機(jī)車(chē)氣缸蓋三坐標(biāo)測(cè)量工藝優(yōu)化分析

凡小飛，李富燕

（南車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)有限公司，上海 213011）

0 引 言

戚墅堰公司是一家主營(yíng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)的大型國(guó)有企業(yè)，公司有著百年的機(jī)車(chē)修造經(jīng)驗(yàn)，是機(jī)車(chē)行業(yè)內(nèi)知名的鐵路裝備制造企業(yè)。2006年，在中國(guó)軌道交通進(jìn)入全面提升研發(fā)和制造技術(shù)的大背景下，戚墅堰公司和美國(guó)GE公司合作，引進(jìn)開(kāi)發(fā)HXN5型大功率內(nèi)燃機(jī)車(chē)，并研發(fā)和批量制造HXN5型內(nèi)燃機(jī)車(chē)。2009年，HXN5型機(jī)車(chē)完成設(shè)計(jì)和試制，機(jī)車(chē)進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。按設(shè)計(jì)和產(chǎn)品質(zhì)量控制要求，在機(jī)車(chē)早期的批量生產(chǎn)時(shí)期，機(jī)車(chē)柴油機(jī)和關(guān)鍵部件需要進(jìn)行關(guān)鍵尺寸的全檢，機(jī)車(chē)氣缸蓋作為柴油機(jī)的關(guān)鍵部件之一，在前300臺(tái)機(jī)車(chē)的生產(chǎn)過(guò)程中需要進(jìn)行關(guān)鍵尺寸的全覆蓋檢測(cè)[1]。按項(xiàng)目年產(chǎn)200臺(tái)機(jī)車(chē)的生產(chǎn)計(jì)劃，每臺(tái)機(jī)車(chē)柴油機(jī)16只氣缸蓋。預(yù)測(cè)氣缸蓋的檢測(cè)任務(wù)量達(dá)11件/d，高峰期預(yù)計(jì)20件/d。戚墅堰公司氣缸蓋尺寸檢測(cè)采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行，目前，同類(lèi)機(jī)車(chē)氣缸蓋的檢測(cè)負(fù)荷量為6件/d，遠(yuǎn)不能滿足HXN5型機(jī)車(chē)的生產(chǎn)需求，氣缸蓋檢測(cè)能力的不足已成為機(jī)車(chē)生產(chǎn)的瓶頸。為打通氣缸蓋檢測(cè)瓶頸，戚墅堰公司在檢測(cè)設(shè)備、檢測(cè)方案、檢測(cè)工藝等方面進(jìn)行了分析、研究，并通過(guò)一系列的改進(jìn)措施，提升了氣缸蓋的檢測(cè)負(fù)荷量，滿足了機(jī)車(chē)生產(chǎn)的需要。

1 測(cè)量現(xiàn)狀分析

機(jī)車(chē)氣缸蓋是內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)燃燒室的重要組件，與氣缸套、活塞等共同構(gòu)成柴油機(jī)燃燒室。同時(shí)，機(jī)車(chē)氣缸蓋內(nèi)部還安裝噴油器、氣門(mén)等機(jī)構(gòu)，布置了進(jìn)、排氣風(fēng)道及冷卻水腔，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，檢測(cè)涉及到大量的幾何尺寸和形位公差，測(cè)量項(xiàng)點(diǎn)達(dá)80余項(xiàng)，項(xiàng)點(diǎn)多、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)是影響負(fù)荷量的原因之一。技術(shù)方面，氣缸測(cè)量包括螺紋孔位置度、導(dǎo)管孔圓柱度、火力面平面度、排氣孔平面位置度等一些要求高、難度大的測(cè)量項(xiàng)點(diǎn)，也在一定程度上影響測(cè)量負(fù)荷量的提升。測(cè)量工藝方面，氣缸蓋三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)只有一臺(tái)，測(cè)量時(shí)翻轉(zhuǎn)一次，2工位測(cè)量，并且無(wú)法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)量，上料工裝、定位工裝簡(jiǎn)陋，測(cè)量效率低下是影響測(cè)量負(fù)荷量的重要原因。因此，要提高氣缸蓋檢測(cè)效率，打通檢測(cè)瓶頸，需要有科學(xué)的測(cè)量方案，并通過(guò)測(cè)量工裝的合理使用，測(cè)量方法、測(cè)量工藝的科學(xué)優(yōu)化，解決上述制約因素。

2 工藝措施改進(jìn)

