柴油机机体气缸孔加工刀具优化及工艺改进

■ 中车戚墅堰机车有限公司配件公司 （江苏常州 213011） 姚 俊 张永振 李祖卫

近几年，随着科技的高速发展，大型龙门五面体加工中心的功能得到不断开发，新技术和新方案不断涌现，很多普通机床的加工内容不断优化到加工中心，原本需要特殊工装和夹具加工的面、孔及螺纹等工序，借助于各种规格和型号的附件铣头，在加工中心一次装夹加工成形，相比较而言，龙门加工中心加工出的内容更准确、精密、可靠并且效率更高。

中车戚墅堰机车有限公司配件公司在引进GE柴油机产品时，新增一台德国瓦德里西科堡公司的大型龙门五面体加工中心，应用于GE柴油机机体的加工，加工精度和效率较高，加工出的产品质量稳定、可靠。

近几年，随着公司产品的不断调整，GE机体产量逐渐不饱和，公司原有产品16V280ZJ柴油机机体产量增加。16V280ZJ柴油机机体在原有的加工刀具和加工工艺下，效率和精度较低，亟待优化。

1. 16V280ZJ柴油机机体气缸孔加工要求

气缸孔加工工序主要完成左右两侧气缸孔平面及平面上各孔、推杆孔平面及平面各孔和顶面及各螺纹孔的加工，有以下特点。

1）加工内容多：该工位需要加工内容如下，机体左右气缸孔平面、16挡气缸孔、16挡推杆孔、64个缸头螺钉孔、64个出水孔及平面上M10、M12及M16等各类型安装螺孔和机体顶面平面及螺纹孔，如图1、图2所示。

图1 气缸孔所在平面位置

图2 气缸孔平面俯视

2）加工精度要求高：气缸孔上孔的圆柱度为0.013mm，上下孔的同轴度为φ0.04mm，孔的中心位置度相对于主轴孔1、9挡（见图3）的中心线位置度要求为φ0.12mm，气缸孔安装面的表面粗糙度值Ra＝1.6μm，如图4所示；M45缸头螺栓孔深度为155mm，如图5所示，左右侧气缸孔中心线与主轴孔中心线的夹角为50°±5′（见图1）。

图3 第1、9挡主轴孔位置

图4 气缸孔剖视

图5 缸头螺栓孔和水孔

2. 传统加工工艺及问题

柴油机机体为大型箱体类零件，铸铁材料，其内部型腔复杂，筋板结构较多。为了控制在加工过程中加工应力引起的变形，机体气缸孔、主轴孔等余量较多的部位经过粗加工和半精加工后，各平面和内孔的单边只留2mm余量。根据工序安排，加工机体气缸孔工序前，机体底平面、侧面基准边及主轴孔已经完成精加工。

传统的加工工艺选用加工中心和摇臂钻床，使用25°斜垫（见图6），经过多次翻身装夹，在加工时，借助25°斜垫，将机体左右侧气缸孔平面翻转后，使得机体气缸孔平面处于水平方向，利用机体前道工序已加工完成的机体底平面及侧面的基准边来定位。虽装夹稳定可靠，但不方便，且在吊运和装夹过程中需要将机体多次翻身，存在安全隐患，且由于多次装夹，需要多次校调零点，各部位相对坐标有一定的偏差。

因传统加工方案效率较低，故采用工序分序的原则来提升产能，结合公司实际情况，将绝大多数钻孔使用摇臂钻床加工，具体的工艺流程为：①在龙门加工中心上将机体装夹在25°斜垫（工装）上加工左侧平面、气缸孔和推杆孔，并将左侧安装小螺孔钻定位孔（见图7）。②将机体翻到另一个角度在龙门加工中心上利用25°斜垫（工装）装夹后加工右侧平面、气缸孔和油泵推杆孔，并将右侧安装小螺孔钻定位孔。③加工机体顶面平面，并钻各安装螺孔定位孔。④在摇臂钻床上，用25°斜垫垫平机体左侧气缸孔平面，利用钻模钻攻缸头螺孔并钻铰出水孔，然后根据定位孔钻其他安装螺孔（见图8）。⑤在摇臂钻床上，用25°斜垫垫平机体右侧气缸孔平面，利用钻模钻攻缸头螺孔并钻铰出水孔，然后根据定位孔钻其他安装螺孔。⑥将工件平放在摇臂钻床上，根据定位孔钻顶面安装螺孔。⑦钳工对左右气缸孔平面和顶面上的小安装螺孔手动攻螺纹。⑧检查员测量检查。

传统加工工艺工序较分散，存在以下问题：①加工不完全定位问题，25°工装只限制了5个自由度，X方向的移动未限制，仅依靠压板压紧力固定。②由于25°斜垫工装角度误差产生左右气缸孔轴线夹角误差，两次装夹，两个误差。③机体翻身在25°斜垫装夹时切屑容易掉在定位面上，影响定位精度。④因多次装夹产生装夹误差、装夹变形。⑤用百分表校两头主轴孔，定Y、Z坐标中心零点而产生误差，多次校调，多次误差累积。⑥各螺孔在摇臂钻床上加工，工人劳动强度大，加工效率较低，平面上各小螺纹孔需要钳工手动加工，工人劳动强度大，效率较低，还可能会引起漏攻螺纹。⑦整个加工需要6次定位装夹，吊运和翻身存在安全隐患。且辅助时间过多，加工周期长。⑧目前各企业普遍出现用工荒问题，而传统工艺需要较多有一定技术的熟练工。

