PA6中速柴油機(jī)氣缸蓋加工工藝的制定及優(yōu)化

(大連中車柴油機(jī)有限公司，遼寧 大連 116021)

0 引言

PA6中速柴油機(jī)是我國20世紀(jì)從法國引進(jìn)的專利生產(chǎn)技術(shù)，至今，其國產(chǎn)化產(chǎn)品已應(yīng)用于多個行業(yè)領(lǐng)域，艦船、民用發(fā)電機(jī)組、核電應(yīng)急發(fā)電機(jī)組等行業(yè)，通過多年的制造和應(yīng)用實(shí)踐，PA6中速柴油機(jī)的性能和功率適合各行業(yè)的使用，特別是在艦船行業(yè)使用該機(jī)型較多，其技術(shù)引進(jìn)對我國中速柴油機(jī)制造業(yè)具有重大意義，對我國設(shè)計(jì)制造中速柴油機(jī)有廣泛的借鑒作用，推動了該行業(yè)的發(fā)展。作為柴油機(jī)核心部件之一，氣缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度高，加工難度很大。同時，由于其孔系多而復(fù)雜，精度高，其所需加工切削刀具多，成本投入較大，怎樣在高成本的投入后，能保證氣缸有穩(wěn)定的質(zhì)量和較高的生產(chǎn)效率。氣缸蓋是鑄鐵材質(zhì)，因其是氣、油、水一體的復(fù)雜箱類零件，在鑄造中難免存在工藝缺陷，產(chǎn)生一定的廢品率，使得其加工難度放大。這些都是編制加工工藝需要探討的因素，也是本文的研究方向。

1 難點(diǎn)分析

PA6中速柴油機(jī)氣缸蓋材質(zhì)為QT500，表面硬度HB170～250，切削性能較好，因此在刀具材質(zhì)上沒有特殊的要求。但是由于鑄造尺寸的偏差，可能在某些部位的粗加工時，刀具切削量大。氣缸蓋是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的箱體類零件，在工藝裝備中應(yīng)考慮裝夾定位方式，以保證加工質(zhì)量和減少輔助時間。在氣缸蓋加工中，最關(guān)鍵的是其孔系加工，加工難點(diǎn)如下。

1)噴油器孔的加工，孔的尺寸、各孔間的形位公差精度要求高。

2)閥座孔與導(dǎo)管孔的加工，孔的尺寸、兩孔間的形位公差精度要求較高，同時閥座孔與導(dǎo)管孔相對于其它加工部位的形位公差精度要求也較高。

2 加工工藝及使用設(shè)備的確定(見表1)

表1 加工工藝

3 工藝過程介紹

3.1 劃線

此工序在劃線平臺上，先用可調(diào)頂子支撐底面，以頂面內(nèi)表面用劃針盤通過清砂孔磨出基準(zhǔn)，經(jīng)過尺寸換算確定燃燒隔板厚度劃出頂面加工線及底面加工線。

在加工過程中，各孔系的加工基準(zhǔn)與鑄造毛坯檢查略有不同，因此，需重新檢查各孔系的加工余量。需先后將缸蓋立放、側(cè)放，以噴油器孔鑄造孔為基準(zhǔn)，劃出頂面止口、閥座孔等重要形位要求的孔的位置，劃出加工頂面止口的找正線及加工周邊時所需的水平旋轉(zhuǎn)方向找正線，見圖1所示。如考慮預(yù)后各孔、面的加工效果，采用“坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)與平移”借料法借料劃線。

圖1 加工找正線示意圖

3.2 精車頂面

氣缸蓋的頂面，即燃燒面，在柴油機(jī)做功運(yùn)行中，承受高溫、高壓及各種化學(xué)腐蝕等，頂面應(yīng)有一定的表面粗糙度要求，不能有任何的加工缺陷。同時，也是氣缸蓋在機(jī)體上的安裝定位以及燃燒室的密封，其精度對平面度、止口、密封槽尺寸要求較為嚴(yán)格，燃燒面平面度0.02；定位止口；密封槽尺寸和，深度尺寸。因此，選用精度較高的數(shù)控立式車床加工頂面，來保證頂面的加工精度。同時，噴油器φ27孔與燃燒面過渡圓弧形狀比較特殊，如使用成形銑刀加工，切削面積較大，容易產(chǎn)生切削振紋，不能滿足粗糙度要求，還會形成應(yīng)力集中部位，將嚴(yán)重影響缸蓋燃燒隔板的強(qiáng)度，使用數(shù)控立式車床進(jìn)行插補(bǔ)程序加工，使該工序的加工平面始終保持較高的線速度，滿足其形狀尺寸和粗糙度要求。

