōu)勢和作用。由于電力機車的發(fā)展，鐵路系統(tǒng)對柴油機車需求有所下降，因此，原來生產(chǎn)機車柴油機的廠家紛紛轉(zhuǎn)型生產(chǎn)船用發(fā)動機。

在技術(shù)進步和綠色環(huán)保的今天，用戶對柴油發(fā)動機使用的出功功率、油耗、噪聲、機破等指標(biāo)有更高的要求。這就要求設(shè)計人員具有符合國際標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計思路，制造廠商有先進的制造工藝和先進高端的加工制造設(shè)備來迎合市場的需求。

柴油發(fā)動機總成后會由上千個零件所組成，但是關(guān)鍵還是五大件，即機體、曲軸、凸輪軸、連桿和缸頭等。以鐵路內(nèi)燃機車柴油機為例，圖1是生產(chǎn)線上即將裝車的鐵路內(nèi)燃機車柴油發(fā)動機現(xiàn)場的總成外形圖。

圖1 柴油機發(fā)動機機體總成

機體加工難點和加工設(shè)備

柴油機機體是一個典型復(fù)雜的箱體零件，是裝配各個零部件的基礎(chǔ)件，目前大體有整體鑄造和板材焊接件兩種。各端面上大約有大小螺栓孔上千個。而V型柴油機機體主要精度尺寸體現(xiàn)在三孔即主軸承孔、二側(cè)凸輪軸孔、氣缸孔和這三孔的空間相交尺寸。這些孔徑的精度尺寸直接影響到柴油機的使用壽命和機破事件發(fā)生的幾率。對柴油機機體主軸孔和凸輪軸孔的精度有著較高的精度要求，在5m長9擋孔徑上主軸孔直線度誤差要控制在0.08mm，相鄰誤差要控制在0.035mm，同樣凸輪軸孔直線度誤差要控制在0.10mm，相鄰誤差要控制在0.035mm的精度，因此要嚴格控制機體本身的變形、加工時的工件壓裝和對機床本身的加工精度。圖2所示是在加工主軸孔和凸輪軸孔。

圖2 加工主軸孔和凸輪軸孔

加工機體時，加工難點就在設(shè)備本身X軸的直線度是否達到工藝要求，以及Y軸和Z軸運行插補程序時各軸的重復(fù)定位精度指標(biāo)。因為在加工主軸孔和凸輪軸孔時，都是通過附件銑頭一擋一擋地進行加工的，同時附件銑頭也有兩項精度會影響柴油機機體的加工精度。附件銑頭的主軸中心線與滑枕主軸中心線的中心偏置以及附件銑頭180°回轉(zhuǎn)中心的偏置精度都應(yīng)該小于0.015mm，所以對附件銑頭重復(fù)定位精度指標(biāo)要求比較高，如圖3所示。目前，國產(chǎn)大型龍門加工中心大部分承擔(dān)柴油機機體的粗加工和半精加工，精加工工序全被德國、日本等國際品牌進口設(shè)備所壟斷，代表性的有瓦得里希科堡、黑根里斯特等品牌。

圖3 附件銑頭主軸與滑枕主軸的安裝及附件銑頭的精度測量

曲軸加工難點和加工設(shè)備

曲軸（見圖4）是發(fā)動機中承受沖擊載荷、傳遞動力的重要零件，在工作中它要承受交變載荷、彎曲和剪切應(yīng)力，對疲勞、耐磨和強度等性能指標(biāo)都有較高的要求，同時對材質(zhì)的毛坯、熱處理工藝等都有嚴格的要求。

圖4 船用曲軸和機車用曲軸

一根5t左右全纖維擠壓曲軸的毛坯到成品需要經(jīng)過多道工序，工藝為：粗車主軸頸→粗車連桿頸→半精車主軸頸→半精車連桿頸→精車主軸頸→精車連桿頸→粗磨主軸頸→粗磨連桿頸→精磨連桿頸→精磨主軸頸等熱處理、檢查、化驗近40道子工序。這種軸類工件在現(xiàn)有的設(shè)備一次加工成形是困難的，因為帶有偏心，所以必須有兩種設(shè)備分別來加工主軸頸和連桿頸（見圖5）。

