柴油機(jī)機(jī)體氣缸孔加工刀具優(yōu)化及工藝改進(jìn)

■ 中車戚墅堰機(jī)車有限公司配件公司 （江蘇常州 213011） 姚 俊 張永振 李祖衛(wèi)

近幾年，隨著科技的高速發(fā)展，大型龍門五面體加工中心的功能得到不斷開發(fā)，新技術(shù)和新方案不斷涌現(xiàn)，很多普通機(jī)床的加工內(nèi)容不斷優(yōu)化到加工中心，原本需要特殊工裝和夾具加工的面、孔及螺紋等工序，借助于各種規(guī)格和型號(hào)的附件銑頭，在加工中心一次裝夾加工成形，相比較而言，龍門加工中心加工出的內(nèi)容更準(zhǔn)確、精密、可靠并且效率更高。

中車戚墅堰機(jī)車有限公司配件公司在引進(jìn)GE柴油機(jī)產(chǎn)品時(shí)，新增一臺(tái)德國(guó)瓦德里西科堡公司的大型龍門五面體加工中心，應(yīng)用于GE柴油機(jī)機(jī)體的加工，加工精度和效率較高，加工出的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、可靠。

近幾年，隨著公司產(chǎn)品的不斷調(diào)整，GE機(jī)體產(chǎn)量逐漸不飽和，公司原有產(chǎn)品16V280ZJ柴油機(jī)機(jī)體產(chǎn)量增加。16V280ZJ柴油機(jī)機(jī)體在原有的加工刀具和加工工藝下，效率和精度較低，亟待優(yōu)化。

1. 16V280ZJ柴油機(jī)機(jī)體氣缸孔加工要求

氣缸孔加工工序主要完成左右兩側(cè)氣缸孔平面及平面上各孔、推桿孔平面及平面各孔和頂面及各螺紋孔的加工，有以下特點(diǎn)。

1）加工內(nèi)容多：該工位需要加工內(nèi)容如下，機(jī)體左右氣缸孔平面、16擋氣缸孔、16擋推桿孔、64個(gè)缸頭螺釘孔、64個(gè)出水孔及平面上M10、M12及M16等各類型安裝螺孔和機(jī)體頂面平面及螺紋孔，如圖1、圖2所示。

圖1 氣缸孔所在平面位置

圖2 氣缸孔平面俯視

2）加工精度要求高：氣缸孔上孔的圓柱度為0.013mm，上下孔的同軸度為φ0.04mm，孔的中心位置度相對(duì)于主軸孔1、9擋（見圖3）的中心線位置度要求為φ0.12mm，氣缸孔安裝面的表面粗糙度值Ra＝1.6μm，如圖4所示；M45缸頭螺栓孔深度為155mm，如圖5所示，左右側(cè)氣缸孔中心線與主軸孔中心線的夾角為50°±5′（見圖1）。

圖3 第1、9擋主軸孔位置

圖4 氣缸孔剖視

圖5 缸頭螺栓孔和水孔

2. 傳統(tǒng)加工工藝及問題

柴油機(jī)機(jī)體為大型箱體類零件，鑄鐵材料，其內(nèi)部型腔復(fù)雜，筋板結(jié)構(gòu)較多。為了控制在加工過程中加工應(yīng)力引起的變形，機(jī)體氣缸孔、主軸孔等余量較多的部位經(jīng)過粗加工和半精加工后，各平面和內(nèi)孔的單邊只留2mm余量。根據(jù)工序安排，加工機(jī)體氣缸孔工序前，機(jī)體底平面、側(cè)面基準(zhǔn)邊及主軸孔已經(jīng)完成精加工。

