機車用EMD265型柴油機氣缸蓋劃線創新及工藝優化

陳仁平

(中車大連機車車輛有限公司，遼寧 大連 116021)

0 引言

柴油機以其效率高、結構緊湊、機動性強、運行維護方便成為熱能機械的首選，在很多領域發揮重要作用。265型柴油機牽引力大，能承受高原等惡劣氣候條件[1]，是列裝高原車的柴油機主力機型。氣缸蓋內輸入的氧氣在燃燒做功時，火力面要承受2 000℃以上的高溫，工作壓力達6～8 Mpa[2]，機車大修時拆卸下來的氣缸蓋，工作表面燃燒成碳黑色，因而對其各加工孔和表面的加工精度和形位精度要求格外嚴格。本文通過對氣缸蓋劃線發現的一些鑄造工藝問題進行改善，并對劃線進行創新，規避工藝缺陷帶來的廢品風險，同時對加工工藝進行討論，并對圖樣設計提出合理化建議。

1 劃線難點分析

1)由于氣缸蓋(見圖1)為復雜箱體類零件，腔體較復雜，鑄件用鐵水在高溫高壓作用下，注入型腔中，由于壓力產生的氣體很難排出，極易產生材質疏松，因此，存在一定的廢品率。為了改善4個導管孔部位部分材質疏松的工藝缺陷，在鑄件中加入4根碳棒，以平衡冷卻速度，降低廢品率。碳棒的直徑不能太小，否則作用不大，因此在劃線時，應格外仔細查看毛坯表面，有無材質疏松的跡象或不平常的表面，以免造成不必要的刀具消耗和工時浪費。

2)四個氣門孔在加工完成后，閥座孔底面圓周，相對于閥座底面氣道毛坯表面，在圓周上各處尺寸是否均勻，是打火后閥桿工況的關鍵。

3)如果基準選擇不當，在高溫高壓作用下，極易造成火力面產生漏氣漏水，而使氣缸蓋無法工作或功率降低。

4)氣缸蓋的毛坯孔和加工面很多，且有很高的尺寸精度和位置精度，鑄造誤差導致加工余量不足，給劃線帶來了一定的困難。

圖1 EMD265型柴油機氣缸蓋的成品圖

2 機車用EMD265型柴油機氣缸蓋劃線先進操作法的確立和創新

劃線是機械加工的重要工序，是測繪毛坯幾何形狀，檢查尺寸偏差，確定加工基準和尺寸界限，對誤差不大的毛坯通過借料劃線，使加工后的零件仍能滿足設計要求，是提高產品合格率的方法之一。

劃線在機械加工中的作用如下。

1)確定工件的加工余量，使機械加工有明確的尺寸界限。

2)便于復雜工件在機床上的安裝，可按劃線找正定位。

3)能夠及時發現和處理不合格毛坯，避免加工后造成損失。

4)采用借料劃線，可使誤差不大的毛坯得到補救，使加工后的零件仍能滿足設計要求。

在設計劃線工藝和創立劃線先進操作法時，根據生產形勢和設備使用飽和度，以及加工工藝必須達到滿足設計技術要求的各項精度，在本文可選擇2種劃線方案。方案1如表1所示。

表1 加工工藝及使用設備確認表

2.1 劃線工藝設計方案1詳解

2.1.1 一次劃線

將氣缸蓋頂面用3個可調千斤頂支持在劃線平臺上，以火力面為第一劃線基準，底面氣門座的4個腔口和表面清砂口作為劃針入口，用自制的彎頭弧面劃針鎖在劃線盤上，探入腔內，磨取隔板內表面，使隔板內表面上各點處在同一平面內，對準測高尺零線，確定零點。使用另一個鎖有直桿尖頭劃針的劃線盤向上+12 mm，劃出底面的加工界線，松開劃線盤的鎖緊螺母，將劃針向下拖-228 mm，鎖緊劃針后，劃出頂面的加工界線和檢查線。

