机车气缸盖三坐标测量工艺优化分析

凡小飞，李富燕

（南车戚墅堰机车有限公司，上海 213011）

0 引 言

戚墅堰公司是一家主营内燃机车的大型国有企业，公司有着百年的机车修造经验，是机车行业内知名的铁路装备制造企业。2006年，在中国轨道交通进入全面提升研发和制造技术的大背景下，戚墅堰公司和美国GE公司合作，引进开发HXN5型大功率内燃机车，并研发和批量制造HXN5型内燃机车。2009年，HXN5型机车完成设计和试制，机车进入批量生产阶段。按设计和产品质量控制要求，在机车早期的批量生产时期，机车柴油机和关键部件需要进行关键尺寸的全检，机车气缸盖作为柴油机的关键部件之一，在前300台机车的生产过程中需要进行关键尺寸的全覆盖检测[1]。按项目年产200台机车的生产计划，每台机车柴油机16只气缸盖。预测气缸盖的检测任务量达11件/d，高峰期预计20件/d。戚墅堰公司气缸盖尺寸检测采用三坐标测量机进行，目前，同类机车气缸盖的检测负荷量为6件/d，远不能满足HXN5型机车的生产需求，气缸盖检测能力的不足已成为机车生产的瓶颈。为打通气缸盖检测瓶颈，戚墅堰公司在检测设备、检测方案、检测工艺等方面进行了分析、研究，并通过一系列的改进措施，提升了气缸盖的检测负荷量，满足了机车生产的需要。

1 测量现状分析

机车气缸盖是内燃机车柴油机燃烧室的重要组件，与气缸套、活塞等共同构成柴油机燃烧室。同时，机车气缸盖内部还安装喷油器、气门等机构，布置了进、排气风道及冷却水腔，结构非常复杂，检测涉及到大量的几何尺寸和形位公差，测量项点达80余项，项点多、检测时间长是影响负荷量的原因之一。技术方面，气缸测量包括螺纹孔位置度、导管孔圆柱度、火力面平面度、排气孔平面位置度等一些要求高、难度大的测量项点，也在一定程度上影响测量负荷量的提升。测量工艺方面，气缸盖三坐标测量机只有一台，测量时翻转一次，2工位测量，并且无法实现全自动测量，上料工装、定位工装简陋，测量效率低下是影响测量负荷量的重要原因。因此，要提高气缸盖检测效率，打通检测瓶颈，需要有科学的测量方案，并通过测量工装的合理使用，测量方法、测量工艺的科学优化，解决上述制约因素。

2 工艺措施改进

2.1 制定气缸盖单工位定位方案

图1 测量工装图

图2 气缸盖装夹图

三坐标测量时，多工位测量效率非常低。因此，单工位测量是气缸盖测量技术方案的首要目标。气缸盖火力面、摇臂面集中了几乎全部高精度测量项点，按一般测量技术方案，工件高精度测量面与三坐标测量机水平面平行，可以高效利用机器精度，但气缸盖需要翻转一次，与单工位的目标方案不相符。同样，进排气面和高压油孔面虽然测量精度要求不高，但两面都有重要尺寸测量，同样不能与测量机水平面平行放置。最后是两个冷却水平面，测量特征为一面三孔，平面为非装配平面，冷却水孔测量要求为φ420.0460，精度要求较低，下平面测量可以通过适当垫高的方式解决，冷却水孔直径测量可以通过止通量规另行测量。因此，确定了冷却水平面与测量机平行的定位方案，实现气缸盖三坐标单工位测量。

2.2 设计定位工装和优化起吊设备

要提高气缸盖三坐标检测效率，必须实现自动测量。因此，需要实现气缸盖的精确定位，设计定位工装是较好的解决方案，为此，我们设计了气缸盖测量专用工装（见图1）。工装通过螺栓孔固定在测量机工作台面上，并采用一面两销的定位方式，与气缸盖底侧平面和两个水孔进行接触定位，将4个支撑销适当加高，实现气缸盖下测量面垫高。气缸盖的精确定位，解决了原简易工作定位不准确的问题。装夹后，气缸盖在测量机工作平台上位置固定，气缸盖与机器坐标系位置关系确定，可以实现坐标系自动关联，气缸盖装图如图2所示。气缸盖吊装方面，为解决原有吊装小车工作范围小，需2～3次吊运才能完成气缸盖吊装的问题，设计安装了回转范围更大的悬臂起重机，实现工作区域全覆盖，气缸盖进料、吊装一次完成，大大缩短了测量辅助时间。