傳統(tǒng)的加工工藝選用加工中心和搖臂鉆床，使用25°斜墊（見圖6），經(jīng)過多次翻身裝夾，在加工時(shí)，借助25°斜墊，將機(jī)體左右側(cè)氣缸孔平面翻轉(zhuǎn)后，使得機(jī)體氣缸孔平面處于水平方向，利用機(jī)體前道工序已加工完成的機(jī)體底平面及側(cè)面的基準(zhǔn)邊來定位。雖裝夾穩(wěn)定可靠，但不方便，且在吊運(yùn)和裝夾過程中需要將機(jī)體多次翻身，存在安全隱患，且由于多次裝夾，需要多次校調(diào)零點(diǎn)，各部位相對(duì)坐標(biāo)有一定的偏差。

因傳統(tǒng)加工方案效率較低，故采用工序分序的原則來提升產(chǎn)能，結(jié)合公司實(shí)際情況，將絕大多數(shù)鉆孔使用搖臂鉆床加工，具體的工藝流程為：①在龍門加工中心上將機(jī)體裝夾在25°斜墊（工裝）上加工左側(cè)平面、氣缸孔和推桿孔，并將左側(cè)安裝小螺孔鉆定位孔（見圖7）。②將機(jī)體翻到另一個(gè)角度在龍門加工中心上利用25°斜墊（工裝）裝夾后加工右側(cè)平面、氣缸孔和油泵推桿孔，并將右側(cè)安裝小螺孔鉆定位孔。③加工機(jī)體頂面平面，并鉆各安裝螺孔定位孔。④在搖臂鉆床上，用25°斜墊墊平機(jī)體左側(cè)氣缸孔平面，利用鉆模鉆攻缸頭螺孔并鉆鉸出水孔，然后根據(jù)定位孔鉆其他安裝螺孔（見圖8）。⑤在搖臂鉆床上，用25°斜墊墊平機(jī)體右側(cè)氣缸孔平面，利用鉆模鉆攻缸頭螺孔并鉆鉸出水孔，然后根據(jù)定位孔鉆其他安裝螺孔。⑥將工件平放在搖臂鉆床上，根據(jù)定位孔鉆頂面安裝螺孔。⑦鉗工對(duì)左右氣缸孔平面和頂面上的小安裝螺孔手動(dòng)攻螺紋。⑧檢查員測(cè)量檢查。

傳統(tǒng)加工工藝工序較分散，存在以下問題：①加工不完全定位問題，25°工裝只限制了5個(gè)自由度，X方向的移動(dòng)未限制，僅依靠壓板壓緊力固定。②由于25°斜墊工裝角度誤差產(chǎn)生左右氣缸孔軸線夾角誤差，兩次裝夾，兩個(gè)誤差。③機(jī)體翻身在25°斜墊裝夾時(shí)切屑容易掉在定位面上，影響定位精度。④因多次裝夾產(chǎn)生裝夾誤差、裝夾變形。⑤用百分表校兩頭主軸孔，定Y、Z坐標(biāo)中心零點(diǎn)而產(chǎn)生誤差，多次校調(diào)，多次誤差累積。⑥各螺孔在搖臂鉆床上加工，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，加工效率較低，平面上各小螺紋孔需要鉗工手動(dòng)加工，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率較低，還可能會(huì)引起漏攻螺紋。⑦整個(gè)加工需要6次定位裝夾，吊運(yùn)和翻身存在安全隱患。且輔助時(shí)間過多，加工周期長(zhǎng)。⑧目前各企業(yè)普遍出現(xiàn)用工荒問題，而傳統(tǒng)工藝需要較多有一定技術(shù)的熟練工。

圖6 機(jī)體25°斜墊

圖7 加工中心鉆螺孔定位孔

圖8 搖臂鉆床加工螺孔

圖9 新工藝一面兩銷工裝

3. 新加工工藝及其優(yōu)點(diǎn)

在前道工序中，機(jī)體底平面上增加兩只φ25mm工藝定位銷孔，利用機(jī)體底平面及兩只工藝定位銷孔采用一面兩銷工裝（見圖9）定位裝夾，機(jī)體完全定位，裝夾穩(wěn)定可靠且方便。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，機(jī)體固定后主軸孔零點(diǎn)誤差可以控制在0.03mm以內(nèi)，基本不需要再次調(diào)整，可以直接進(jìn)行加工，減少零點(diǎn)校調(diào)時(shí)間。