2.1.2 粗銑底面

由龍門銑床完成工序，龍門銑床銑削的優點如下。

1)采用刀盤銑削，刀盤做旋轉運動，工件做直線進給運動。相對于數控立車車削，龍門銑床的刀盤直徑小，轉速可以更快，效率更高。

2)由于是刀盤切削，一個刀盤安裝多個刀片，每個刀片在切削中承受的切削力，比一把車刀要小得多。因此，刀尖的熱透性會降低，刀具的磨損會得到極大的改善。

3)采用液壓夾緊裝置，自動化程度高，操作簡單，夾緊可靠。

4)可一次性裝夾1個或多個氣缸蓋，減少輔助時間，提高加工效率。

龍門銑床裝夾方式的確定：龍門銑床加工底面，將粗車完成的氣缸蓋頂面放在龍門銑床的工作臺面上或夾具體上，在氣缸蓋4個側面選擇4個清砂孔作為受力點，通過液壓傳動裝置，使勾爪牢固的壓在受力點上。限制缸蓋六個自由度，啟動按扭開關，電路接通，通過電機旋轉使油缸做功，經過油壓將液壓能轉變為機械能。勾爪工作，夾緊在缸體上。啟動切削按扭，進入切削，完成切削后，按下關閉按扭，電路斷開，壓力消失，勾爪松開，完成本工序的加工。

2.1.3 二次劃線

以粗加工完成的頂面垂直于基準平面，分別側立和直立放置在3個可調千斤頂上，以氣門孔中心線為劃線基準并延長至缸蓋的4個表面上，在缸蓋頂面劃出上、下各30 mm尺寸線，以此圍成的60 mm正方形尺寸界限加工完成的孔，加工后達到一定的尺寸精度成為工藝孔，作為以后各工序的定位基準。

此方案龍門銑床加工平面的效率較高，但需要二次劃線，根據生產形勢和車間的設備運行情況，并對劃線工藝設計進行創新，本文所設計的加工工藝和創立的劃線先進操作法采用方案2，即一次劃線完成劃線工序。方案2如表2所示。

表2 加工工藝及使用設備確認表

2.2 劃線工藝設計方案2詳解

基準的選擇對劃線十分重要，如果基準選擇不當，后面的劃線無法進行。由于氣缸蓋惡劣的工作條件，以及火力面所承受的高額負載，劃線第一粗基準應選擇火力面作為第一劃線基準。

2.2.1z方向劃線尺寸的確定

用3個可調千斤頂將氣缸蓋毛坯支持在劃線平臺上，底面向上，大致將其處于水平位置，以火力面為第一劃線基準，用自制的彎頭弧面劃針鎖在劃線盤上，通過4個氣門孔底面的側孔及側面清砂孔探入腔內，用劃針前端弧面磨取隔板內表面，磨出高點，使缸蓋隔板內表面各點處在同一平面內，把劃針順暢地從所探入的各孔中取出，對準測高尺鎖定零線，確定零點。使用另外一個直桿尖頭劃針鎖在另一個劃線盤上，向上+12 mm確定火力面的加工界限。松開鎖緊螺母，再向下拖劃線盤上的劃針，鎖定尺架-228 mm的位置，劃出氣缸蓋的高度尺寸界限；再檢驗65 mm平面的高度尺寸和73.66 mm的锪平尺寸的加工余量是否合理。

2.2.2x、y方向坐標尺寸的完成

這里須考慮預后，就是在找正缸蓋時，由于鑄造的偏差，導致導管孔、氣門孔及其他毛坯孔的位置發生改變，造成加工時余量產生不足，所以在劃線時憑借積累的經驗，對可能的結果進行正確的預判。

機車用EMD265型柴油機氣缸蓋創新劃線先進操作法的先進性如下。

1)第一劃線基準的合理確定，保證火力面隔板厚度均勻且不小于設計尺寸，使得火力面各處承受足夠相等的壓力，以避免因某處隔板厚度過低造成壓力集中，導致其強度不足而產生漏氣漏水等慣性質量問題的發生。

