柴油機機體缸頭螺紋孔加工工藝的研究與優化

萬傳廣 武廣友

【摘? 要】針對240型整體鑄造機體缸頭螺紋孔加工時存在的工件毛坯硬度大、形位公差和精度要求高等問題，采用一系列改進辦法，保證了機體缸頭螺紋孔的高質量加工，且提高了生產效率。

【關鍵詞】柴油機機體;缸頭螺紋孔;加工方法;改進

16V240ZJF型柴油機機體是大連機輛公司自主開發的專利產品，它是D型內燃機車和船用柴油機的主體部分。該機體的整鑄毛坯材質為球墨鑄鐵，體積大，形狀復雜，設計要求精度高，加工難度大。在使用加長麻花鉆和擴孔鉆加工缸頭螺紋孔時，由于麻花鉆剛性不好、材料組織不均勻等因素造成底孔加工軌跡偏移，擴孔鉆無法修正，使缸頭螺紋孔達不到圖紙的技術要求。所以為保證質量，提高效率，對螺紋孔的加工方法進行了改進。

1? 加工方案分析

機體上端V形平面氣缸孔周圍，均勻分布6個深度為150mm的M36*3精密螺紋孔，用于旋入雙頭螺栓固定氣缸蓋和氣缸套。

在加工缸頭螺紋孔時，傳統的加工工藝是：第一步，用φ32加長麻花鉆鉆底孔至150mm深;第二步，用φ38麻花鉆鉆孔至70mm深;第三步，用φ33擴孔鉆擴底孔至147 mm深;第四步，攻M36×3-6H螺紋至138mm深。

從螺紋底孔的加工分析，底孔的大小、孔壁粗糙度、直線度、位置度等等都將會影響到螺紋的最終加工精度。如前道工序加工的底孔位置尺寸偏離量偏大，導致后道工序加工的螺紋刀具與底孔不重合，螺紋刀具的導向性下降，易造成絲錐折斷、夾刀等等。

用麻花鉆鉆孔切削速度低，并且在鉆孔過程中由于孔太深需要反復排屑，造成生產效率低。螺紋孔數量龐大（6x16）造成數控程序十分煩瑣，而且容易出錯，并且程序的通用性不強。

利用復合淺孔鉆代替麻花鉆和擴孔鉆，一次完成螺紋底孔的加工，復合加工是提高加工效率的一個非常有效的手段，該刀具具有高壓冷卻潤滑系統，可將上述鉆擴三道工序簡化為一次連續走刀完成相當深度的高精度和低表面粗糙度的孔加工。但如果采用復合淺孔鉆，由于鉆削動作變得相對復雜和連續，就必須修改加工中心機床的加工程序，采用宏程序編制主程序和鉆削循環CYCLE830，使用變量R參數給循環提供參數。通過修改R參數來增強數控程序的通用性。

2? 改進后的加工方法

2.1? 編寫加工中心機床鉆削加工程序

2.1.1? 編寫帶有保護功能的主程序

在程序編制中，采用了宏程序編制主程序。宏程序是程序編制的高級形式，具有很強的通用性，并且簡單易讀，只需針對各項加工參數所對應的自變量賦值做出個別調整，就能迅速的將程序調整到其他型號柴油機機體缸頭螺紋孔的加工。主程序中部分參數如下：

該主程序將螺紋孔的坐標尺寸用最短的程序段表示出來，從生產實際情況反映，編寫的程序相對比較簡潔，具有很好的易讀性和易修改性。在主程序中編制了檢驗坐標值語句，如果其中某一數值在編輯過程中輸入了一個錯誤的數值，則產生一個故障信息，并且中斷該程序的執行，大大降低了機床碰撞和加工錯誤的可能性。

2.1.2? 程序運行前的模擬測試

為了使編制的程序能安全運行，在機床中對編制的主程序和鉆削循環進行模擬。首先，設定模擬相關參數，然后，對程序進行模擬，檢驗坐標值是否正確，刀具運行的軌跡是否合理，如果R參數輸入錯誤，模擬軟件會及時報警，提示報警信息，編程員就能根據信息查找故障并做出修改。