3.3 精車底面

從產(chǎn)品圖樣上來看，對底面的加工要求不高，與燃燒面的高度尺寸為265±0.2，粗糙度僅為Ra3.2，使用普通立式車床就能夠滿足其加工要求。但是，在后序加工裝夾工件時，需要用到低壓面作為定位基準(zhǔn)，因此，在本文所述的加工工藝中，加工低壓面應(yīng)有內(nèi)控精度要求制定工藝公差，如與燃燒面的高度尺寸在工藝中設(shè)定為265±0.05，既可在后序的孔系加工中，得到理想的加工精度。

3.4 加工周邊

缸蓋周邊使用臥式加工中心，加工周邊4個面的加工面及孔。將缸蓋水平放置，采用頂面止口尺寸定位，定位方向?yàn)閄軸和Z軸；由于燃燒面在柴油機(jī)做功中承受高溫高壓，所以該加工面不能有任何缺陷，包括碰傷，在加工過程中，盡量減少其與工裝定位的接觸，采用燃燒面止口外沿的加工面作為軸方向定位；XZ面的旋轉(zhuǎn)方向，采用劃針盤找正劃線工序中的兩側(cè)線，然后用壓板預(yù)壓緊缸蓋，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)方向找正壓緊，壓緊要有反復(fù)過程，逐次加力，最后壓緊。

在該工序中，安全閥孔和啟動閥孔的加工相對其他加工部位來說更重要一些，雖然在缸蓋圖樣中未對孔系有形位公差要求，但是，在缸蓋部件組裝中孔φ40.2H10和φ30H10應(yīng)有一定的同軸度精度。

在首件及小批量試產(chǎn)編制工藝時，采用φ28合金鉆頭，然后使用兩種尺寸擴(kuò)刀將φ40.2孔擴(kuò)至φ39.8，使用φ29.7擴(kuò)刀加工φ30孔，最后分別用φ40.2和φ30兩把鉸刀將安全閥孔和啟動閥孔加工至成品尺寸。該加工方法在量產(chǎn)時出現(xiàn)了缸蓋該孔系不同軸的現(xiàn)象，無法進(jìn)行組裝，經(jīng)測繪分析，應(yīng)是缸蓋加工時，偶有硬度較高的部位或某點(diǎn)，造成刀具切削力不均，而刀具細(xì)長剛性較差，導(dǎo)致刀具改變進(jìn)給方向，使孔產(chǎn)生移位誤差，得出結(jié)論后，將該孔半精加工刀具改為復(fù)合刀具，即φ39.8和φ29.7復(fù)合擴(kuò)刀及復(fù)合鉸刀，這樣就保證了其同軸度。該孔系同軸度要求不是很高，同時，又進(jìn)行在線加工，操作人員隨時自查，自制標(biāo)準(zhǔn)棒進(jìn)行同軸度檢測。經(jīng)過改進(jìn)后，成品缸蓋沒有再出現(xiàn)無法進(jìn)行組裝的情況。

3.5 加工低壓面孔系和高壓面孔系

3.5.1 裝夾、定位方式的確定

中速柴油機(jī)缸蓋低面和頂面孔系的加工，根據(jù)缸蓋的外形結(jié)構(gòu)和孔系的精度要求，在臥式加工中心進(jìn)行，一般采用兩種形式進(jìn)行裝夾和加工。