圖5 主軸頸和連桿頸的車加工

針對主軸頸直徑、連桿頸直徑、連桿頸平行度、圓柱度、表面粗糙度、主軸頸跳動等這么多的精度要求，制造質(zhì)量和制造周期滿足不了高速發(fā)展的鐵路和船舶業(yè)，為此一般都選用進口的一次夾裝、一次加工成形的車銑復(fù)合數(shù)控設(shè)備，代表設(shè)備有奧地利WFL等。現(xiàn)代工業(yè)發(fā)達的國家都把制造高速、高精、車銑復(fù)合加工機床作為其重要的發(fā)展目標(biāo)，此類機床的生產(chǎn)能力和技術(shù)水平已經(jīng)成為衡量一個國家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志，而且能夠加工出形狀復(fù)雜精度要求的產(chǎn)品（見圖6）。

圖6 數(shù)控車銑復(fù)合機床

在選擇同樣采用臺階切入形式磨削時，雖然這種磨床設(shè)備經(jīng)過兩種形式的改進（見圖7），還是解決不了一次夾裝同時磨削主軸頸和連桿頸問題，需多次調(diào)整偏心距和分度角度才能完成對連桿頸的磨削加工。圖7a是早期形式的磨床頭尾架通過機械同步軸傳動進行工作，圖7b是數(shù)控形式的磨床頭尾架達到同步軸進行工作的。但是，要使主軸頸和連桿頸的精度達到0.03mm，特別是對多缸機的多拐連桿頸相互平行度的精度達到0.02mm是很難保證的。

為了要一次夾裝同時磨削主軸頸和連桿頸又保證磨削精度，目前在進口大型磨床設(shè)備上也采用了新的磨削工藝即隨動磨削或者叫跟蹤磨削。代表設(shè)備制造廠為EMG公司。為提高大型曲軸切點跟蹤磨削的工件輪廓精度為目標(biāo)，克服曲軸扭轉(zhuǎn)變形對連桿頸形位精度的影響、高精度高響應(yīng)特性的砂輪架進給系統(tǒng)以及切點跟蹤磨削運動軌跡誤差控制，砂輪架進給系統(tǒng)是切點跟蹤磨削的關(guān)鍵部件，它對保證連桿頸磨削的輪廓精度起著至關(guān)重要的作用。這也是考核設(shè)備好壞的關(guān)鍵項（見圖8）。

圖7

圖8 數(shù)控隨動跟蹤磨床

大型曲軸質(zhì)量大，具有很大的轉(zhuǎn)動慣量，故其回轉(zhuǎn)運動時需要很大的驅(qū)動力矩；另一方面大型曲軸長徑比大，曲拐的空間分布情況復(fù)雜，曲軸整體抗扭剛度較低，因此曲軸回轉(zhuǎn)運動時易產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，切點跟蹤磨削中曲軸的扭轉(zhuǎn)變形會對連桿頸造成形位誤差，這就需要設(shè)備的頭架尾架在同步上下功夫，做到旋轉(zhuǎn)運動分度上分秒不差。所以頭架和尾架的同步技術(shù)水平?jīng)Q定曲軸回轉(zhuǎn)運動時的扭轉(zhuǎn)變形以及影響各連桿頸平行度的精度，砂輪架進給系統(tǒng)以及切點跟蹤磨削運動軌跡誤差決定主軸頸和連桿頸圓度精度。

連桿加工難點和加工設(shè)備

柴油機作功的力就是通過連桿傳遞到曲軸上，連桿是聯(lián)接活塞與曲軸的關(guān)鍵零件，兩頭有大小孔之分，小孔聯(lián)接活塞，大孔通過哈夫設(shè)計組成連桿體和連桿蓋聯(lián)接安裝在曲軸連桿頸上（見圖9）。

圖9 柴油機連桿

連桿在工作時工況是十分惡劣的，特別是聯(lián)接曲軸的大孔部分的連桿體和連桿蓋要承受曲軸360°旋轉(zhuǎn)時對它們的拉力和推力，在這兩個作用力下，會造成除了4個連桿螺栓通過扭力扳手的壓緊外，還會造成連桿體與連桿蓋的軸向以及徑向的連接平面位移。這種現(xiàn)象會產(chǎn)生孔與軸配合間隙的變化，導(dǎo)致連桿粘瓦形成機破事故。為此它們的聯(lián)接在平面內(nèi)除了有定位銷釘及連桿螺栓外徑和連桿有配合公差克服軸向位移外，在克服徑向位移上也采取一定的安裝工藝，一種是采用凹凸槽相配的辦法，另一種是采用鼠牙齒結(jié)構(gòu)的形式（見圖10）。鼠牙齒的形狀是通過磨床加工而得到的，這些具有代表性的設(shè)備有保寧、法力圖、ELB的機床。這種緊密結(jié)合就很好地解決了位移的產(chǎn)生。