由于機(jī)體外形較大，左右對(duì)稱，氣缸孔加工位置較深，最深處為500mm，適合龍門鏜銑加工中心加工，能發(fā)揮龍門鏜銑床鏜的優(yōu)勢(shì)，公司新科堡龍門加工中心技術(shù)參數(shù)為：配備可交換式雙工作臺(tái)，單工作臺(tái)寬2 000mm、長(zhǎng)5 000mm，單工作臺(tái)X軸行程5 500mm，雙工作臺(tái)連起來后長(zhǎng)11 000mm，行程12 000mm。Y軸行程4 000mm，Z軸（滑枕）行程1 500mm，W軸（橫梁）行程為1 850mm。配備了加工機(jī)體用的9個(gè)專用附件銑頭：兩個(gè)延伸頭，兩個(gè)直角銑頭，一個(gè)萬(wàn)能銑頭和4個(gè)固定角度（22.5°、25°、10°及15°）銑頭，兩把專用非標(biāo)氣缸孔鏜排，可以滿足現(xiàn)有機(jī)體的加工要求。

統(tǒng)一機(jī)體加工基準(zhǔn)，根據(jù)圖樣標(biāo)注，選擇后端主軸孔止推面為X向基準(zhǔn)，Y、Z都是以主軸孔中心軸線為基準(zhǔn)。編程時(shí)坐標(biāo)尺寸也利用以上基準(zhǔn)為零點(diǎn)。該工序中，以上道工序加工好的第1、9擋主軸孔中心為基準(zhǔn)，加工氣缸孔、推桿孔等，保證與上一個(gè)工序加工的主軸孔的位置度和左右氣缸孔夾角公差。

選擇刀具根據(jù)產(chǎn)品的產(chǎn)量與加工效率綜合考慮，充分利用現(xiàn)有刀具資源，節(jié)約刀具采購(gòu)成本、降本增效；針對(duì)加工內(nèi)容較多且時(shí)間較長(zhǎng)的工序，要對(duì)刀具進(jìn)行優(yōu)化，選用鑲片式硬質(zhì)合金刀具和專用的復(fù)合刀具以提高加工效率，滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求。

在科堡龍門加工中心上采用一面兩銷定位方式，一次裝夾，采用雷尼紹自動(dòng)測(cè)量機(jī)體零點(diǎn)（見圖10、圖11），使用25°銑頭運(yùn)用機(jī)床五面體加工功能能夠鉆攻氣缸孔、油泵推桿孔及氣缸平面上各螺紋孔（見圖12、圖13），使用主軸附件銑頭銑削頂面，鉆削各螺紋孔（見圖14）。

圖10 雷尼紹自動(dòng)測(cè)量零點(diǎn)