1)框架式工裝，裝夾缸蓋后，頂、低面加工部位通過設(shè)備工作臺旋轉(zhuǎn)缸蓋180°進(jìn)行一次裝夾，兩面都可進(jìn)行加工。該裝夾方法優(yōu)點(diǎn)為：高壓面孔系與低壓面孔系相互間的位置度及其他形位公差的加工精度更高一些。缺點(diǎn)是：只能加工高、低壓面孔系，無法加工其他面或部位；工序較為集中，換刀次數(shù)多，設(shè)備工作臺旋轉(zhuǎn)次數(shù)多，對生產(chǎn)效率有一定的限制；使用相對稍大型的臥式加工中心加工時，缸蓋需放置在工作臺中央部位，增加了所有加工刀具的長度，即增加了刀具投入成本，更重要的是，刀具加長，剛性相對減弱，降低甚至無法滿足加工精度；加工中速柴油機(jī)缸蓋頂、低面孔系所使用的刀具數(shù)量較大，對臥式加工中心配置提高了，需要有較大數(shù)量的刀庫，設(shè)備投入成本較大。

2)彎板式或方箱式工裝，裝夾缸蓋后，只能加工頂面孔系或低面孔系，加工另一面需二次裝夾才能完成。優(yōu)點(diǎn)：彎板式的工裝設(shè)計(jì)可以根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸，自身的設(shè)備、產(chǎn)量、工裝刀具投入等情況，可以將一套工裝設(shè)計(jì)裝夾1～4個，相同工序或不同工序(底面孔系加工和頂面孔系加工)的缸蓋，利于不同生產(chǎn)形勢的生產(chǎn)平衡；可以加工其它面或部位。缺點(diǎn)：加工頂、低面孔系需分別兩次進(jìn)行裝夾，較框架式工裝高低面孔系相互間的形位公差精度較低。

根據(jù)PA6缸蓋的外形結(jié)構(gòu)和加工工藝，本文所述工藝采用的是上述b)彎板式工裝，在工裝180°的2個面分別裝夾加工底面孔系和頂面孔系的氣缸蓋。采用此種裝夾方式，利于加工缸蓋的進(jìn)氣道端面(該面與高壓面成60°夾角)和底面2×φ15泄油孔(孔軸線與低壓面成30°夾角)的加工。在缸蓋的定位方式中，也有兩種方式，一種是采用銷孔和面定位，另一種是全部采用面定位?？紤]到PA6缸蓋外形尺寸較大，采用銷孔定位時，裝夾缸蓋不易，同時工裝上的定位銷和缸蓋定位孔易碰撞、磨損，造成后續(xù)定位不準(zhǔn)確，影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，采用面定位，即缸蓋螺栓孔外側(cè)加工面、安全閥孔端面和底面(或頂面)3個面進(jìn)行定位，工裝上2個工位的缸蓋定位點(diǎn)位置保持一致，不僅容易裝卸工件，也最大可能保證了2個工位的重復(fù)裝夾的定位精度，滿足定位統(tǒng)一原則。

3.5.2 加工低壓面孔系

1)使用中心鉆將低壓面相關(guān)孔鉆出錐凹，為后續(xù)鉆頭鉆孔定心，同時，可以復(fù)查鑄造時某些孔的冷鐵位置是否滿足加工要求，特別是導(dǎo)管孔。再使用鉆頭鉆孔。

2)在該工序中最重要的是噴油器孔的加工，該孔臺階較多，尺寸較復(fù)雜，精度要求嚴(yán)格，同時，相互間有同軸度要求。該孔為鑄造孔，留有加工余量，但由于鑄造位置精度的偏差，在實(shí)際加工中，粗加工時刀具加工余量不均勻，因此，粗加工刀具采用單尺寸擴(kuò)刀或雙尺寸的復(fù)合擴(kuò)刀進(jìn)行粗加工，避免因多尺寸復(fù)合刀具在加工余量不均勻時造成孔的尺寸和形位公差過大，而使精加工余量不足。在半精加工時，根據(jù)圖樣和噴油器護(hù)套的裝配要求采用多尺寸的復(fù)合刀具進(jìn)行加工，為精加工刀具留有余量φ0.3。最后使用復(fù)合鉸刀進(jìn)行加工，復(fù)合鉸刀加工位置應(yīng)與半精加工復(fù)合擴(kuò)刀相同，以保證相關(guān)孔的形位公差。