3 测量项点解决方案

3.1 导管孔圆柱度测量方案

气缸盖导管孔是装配气阀导管的基础，精度要求很高，加工难度较大。为及时反映加工工艺状态，测量时对导管孔圆柱度采取了分解测量的方式，分为3个分量。为反映导管孔锥度状况，进行分截面圆度测量，在136mm全长上，等距测量6个截面圆，通过其圆度和直径变化情况判断导管孔圆度和锥度变化情况，图3是导管孔测量示意图。为反映导管孔直线度，进行了导管孔中心线直线度测量。为反映导管孔壁面变化情况，测量了上、下、左、右4条母线，评价母线平行度判断壁面加工情况。最后，综合以上分量测量评价导管孔圆柱度。

3.2 火力面平面度测量方案

火力面是燃烧室上的密封面，形状为一个直径为320mm的圆形平面，平面度要求较高。平面度测量时采用蛛网式测量方法，以平面中心为圆心，形成一系列半径递增的同心圆进行有规律地采点测量。通过圆周方向的测量，判断火力面圆周方向平面度；通过半径方向的测量，判断火力面的梯度变化，图4是火力面测量示意图。同时，通过密集采点方法测量机加工接刀痕部位平面度，以此来综合评价火力面平面度。

图3 导管孔测量示意图

图4 火力面测量示意图

4 编制气缸盖自动测量程序

在完成导管孔圆柱度、火力面平面度等难度较大项点测量方案后，技术难点已全部解决。之后，是寻求测量效率的提升，自动测量是提升测量效率的最有效手段。编制自动测量程序，需要对全部测量项点进行分析，确定测量探针方案、逻辑关系和测量机探测路径。为解决探针干涉问题，设计了分层次错位安装的探针组装方式，即第一库位探针组装在上层，相邻的第二库位探针组装在下层，第三库位组装在上层，以此类推，合理利用探针库位空间。最终确定了探针组合方案为5个库位12支探针，顺利实现气缸盖自动测量，操作人员只需执行测量程序并确认执行，测量机将完成全部测量工作，直至打印测量报告。

实现自动测量后，气缸盖测量时间大大缩短，由原来的1.5h，缩短到45min。为保证数据质量，测量时增加了验证程序。设计了一套由量规和基准圆球组成的验证标准件和探针验证程序，在每天测量工作结束或出现数据结果可疑时运行验证程序进行数据分析和确认，保证测量数据的准确性和可靠性。

5 实施效果和效率

通过气缸盖测量工艺优化、工装设计和起吊设备等一系列改进措施，实现了HXN5型机车气缸盖的自动测量，提高了测量效率。测量工位由原来的2工位优化为1个工位，减少工位转换时间。起吊装置由移动小车改进为悬臂起重机，气缸盖上料吊运由2～3次减少到1次，缩短了上料辅助时间。通过设计定位工装实现了气缸盖测量时的准确定位，将手动测量工艺优化为自动测量，缩短了气缸盖测量时间。效率大大提升，气缸盖测量时间由原来的1.5h，缩短到40min；辅助时间由20min缩短到5min。负荷能力由原来的6件/d提升到11件/d，基本满足了气缸盖检测的负荷要求。在检测高峰时期，短期措施采取增加班次和加班方式解决，远期规划添置在线检测三坐标测量机进一步提高检测负荷能力。在服务加工工艺方面，元素的分项测量较好地反映出工件的加工状态，测量结果为机械加工工艺参数调整和刀具更换提供了数据参考，避免了批量质量问题的出现。

在实际生产检测过程中，优化后的气缸盖三坐标测量方案得到很好实施，并取得了良好的实施效果。2009年至2011年期间，公司生产HXN5型机车600余台，共完成气缸盖检测10000余件，满足了机车生产的负荷要求。

6 结束语

三坐标测试技术的发展，为复杂零部件几何量的检测提供了很好的解决方案，三坐标测试技术在企业中的应用越来越广泛。伴随着现代企业质量意识和要求的提高，三坐标检测在企业质量检测中的要求也更为提高，已由提供解决方案转而需要提供更高的检测效率。因此，研究如何更高提高测量系统的检测效率是当下检测人员的重要职责，机车气缸盖检测效率提升就是其中的一个案例。

[1] 何贡.计量测试技术手册[M].北京：中国计量出版社，1997：57-63.