2.1 制定氣缸蓋單工位定位方案

圖1 測(cè)量工裝圖

圖2 氣缸蓋裝夾圖

三坐標(biāo)測(cè)量時(shí)，多工位測(cè)量效率非常低。因此，單工位測(cè)量是氣缸蓋測(cè)量技術(shù)方案的首要目標(biāo)。氣缸蓋火力面、搖臂面集中了幾乎全部高精度測(cè)量項(xiàng)點(diǎn)，按一般測(cè)量技術(shù)方案，工件高精度測(cè)量面與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)水平面平行，可以高效利用機(jī)器精度，但氣缸蓋需要翻轉(zhuǎn)一次，與單工位的目標(biāo)方案不相符。同樣，進(jìn)排氣面和高壓油孔面雖然測(cè)量精度要求不高，但兩面都有重要尺寸測(cè)量，同樣不能與測(cè)量機(jī)水平面平行放置。最后是兩個(gè)冷卻水平面，測(cè)量特征為一面三孔，平面為非裝配平面，冷卻水孔測(cè)量要求為φ420.0460，精度要求較低，下平面測(cè)量可以通過(guò)適當(dāng)墊高的方式解決，冷卻水孔直徑測(cè)量可以通過(guò)止通量規(guī)另行測(cè)量。因此，確定了冷卻水平面與測(cè)量機(jī)平行的定位方案，實(shí)現(xiàn)氣缸蓋三坐標(biāo)單工位測(cè)量。

2.2 設(shè)計(jì)定位工裝和優(yōu)化起吊設(shè)備

要提高氣缸蓋三坐標(biāo)檢測(cè)效率，必須實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。因此，需要實(shí)現(xiàn)氣缸蓋的精確定位，設(shè)計(jì)定位工裝是較好的解決方案，為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了氣缸蓋測(cè)量專(zhuān)用工裝（見(jiàn)圖1）。工裝通過(guò)螺栓孔固定在測(cè)量機(jī)工作臺(tái)面上，并采用一面兩銷(xiāo)的定位方式，與氣缸蓋底側(cè)平面和兩個(gè)水孔進(jìn)行接觸定位，將4個(gè)支撐銷(xiāo)適當(dāng)加高，實(shí)現(xiàn)氣缸蓋下測(cè)量面墊高。氣缸蓋的精確定位，解決了原簡(jiǎn)易工作定位不準(zhǔn)確的問(wèn)題。裝夾后，氣缸蓋在測(cè)量機(jī)工作平臺(tái)上位置固定，氣缸蓋與機(jī)器坐標(biāo)系位置關(guān)系確定，可以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系自動(dòng)關(guān)聯(lián)，氣缸蓋裝圖如圖2所示。氣缸蓋吊裝方面，為解決原有吊裝小車(chē)工作范圍小，需2～3次吊運(yùn)才能完成氣缸蓋吊裝的問(wèn)題，設(shè)計(jì)安裝了回轉(zhuǎn)范圍更大的懸臂起重機(jī)，實(shí)現(xiàn)工作區(qū)域全覆蓋，氣缸蓋進(jìn)料、吊裝一次完成，大大縮短了測(cè)量輔助時(shí)間。

3 測(cè)量項(xiàng)點(diǎn)解決方案

3.1 導(dǎo)管孔圓柱度測(cè)量方案

氣缸蓋導(dǎo)管孔是裝配氣閥導(dǎo)管的基礎(chǔ)，精度要求很高，加工難度較大。為及時(shí)反映加工工藝狀態(tài)，測(cè)量時(shí)對(duì)導(dǎo)管孔圓柱度采取了分解測(cè)量的方式，分為3個(gè)分量。為反映導(dǎo)管孔錐度狀況，進(jìn)行分截面圓度測(cè)量，在136mm全長(zhǎng)上，等距測(cè)量6個(gè)截面圓，通過(guò)其圓度和直徑變化情況判斷導(dǎo)管孔圓度和錐度變化情況，圖3是導(dǎo)管孔測(cè)量示意圖。為反映導(dǎo)管孔直線度，進(jìn)行了導(dǎo)管孔中心線直線度測(cè)量。為反映導(dǎo)管孔壁面變化情況，測(cè)量了上、下、左、右4條母線，評(píng)價(jià)母線平行度判斷壁面加工情況。最后，綜合以上分量測(cè)量評(píng)價(jià)導(dǎo)管孔圓柱度。

3.2 火力面平面度測(cè)量方案

火力面是燃燒室上的密封面，形狀為一個(gè)直徑為320mm的圓形平面，平面度要求較高。平面度測(cè)量時(shí)采用蛛網(wǎng)式測(cè)量方法，以平面中心為圓心，形成一系列半徑遞增的同心圓進(jìn)行有規(guī)律地采點(diǎn)測(cè)量。通過(guò)圓周方向的測(cè)量，判斷火力面圓周方向平面度；通過(guò)半徑方向的測(cè)量，判斷火力面的梯度變化，圖4是火力面測(cè)量示意圖。同時(shí)，通過(guò)密集采點(diǎn)方法測(cè)量機(jī)加工接刀痕部位平面度，以此來(lái)綜合評(píng)價(jià)火力面平面度。