2.2? 改進螺紋底孔的鉆削刀具和加工工藝

2.2.1? 復合淺孔鉆的改進

根據圖紙要求德國刀具商提供的標準復合淺孔鉆參數如下：刀體直徑為30mm，刀桿總長230mm，排屑槽為10°螺旋槽。切削參數為 n=960r/min，F=220mm/min（f=0.229mm/r）切削速度為99.475m/min，但是在試切過程中因刀體直徑明顯小于底孔直徑、刀桿長排屑不暢，切削刀尖的切削阻力經由刀桿傳遞到主軸，使刀桿承受彎曲力矩，最終刀桿產生撓曲，造成加工尺寸的誤差和切削顫動，影響螺紋底孔的質量。

根據多年的用刀經驗，向刀具供應商提出了刀具的改進方案，將φ33mm與φ38mm之間的刀體直徑改成略小于φ33底孔，刀桿總長改為190mm，排屑槽改為直槽，改進后的刀具排屑順暢，減少了刀桿所承受的力矩和切削阻力，防止及消除了刀桿的撓曲和顫動的發生。

2.2.2? 復合淺孔鉆的切削參數的設定

按照刀具供應商提供的切削參數加工螺紋孔時，出現了刀具使用壽命短的問題。對毛坯的鑄造質量（硬度、雜質、縮孔等），刀具的材質及切削產生熱量的原因進行了分析，發現在復合鉆切削過程中，由于切削溫度的驟然升高，會直接影響到刀具壽命。

從切削加工的理論推理：切削速度Vc的影響最大，Vc增加一倍，切削溫度約增加32﹪;進給量f影響其次，f增加一倍，切削溫度約增加18﹪;Vc增加使摩擦生熱增多，f增加因切削變形增加較少，故熱量增加不多。此外，使刀面與切屑接觸面積增大，改善了散熱條件。根據這一理論分析，使用逆向思維推理，采用降低復合鉆加工中的切削速度Vc，提高加工的進給量f，就可以降低復合鉆加工中的熱量。

在實際操作中，將切削參數設定為n=800r/min，F=276mm/min（相當于f=0.345mm/r），切削速度為82.896m/min，為了保證位置精度，又將進給量由原來恒定的0.345mm/r改為在開始15 mm階段減小為0.12mm/r，然后再加大到0.345mm/r。經過生產測試表明，刀片的耐用度有了很大提高。

2.3 切削液的合理使用

鉆孔時使用MCT_1型冷卻液，按9%的配比量進行配制，為了提高底孔的加工質量和刀具壽命，必須使用內冷卻液，使切削液及時滲透到刀刃上，消除由于變形及摩擦所產生的熱量，抑制積屑瘤的生成，減少刀刃及支撐的摩擦磨損，保證刀具在切削區的高溫下保持良好的潤滑狀態，使切屑能順利排出，進一步降低工件的加工表面粗糙度值。

在攻絲時使用與MCT_1型冷卻液同一個公司生產的MCT_3型極壓切削油，該切削油不僅抗擠壓性能好，而且具有溶水性的特點，在完成攻絲后所產生的余油可以彌補機床冷卻液中切削油的損失量，防銹性能好，且對機床不會造成污染，可實現清潔生產。

3? 結語

綜上所述，由于采用了宏程序編制主程序，提高程序的通用性，對復合淺孔鉆的改進和切削參數的設定等方法，加工整臺機體缸頭螺紋孔可減少加工時間達6.1小時，且完全保證圖紙規定的尺寸、精度和各項技術要求。

參考文獻：

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[2] 杜軍.輕松掌握SIEMENS數控系統參數編程[M].北京：化學工業出版社，2013.

（作者單位：中車大連機車車輛有限公司柴油機公司）