图6 机体25°斜垫

图7 加工中心钻螺孔定位孔

图8 摇臂钻床加工螺孔

图9 新工艺一面两销工装

3. 新加工工艺及其优点

在前道工序中，机体底平面上增加两只φ25mm工艺定位销孔，利用机体底平面及两只工艺定位销孔采用一面两销工装（见图9）定位装夹，机体完全定位，装夹稳定可靠且方便。经过试验验证，机体固定后主轴孔零点误差可以控制在0.03mm以内，基本不需要再次调整，可以直接进行加工，减少零点校调时间。

由于机体外形较大，左右对称，气缸孔加工位置较深，最深处为500mm，适合龙门镗铣加工中心加工，能发挥龙门镗铣床镗的优势，公司新科堡龙门加工中心技术参数为：配备可交换式双工作台，单工作台宽2 000mm、长5 000mm，单工作台X轴行程5 500mm，双工作台连起来后长11 000mm，行程12 000mm。Y轴行程4 000mm，Z轴（滑枕）行程1 500mm，W轴（横梁）行程为1 850mm。配备了加工机体用的9个专用附件铣头：两个延伸头，两个直角铣头，一个万能铣头和4个固定角度（22.5°、25°、10°及15°）铣头，两把专用非标气缸孔镗排，可以满足现有机体的加工要求。

统一机体加工基准，根据图样标注，选择后端主轴孔止推面为X向基准，Y、Z都是以主轴孔中心轴线为基准。编程时坐标尺寸也利用以上基准为零点。该工序中，以上道工序加工好的第1、9挡主轴孔中心为基准，加工气缸孔、推杆孔等，保证与上一个工序加工的主轴孔的位置度和左右气缸孔夹角公差。

选择刀具根据产品的产量与加工效率综合考虑，充分利用现有刀具资源，节约刀具采购成本、降本增效；针对加工内容较多且时间较长的工序，要对刀具进行优化，选用镶片式硬质合金刀具和专用的复合刀具以提高加工效率，满足生产节拍要求。

在科堡龙门加工中心上采用一面两销定位方式，一次装夹，采用雷尼绍自动测量机体零点（见图10、图11），使用25°铣头运用机床五面体加工功能能够钻攻气缸孔、油泵推杆孔及气缸平面上各螺纹孔（见图12、图13），使用主轴附件铣头铣削顶面，钻削各螺纹孔（见图14）。

图10 雷尼绍自动测量零点

图12 左侧气缸孔镗孔

图13 右侧气缸孔镗孔

图14 机体顶面加工

图15 气缸孔半精镗刀具

具体步骤如下：①工装校正压装。清洁工装和工作台安装面，上车后先预压紧，再用百分表检测工装平面度和两定位销直线度，保证在0.01mm以内，然后压紧。②机体上车、压装并打零点。将机体底平面清洁干净后进行压装，用0.03mm塞尺检查，要求通不过。先用扳手预压紧后，用300N·m扭力扳手压紧。装直角附件铣头，使用雷尼绍自动测量头，调用测量程序280LD_QGK.MPF自动测量各轴零点（X零点在曲轴止推面上，Y、Z零点为主轴孔中心）。第1、9挡主轴孔中心保证在0.03mm以内。③调用程序进行加工。自动运行程序MPF280QGK_JG.MPF，装25°附件铣头，装面铣刀铣削左右侧气缸孔平面和推杆孔平面；选用气缸孔镗排（见图15、图16）半精镗及精镗气缸孔；气缸孔上孔倒角；推杆孔半精镗及推杆孔精镗；出水孔钻孔；缸头螺孔第一钻；缸头螺孔第二钻；缸头螺孔攻螺纹；用整体硬质合金钻头钻其他小螺孔；小螺孔攻螺纹；机体下车后清洁，进入三坐标在线检测。

新工艺主要有以下优点：①采用在机体底平面上增加两只工艺定位销孔的方法，可以实现一面两销工装的快速定位，限制了工件6个自由度，解决了不完全定位问题及辅助时间长和吊运翻身的不安全因素。②利用雷尼绍自动测量机体零点，解决了人工设定零点产生错误的问题。③定制25°附件铣头（设备必须具有五面体加工功能），利用机床坐标旋转功能加工右侧气缸孔工序内容，完成后附件铣头旋转180°，加工左侧气缸孔工序，保证气缸孔50°夹角误差。④制作铝合金气缸孔专用刀具，采用过定位刀柄装刀，解决了专用刀具过重和上下气缸孔同轴度误差的问题，且提升了加工效率及质量。⑤量身定制出水孔扩孔→铰孔→倒角一体化镶合金专用刀具，缸头螺孔更换专用刀片的刀具（见图17、图18），所有小螺孔使用整体硬质合金内冷钻代替原来的麻花钻，加工效率得到成倍提升。⑥出水孔、缸头螺孔及所有小螺孔都在加工中心钻孔、攻螺纹到位，解决了摇臂钻钻孔和钳工手动攻螺纹工人劳动强度大、加工效率低及加工精度较差等问题，且避免了加工过程中易产生不安全因素和人员短缺的问题。减少了普通设备的数量，充分发挥数控设备的效率和利用率，同时也降低了手工操作的频率，提高了劳动生产率。

图16 气缸孔精镗刀具

图17 缸头螺孔第一钻钻头

图18 缸头螺孔第二钻钻头

4. 结语

工艺优化前后对比见表1。

表1 工艺优化前后对比

工艺方案改进后，机体经过三坐标检测，完全符合图样要求，经过连续多只机体的检测，Cpk值稳定。生产效率提高一倍以上，产品质量也得到了大幅提升，且稳定可靠。一些普通机床加工的零散工序逐步平移至该加工中心，大幅提高了生产质量和生产效率，缩短了生产周期，对柴油机机体的生产起到了至关重要的作用。减少了设备数量和操作工人数量，一个人，一台机床，但是一次性投入较大，对设备功能要求较高。