圖12 左側(cè)氣缸孔鏜孔

圖13 右側(cè)氣缸孔鏜孔

圖14 機(jī)體頂面加工

圖15 氣缸孔半精鏜刀具

具體步驟如下：①工裝校正壓裝。清潔工裝和工作臺(tái)安裝面，上車后先預(yù)壓緊，再用百分表檢測(cè)工裝平面度和兩定位銷直線度，保證在0.01mm以內(nèi)，然后壓緊。②機(jī)體上車、壓裝并打零點(diǎn)。將機(jī)體底平面清潔干凈后進(jìn)行壓裝，用0.03mm塞尺檢查，要求通不過。先用扳手預(yù)壓緊后，用300N·m扭力扳手壓緊。裝直角附件銑頭，使用雷尼紹自動(dòng)測(cè)量頭，調(diào)用測(cè)量程序280LD_QGK.MPF自動(dòng)測(cè)量各軸零點(diǎn)（X零點(diǎn)在曲軸止推面上，Y、Z零點(diǎn)為主軸孔中心）。第1、9擋主軸孔中心保證在0.03mm以內(nèi)。③調(diào)用程序進(jìn)行加工。自動(dòng)運(yùn)行程序MPF280QGK_JG.MPF，裝25°附件銑頭，裝面銑刀銑削左右側(cè)氣缸孔平面和推桿孔平面；選用氣缸孔鏜排（見圖15、圖16）半精鏜及精鏜氣缸孔；氣缸孔上孔倒角；推桿孔半精鏜及推桿孔精鏜；出水孔鉆孔；缸頭螺孔第一鉆；缸頭螺孔第二鉆；缸頭螺孔攻螺紋；用整體硬質(zhì)合金鉆頭鉆其他小螺孔；小螺孔攻螺紋；機(jī)體下車后清潔，進(jìn)入三坐標(biāo)在線檢測(cè)。

新工藝主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①采用在機(jī)體底平面上增加兩只工藝定位銷孔的方法，可以實(shí)現(xiàn)一面兩銷工裝的快速定位，限制了工件6個(gè)自由度，解決了不完全定位問題及輔助時(shí)間長(zhǎng)和吊運(yùn)翻身的不安全因素。②利用雷尼紹自動(dòng)測(cè)量機(jī)體零點(diǎn)，解決了人工設(shè)定零點(diǎn)產(chǎn)生錯(cuò)誤的問題。③定制25°附件銑頭（設(shè)備必須具有五面體加工功能），利用機(jī)床坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)功能加工右側(cè)氣缸孔工序內(nèi)容，完成后附件銑頭旋轉(zhuǎn)180°，加工左側(cè)氣缸孔工序，保證氣缸孔50°夾角誤差。④制作鋁合金氣缸孔專用刀具，采用過定位刀柄裝刀，解決了專用刀具過重和上下氣缸孔同軸度誤差的問題，且提升了加工效率及質(zhì)量。⑤量身定制出水孔擴(kuò)孔→鉸孔→倒角一體化鑲合金專用刀具，缸頭螺孔更換專用刀片的刀具（見圖17、圖18），所有小螺孔使用整體硬質(zhì)合金內(nèi)冷鉆代替原來的麻花鉆，加工效率得到成倍提升。⑥出水孔、缸頭螺孔及所有小螺孔都在加工中心鉆孔、攻螺紋到位，解決了搖臂鉆鉆孔和鉗工手動(dòng)攻螺紋工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、加工效率低及加工精度較差等問題，且避免了加工過程中易產(chǎn)生不安全因素和人員短缺的問題。減少了普通設(shè)備的數(shù)量，充分發(fā)揮數(shù)控設(shè)備的效率和利用率，同時(shí)也降低了手工操作的頻率，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

圖16 氣缸孔精鏜刀具

圖17 缸頭螺孔第一鉆鉆頭

圖18 缸頭螺孔第二鉆鉆頭

4. 結(jié)語(yǔ)

工藝優(yōu)化前后對(duì)比見表1。

表1 工藝優(yōu)化前后對(duì)比

工藝方案改進(jìn)后，機(jī)體經(jīng)過三坐標(biāo)檢測(cè)，完全符合圖樣要求，經(jīng)過連續(xù)多只機(jī)體的檢測(cè)，Cpk值穩(wěn)定。生產(chǎn)效率提高一倍以上，產(chǎn)品質(zhì)量也得到了大幅提升，且穩(wěn)定可靠。一些普通機(jī)床加工的零散工序逐步平移至該加工中心，大幅提高了生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，縮短了生產(chǎn)周期，對(duì)柴油機(jī)機(jī)體的生產(chǎn)起到了至關(guān)重要的作用。減少了設(shè)備數(shù)量和操作工人數(shù)量，一個(gè)人，一臺(tái)機(jī)床，但是一次性投入較大，對(duì)設(shè)備功能要求較高。