圖10 鼠牙齒結(jié)構(gòu)聯(lián)接的連桿

該結(jié)構(gòu)的連桿對加工設(shè)備有較高的要求，方法屬于大磨削量緩進給蠕動加工，砂輪的修正采用整體的金剛石滾輪修正器，修正器本身的精度決定砂輪的精度也最終決定產(chǎn)品的精度，設(shè)備如圖11所示。

連桿在磨削前端面是平面形狀，在專用夾具的夾持下，經(jīng)過二次磨削即成形（見圖12）。

圖12 未磨削前的連桿和連桿夾具

這種大磨削量緩進給磨削方法容易產(chǎn)生鼠牙齒表面的燒傷以及裂紋，為了防止不良現(xiàn)象的產(chǎn)生可以使用大流量冷卻泵來帶走熱量和沖洗工件以及砂輪表面，同時為提高表面粗糙度就需要選擇合適的切削液和加工參數(shù)。

缸頭加工難點和加工設(shè)備

柴油發(fā)動機缸頭是典型的箱體零件，在這種型號缸頭里裝有4個閥門，即進排氣門（見圖13）。要求氣門芯即氣閥在凸輪軸的作用下閥門閥面開啟關(guān)閉密封性能及接觸面良好，而且閥桿孔長度較長，又要與閥桿閥門保持同心度，這就要求加工的設(shè)備具有：工作臺B軸回轉(zhuǎn)精度誤差＜6s，主軸中心線要與工作臺保持較好的平行度，使加工的產(chǎn)品能夠達到工藝要求。具有代表性的設(shè)備有DMG、MAKINO、OKUMA品牌等。根據(jù)使用經(jīng)驗最好選用正T形床身的臥式加工中心，這樣可以防止因立柱長時間作Y軸向運行造成主軸中心線變化而影響同軸度，發(fā)生密封性能差和閥桿斷裂的現(xiàn)象，降低了燃燒室的爆發(fā)力和柴油機的功率。

圖13 柴油發(fā)動機缸頭裝置總成和部件加工

柴油機凸輪軸加工難點和加工設(shè)備

凸輪軸裝置是柴油機的一個主要控制系統(tǒng)，它對凸輪的曲線升程以及各凸輪間的夾角都有嚴格的數(shù)值要求（見圖14）。

圖14 凸輪軸磨床在加工產(chǎn)品

凸輪軸磨床也隨著產(chǎn)品精度要求的提高而不斷地升級，而不是采用靠模來控制頭尾架的轉(zhuǎn)速。從數(shù)控系統(tǒng)適應(yīng)凸輪軸加工的特性、機械傳動鏈的優(yōu)化都顛覆了原來的設(shè)計以及加工手法和工藝。特別是磨削凸輪曲面時，砂輪與工件的切點隨著凸輪曲面直徑變化，要求凸輪軸磨床的頭尾架轉(zhuǎn)速與砂輪線速度匹配，達到表面粗糙度一致。磨削的方法是采用隨動跟蹤磨削（見圖15）。

圖15 凸輪軸磨床的靠模

全數(shù)控凸輪軸磨床具有代表性的機床廠有斯來福臨旗下的磨床制造廠。

結(jié)語

柴油機車在鐵路運輸中正逐漸被電力機車代替，為了生存，企業(yè)應(yīng)該積極轉(zhuǎn)型。2013年8月，國務(wù)院下發(fā)了《船舶工業(yè)加快結(jié)構(gòu)調(diào)整促進轉(zhuǎn)型升級實施方案（2013～2015年）》，我國要大力培育中高速柴油機、小缸徑低速柴油機、甲板機械等優(yōu)勢產(chǎn)品自有品牌，這給生產(chǎn)大型柴油機的機車廠帶來了機遇。機車廠有生產(chǎn)中高速柴油機的技術(shù)和經(jīng)驗，有先進的生產(chǎn)設(shè)備，積極介入船舶中高速柴油機市場，一定會有很大的收獲。