圖3 導(dǎo)管孔測(cè)量示意圖

圖4 火力面測(cè)量示意圖

4 編制氣缸蓋自動(dòng)測(cè)量程序

在完成導(dǎo)管孔圓柱度、火力面平面度等難度較大項(xiàng)點(diǎn)測(cè)量方案后，技術(shù)難點(diǎn)已全部解決。之后，是尋求測(cè)量效率的提升，自動(dòng)測(cè)量是提升測(cè)量效率的最有效手段。編制自動(dòng)測(cè)量程序，需要對(duì)全部測(cè)量項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行分析，確定測(cè)量探針?lè)桨浮⑦壿嬯P(guān)系和測(cè)量機(jī)探測(cè)路徑。為解決探針干涉問(wèn)題，設(shè)計(jì)了分層次錯(cuò)位安裝的探針組裝方式，即第一庫(kù)位探針組裝在上層，相鄰的第二庫(kù)位探針組裝在下層，第三庫(kù)位組裝在上層，以此類(lèi)推，合理利用探針庫(kù)位空間。最終確定了探針組合方案為5個(gè)庫(kù)位12支探針，順利實(shí)現(xiàn)氣缸蓋自動(dòng)測(cè)量，操作人員只需執(zhí)行測(cè)量程序并確認(rèn)執(zhí)行，測(cè)量機(jī)將完成全部測(cè)量工作，直至打印測(cè)量報(bào)告。

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量后，氣缸蓋測(cè)量時(shí)間大大縮短，由原來(lái)的1.5h，縮短到45min。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，測(cè)量時(shí)增加了驗(yàn)證程序。設(shè)計(jì)了一套由量規(guī)和基準(zhǔn)圓球組成的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)件和探針驗(yàn)證程序，在每天測(cè)量工作結(jié)束或出現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可疑時(shí)運(yùn)行驗(yàn)證程序進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和確認(rèn)，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

5 實(shí)施效果和效率

通過(guò)氣缸蓋測(cè)量工藝優(yōu)化、工裝設(shè)計(jì)和起吊設(shè)備等一系列改進(jìn)措施，實(shí)現(xiàn)了HXN5型機(jī)車(chē)氣缸蓋的自動(dòng)測(cè)量，提高了測(cè)量效率。測(cè)量工位由原來(lái)的2工位優(yōu)化為1個(gè)工位，減少工位轉(zhuǎn)換時(shí)間。起吊裝置由移動(dòng)小車(chē)改進(jìn)為懸臂起重機(jī)，氣缸蓋上料吊運(yùn)由2～3次減少到1次，縮短了上料輔助時(shí)間。通過(guò)設(shè)計(jì)定位工裝實(shí)現(xiàn)了氣缸蓋測(cè)量時(shí)的準(zhǔn)確定位，將手動(dòng)測(cè)量工藝優(yōu)化為自動(dòng)測(cè)量，縮短了氣缸蓋測(cè)量時(shí)間。效率大大提升，氣缸蓋測(cè)量時(shí)間由原來(lái)的1.5h，縮短到40min；輔助時(shí)間由20min縮短到5min。負(fù)荷能力由原來(lái)的6件/d提升到11件/d，基本滿足了氣缸蓋檢測(cè)的負(fù)荷要求。在檢測(cè)高峰時(shí)期，短期措施采取增加班次和加班方式解決，遠(yuǎn)期規(guī)劃添置在線檢測(cè)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)一步提高檢測(cè)負(fù)荷能力。在服務(wù)加工工藝方面，元素的分項(xiàng)測(cè)量較好地反映出工件的加工狀態(tài)，測(cè)量結(jié)果為機(jī)械加工工藝參數(shù)調(diào)整和刀具更換提供了數(shù)據(jù)參考，避免了批量質(zhì)量問(wèn)題的出現(xiàn)。

在實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)過(guò)程中，優(yōu)化后的氣缸蓋三坐標(biāo)測(cè)量方案得到很好實(shí)施，并取得了良好的實(shí)施效果。2009年至2011年期間，公司生產(chǎn)HXN5型機(jī)車(chē)600余臺(tái)，共完成氣缸蓋檢測(cè)10000余件，滿足了機(jī)車(chē)生產(chǎn)的負(fù)荷要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

三坐標(biāo)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，為復(fù)雜零部件幾何量的檢測(cè)提供了很好的解決方案，三坐標(biāo)測(cè)試技術(shù)在企業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。伴隨著現(xiàn)代企業(yè)質(zhì)量意識(shí)和要求的提高，三坐標(biāo)檢測(cè)在企業(yè)質(zhì)量檢測(cè)中的要求也更為提高，已由提供解決方案轉(zhuǎn)而需要提供更高的檢測(cè)效率。因此，研究如何更高提高測(cè)量系統(tǒng)的檢測(cè)效率是當(dāng)下檢測(cè)人員的重要職責(zé)，機(jī)車(chē)氣缸蓋檢測(cè)效率提升就是其中的一個(gè)案例。

[1] 何貢.計(jì)量測(cè)試技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1997：57-63.