改進刀具解決NY320柴油機機體加工難題

■ 四川中車玉柴發(fā)動機股份有限公司 （四川資陽 641300） 方 園

NY320柴油機是我公司自主研發(fā)的大功率中速船用發(fā)動機，填補了我國單缸功率超500kW的中速大功率柴油機空白。機體作為整個柴油機的骨架，是柴油機的關(guān)鍵零部件。柴油機上的運動件、固定件及輔助設(shè)備都安裝在其內(nèi)外四周，機體加工質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響到柴油機的裝配和使用性能。因此，提高機體的加工精度，保證機體加工質(zhì)量穩(wěn)定的同時提高生產(chǎn)效率，制定合理的工藝方案尤為重要。

1. 機體加工路線的確定

（1）機體圖樣分析及關(guān)鍵尺寸 NY320柴油機機體毛坯由球墨鑄鐵QT400-15鑄造而成，質(zhì)量約18t，氣缸直列式分布，機體外形尺寸：長×寬×高為5 730mm×1 297.5mm×1 761mm，因柴油機負(fù)荷較重，采用機體底面低于曲軸軸線的龍門式設(shè)計以提高機體強度。主油道鑄造成型，橫向支油道深孔需加工獲得，所有油道必須進行水壓密封試驗，檢查是否存在鑄造缺陷。主軸承蓋通過貫穿螺栓，使用專液壓拉伸器固定在機體上，需加工貫穿機體座面和頂面的深孔。機體關(guān)鍵部位如主軸孔座面、瓦口面、地腳螺栓面及缸頭螺栓孔等區(qū)域需進行磁粉或超聲波探傷。其主要加工尺寸見表1，要使這些關(guān)鍵尺寸達到圖樣要求，工藝設(shè)計時要堅持基準(zhǔn)先行、先面后孔、先粗后精和基準(zhǔn)統(tǒng)一的原則，同時充分考慮加工中設(shè)備、工裝、刀具及裝夾的影響。

表1 機體主要加工部位及尺寸

（2）加工工藝路線 機體作為箱體類薄壁零件，需要在多個面完成銑、鏜及鉆等工序的加工，工序安排上要避免加工應(yīng)力引起的機體變形，保證其加工精度不發(fā)生變化。首先，將機體加工工序分為粗加工和精加工兩個階段，通過粗加工去除機體毛坯的加工余量，減少精加工中由于熱變形引起的加工誤差。其次，精加工前對機體進行振動時效處理，進一步釋放機體鑄造及粗加工切削中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，確保各孔和面的幾何公差在精加工時處于穩(wěn)定狀態(tài)。

設(shè)備選用方面要結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場實際加工能力，合理選擇設(shè)備，既能保證零件加工精度，又能提高生產(chǎn)效率。粗加工階段的工序由于加工尺寸要求不高、毛坯切削量大，安排在普通龍門銑床、鏜床進行，既能保證生產(chǎn)進度，又能降低加工成本。精加工階段由于機體孔、面尺寸及幾何公差要求高，工序相對集中，安排在大型龍門數(shù)控加工中心或臥式鏜銑加工中心進行加工，充分利用加工中心質(zhì)量穩(wěn)定且高效的特點，在一次裝夾中同時完成多個相關(guān)聯(lián)孔和面的加工，提高加工精度和加工效率。

綜合以上分析，制定NY320機體的加工工藝流程為：劃線→粗銑頂?shù)准皟蓚?cè)面→粗刨瓦口→粗銑兩端面→粗鏜主軸孔、粗銑開擋→粗銑頂面、粗鏜凸輪孔→粗鏜缸孔→探傷（超探和磁探）→鉆底面及主軸螺栓孔→鉆橫向油孔及兩側(cè)面螺孔→機體振動→機體壓水→精銑瓦口、缸面→裝配主軸承蓋→精鏜主軸孔、精銑過輪孔面→精鏜缸孔→鉆缸面各螺孔→鉆兩端面各孔、鏜凸輪孔基準(zhǔn)孔→鏜凸輪孔、精銑泵孔面、鏜泵挺桿孔→三坐標(biāo)計量→拆主軸承蓋→缸頭螺栓孔倒角→鉗工攻螺紋、去毛刺→清理切屑→打磨主油道→清砂清洗→防銹交出。

圖1 機體深孔加工示意

2. 機體主要加工難點分析

（1）機體主軸螺栓孔及橫向油道孔加工 NY320機體的主軸承蓋通過螺栓及螺母固定在機體上，主軸螺栓孔貫穿機體接通缸面，從主軸承座面到缸面距離為1 231mm，孔徑為φ55mm，中間部位靠近油道處孔徑為φ52+0.046+0mm，表面粗糙度值要求Ra＝3.2μm。橫向油道孔需從兩側(cè)面接通，深度尺寸為1 295mm，孔徑為φ39mm，如圖1所示。

以上兩種孔是長徑比＞5的深孔且對于位置度及孔徑有較高要求。深孔加工中一般采用槍鉆，但由于該機型每擋都要加工主軸螺栓孔及橫向油道深孔，槍鉆切削速度慢、效率不高，生產(chǎn)進度可能無法保證。同時，現(xiàn)場沒有槍鉆刃磨設(shè)備，槍鉆的返修、刃磨難度大。在實際加工中，通過現(xiàn)場工藝試驗，我們決定采取深孔鏟鉆加工方案。深孔鏟鉆由鋼制的刀桿和可換刀片組成，加工效率比槍鉆高。刀桿采用側(cè)固柄，冷卻水通過刀桿內(nèi)部孔直接冷卻刀片。刀片采用中間定心雙刃切削的對稱結(jié)構(gòu)，通過螺釘固定在刀桿上，在一定范圍內(nèi)通過更換刀片滿足不同尺寸孔的加工要求。φ55mm及φ39mm孔孔徑要求不高，使用常規(guī)刀片加工即可。φ52+0.046+0mm孔則需使用精磨刀片加工，其加工孔的尺寸精度可以控制在0.05mm以內(nèi)，同時通過刀片側(cè)面修光刃帶的擠壓，加工孔壁的表面粗糙度值可以達到Ra＝1.6μm，滿足圖樣尺寸及表面質(zhì)量要求。