3)鑄造毛坯中，導(dǎo)管孔有冷鐵，冷鐵的硬度與缸蓋毛坯有一定的差異，其鑄造位置還存在偏差，這都會影響加工精度。導(dǎo)管孔與閥座孔有同軸度要求，如在高壓面進(jìn)行導(dǎo)管孔的所有尺寸加工，因?qū)Ч芸椎募庸さ毒呒?xì)長，剛性又差，還有前述冷鐵的鑄造原因，會導(dǎo)致孔的尺寸偏大、偏斜等情況發(fā)生，使精加工無法滿足技術(shù)要求。因此，選擇在該工序進(jìn)行導(dǎo)管孔的粗加工，先用φ25合金鉆頭鉆孔，再用φ26.5擴(kuò)刀擴(kuò)孔以矯正鉆孔時的偏斜，將精加工退至高壓面加工工序中完成。

3.5.3 加工頂面孔系

該工序?yàn)榧庸ろ斆婵紫狄约般娺M(jìn)氣道口端面。關(guān)鍵工位為加工閥座孔與導(dǎo)管孔。

1)先用擴(kuò)刀進(jìn)行閥座孔的粗加工。

2)使用2把擴(kuò)刀將導(dǎo)管孔端部φ30加工至成品。此處雖然在部件組裝還是柴油機(jī)運(yùn)行中沒有特別要求，但是，在加工導(dǎo)管孔處是關(guān)鍵。閥座孔與導(dǎo)管孔之間為鑄造表面的氣道，氣道形狀是根據(jù)氣體流動力學(xué)建模而形成的，整個氣道表面圓滑過渡，從頂面加工導(dǎo)管孔，導(dǎo)管孔端部毛坯面與刀具軸線不垂直，導(dǎo)致切削力不均勻，會造成加工偏斜，因此，在加工導(dǎo)管孔前將φ30加工至成品，與粗加工的φ26.5孔的軸線形成垂直平面，使導(dǎo)管孔的精加工在垂直于刀具進(jìn)給方向的平面上進(jìn)行，有利于導(dǎo)管孔的加工，保證導(dǎo)管孔的尺寸和相關(guān)的形位公差精度要求。

3)使用復(fù)合擴(kuò)刀進(jìn)行閥座孔與導(dǎo)管孔的粗加工、半精加工，再用復(fù)合鉸刀進(jìn)行精加工。

3.6 加工低壓面和周邊螺紋孔

這些螺紋底孔在加工中心工序中已經(jīng)加工完成。氣缸蓋螺紋孔尺寸較多，使用加工中心攻絲需多個專用攻絲刀柄進(jìn)行加工，而攻絲刀柄采購成本較高，因此，在搖臂鉆進(jìn)行攻絲能夠減少刀具的采購成本；將工序進(jìn)行分解，減少單個缸蓋的生產(chǎn)周期，利于各種生產(chǎn)形勢的調(diào)整。

3.7 清整階段

在一次清洗工序中，主要是將殘余在水腔內(nèi)、氣道內(nèi)、孔內(nèi)的鐵屑及冷卻液等進(jìn)行清理，便于后續(xù)的清砂打磨工序的作業(yè)。對缸蓋加工部位的棱邊、毛刺，加工面與毛坯面的銳棱，兩孔相交處的毛刺和銳棱，氣道和水腔孔內(nèi)附近鑄造表面鑄造不平整處及殘留型砂等部分進(jìn)行打磨和清整。

對氣缸蓋進(jìn)行再清潔，在清洗中進(jìn)行精洗，將表面、氣道內(nèi)、水腔內(nèi)鐵屑和打磨殘余等雜物清洗掉，保證缸蓋的清潔度。

交檢及高、低壓試驗(yàn)，裝配螺堵清理表面，待表面干燥后，涂面漆。

3.8 采用智能化加工線

綜上所述，氣缸蓋的加工周期主要集中在加工中心設(shè)備上，造成工序擁擠，可采用智能化加工生產(chǎn)線，由劃線平臺數(shù)控立車、幾臺加工中心組成智能化生產(chǎn)線，投入產(chǎn)出一條龍，提高精益管理水平。

4 結(jié)語

通過不斷總結(jié)，不斷實(shí)踐，PA6缸蓋加工工藝和工裝設(shè)計(jì)方案日臻完善，各項(xiàng)尺寸的加工精度均滿足于圖樣和技術(shù)條件的要求。同時，在工藝方案中也充分考慮到了缸蓋加工中的裝卸輔助時間和刀具投入成本，是一套比較成熟的缸蓋加工工藝方案。