鉆孔時由兩側(cè)面向中心對接深孔，設(shè)備上我們選用PAMA臥式數(shù)控鏜銑床，利用旋轉(zhuǎn)工作臺保證一次裝夾完成兩側(cè)深孔的接通，其內(nèi)冷壓力也滿足深孔排屑的要求。加工中，根據(jù)工藝試驗驗證的切削參數(shù)，先使用較短的鏟鉆加工，保證孔位置度的同時作為深孔的引導(dǎo)孔，然后依據(jù)鉆深依次更換不同長度規(guī)格的鏟鉆，最終將孔深尺寸加工到位，并使用自制通止規(guī)檢測通過性及尺寸是否合格。

（2）缸頭螺栓孔的加工與檢測 機體缸頭螺栓孔（見圖2）的螺紋部分距離缸面395mm，螺紋長度約110mm。加工過程中出現(xiàn)了部分螺紋孔靠近出口處無螺紋的現(xiàn)象。分析原因時發(fā)現(xiàn)，由于刀桿強度不夠且缸頭螺栓孔出口處毛坯鑄造面不平整，使得底孔鉆通時刀片兩側(cè)受力不均衡，導(dǎo)致出口處底孔鉆偏，因底孔孔徑增大造成攻螺紋后無螺紋牙型。為了避免此問題，在鉆螺紋底孔時首先使用φ45mm鏟鉆加工螺紋底孔，距鉆穿還有20mm時，換普通φ42mm加長麻花鉆頭鉆通，然后再使用φ45mm鏟鉆擴孔接通，修正鉆偏誤差。經(jīng)過多臺機體加工驗證，這種加工方法能夠很好地保證螺紋底孔質(zhì)量，從而確保缸頭螺栓孔螺紋的加工穩(wěn)定性。檢測方面，由于螺紋孔位置過深，制做了專用的M48×3加長螺紋塞規(guī)用于螺紋孔的檢查與質(zhì)量控制。

（3）主軸孔同軸度控制及端面加工 NY320機體主軸孔孔徑為φ302+0.032+0mm，機體按機型不同最多有10擋。圖樣要求全長同軸度≤0.1mm，相鄰?fù)S度≤0.05mm。兩端面對主軸孔軸線的垂直度要求為0.08mm，止推面對主軸軸線軸向圓跳動要求為0.03mm，過輪孔面對主軸孔A－C軸線的垂直度要求為0.03mm。加工過程中為了滿足圖樣要求，選擇在數(shù)控龍門鏜銑加工中心進行加工。利用機床不同的加工附件，在機體仰放方位一次裝夾的同時完成精鏜主軸孔和精銑各面的加工，減少重復(fù)裝夾與找正，有利于保證孔和面的幾何公差要求。同時，裝夾過程中壓緊力不宜過大，避免機體變形導(dǎo)致松開壓板后影響主軸孔同軸度。加工過程中，為了避免設(shè)備精度對主軸孔同軸度的影響，機體首臺加工精鏜主軸孔時需按半精鏜孔→準(zhǔn)直儀計量→修正補償參數(shù)→精鏜孔工序進行。通過參照準(zhǔn)直儀計量結(jié)果，修正機床每擋精鏜孔時的精確定位參數(shù)，起到調(diào)整機體主軸孔全長及相鄰?fù)S度的作用，使得實際加工得到的機體主軸孔同軸度為最優(yōu)值。

（4）機體缸孔加工 機體缸孔（見圖3）分為上缸孔φ402H7mm和下缸孔φ370H7mm，其上、下缸孔軸線對主軸孔軸線A－B的垂直度要求≤0.1mm。若使用臥式數(shù)控鏜銑床主軸加工缸孔，由于上、下缸孔需分開鏜孔，對機床重復(fù)定位精度要求高，生產(chǎn)效率低。同時主軸伸出長度過長對缸孔軸線會產(chǎn)生影響。因此，考慮制作組合鏜刀在數(shù)控龍門加工中心加工缸孔。加工過程中，首先試鏜缸孔，然后使用加長找正桿測量加工缸孔中心與機體主軸中心的偏差，進行機床零點修正，減少附件及找正誤差，然后使用組合缸孔鏜刀同時進行上缸孔和下缸孔的加工，保證上下缸孔軸線對主軸軸線的垂直度要求。減少換刀輔助時間，提高加工效率。缸孔φ465mm沉臺面可使用銑刀盤通過銑圓加工的方法，合理選用切削參數(shù)，來滿足圖樣要求。

圖2 缸頭螺栓孔加工

圖3 組合鏜刀及缸孔加工

3. 結(jié)語

通過對機體加工工藝的分析，確定了工藝難點，通過合理的加工方案及工藝流程，改進刀具，順利實現(xiàn)機體加工試制，機體主要尺寸的三坐標(biāo)計量結(jié)果滿足圖樣要求，為柴油機研制成功打下了基礎(chǔ)，也為今后其他大功率中速柴油機機體加工積累了經(jīng)驗。