2)采用自創的“坐標平移與旋轉借料法”劃線，使一定尺寸誤差范圍內的毛坯，加工后仍能滿足設計要求，成為合格品。

3)自制劃針等附件，改造劃線工具，提高劃線質量，使劃線作業省時、省力、快捷、準確。

3 加工工藝設計

機械加工工藝規程是指比較合理地在各種機床上，用切削加工的方法，將加工零件的工藝過程確定下來，寫成作為施工依據的文件。

根據氣缸蓋的結構特點、難點分折以及滿足設計的技術要求，結合生產形勢及設備使用情況，確定如下設計方案。

3.1 加工工藝及使用設備確認表

表3為加工工藝及使用設備確認表。

表3 加工工藝及使用設備確認表

3.2 工藝詳解

3.2.1 粗、精車頂面及工藝孔

3.2.2 粗車底面

從圖樣設計的技術要求上看，對底面的加工精度要求不高，與頂面的尺寸精度為(240±0.2) mm，粗糙度為Ra3.2 μm，使用數控立車完全能滿足設計要求。但在以后的工序中，需要以頂面和工藝孔為定位基準，所以在此工藝中，加工底面時，應有內控尺寸精度要求。如將底面到頂面的距離設定為(240±0.05) mm的既定尺寸，以保證后面工序孔系的深度方向的尺寸精度。

3.2.3 加工周邊

3.2.4 加工頂面孔系

以加工完成的底面及周邊平面和孔作為定位基準加工頂面孔系，在氣缸蓋加工過程中，每道工序都是成品加工，但應該特別注意導管孔的加工，導管孔與閥座孔有相應的同軸度和跳動量的形位精度要求，由于加工設備的精度限制或加工定位的誤差不可避免的存在，導管孔理想的加工方法是只進行至半精加工，而精加工留給加工底面孔系時進行。噴油器孔是由多個尺寸構成的臺階孔，貫通整體氣缸蓋，而臺階孔各尺寸之間有很高的同軸度或跳動量等形位精度要求。在半精加工和精加工時，盡量選用強度和剛度高的復合刀具加工。

在進行導管孔的加工時，由于鑄造工藝中，為了改善4個導管孔位置的材質疏松，在此位置處放置了4根碳棒，以改變冷卻速度而達到減少材質疏松的鑄造缺陷，降低廢品率。由于鑄造過程中，會產生一定的尺寸偏差，可能會造成鑄造毛坯孔位置尺寸誤差較大，導致加工余量不足。另外，由于碳棒等填充物與缸蓋主體不是同一體，材料不同，材質硬度也同理相應不同，使得粗加工進行鉆削導管孔時，很容易隨主體毛坯孔發生移位，產生偏斜，影響后續加工的尺寸精度和形位精度，所以，粗加工導管孔時，應保留足夠的加工余量，同時使用擴刀和鏜刀進行半精加工，先用擴刀，再用鏜刀，以矯正導管孔的坐標位置偏差，使精加工后的導管孔，能夠達到設計要求的尺寸精度和形位精度。

3.2.5 加工底面孔系

定位基準為頂面和周邊的面或孔，此工序為氣缸蓋加工中的關鍵工序。4個閥座孔與導管孔有同軸度和跳動量的要求，而且精度很高，通常在半精加工和精加工中采用復合刀具。因為265型氣缸蓋材料綜合機械性能較高，導管孔長度在120 mm左右，使用鏜刀加工，刀片磨損較快，整個過程不能持續地高精度加工，導致導管孔圓柱度無法滿足精度要求。最佳方案是采用鉸刀精加工，為使導管孔與閥座孔的尺寸精度和形位公差滿足設計要求，先使用復合鏜刀對兩孔進行半精加工，再使用精鏜刀鏜削導管孔，但應保留0.06 mm左右的加工余量，且前端加工深度為10 mm左右，以此作為精鉸刀的導向孔，最后再用復合鏜鉸刀精加工閥座孔與導管孔來保證加工精度。

3.2.6 一次清洗

將鑄造過程遺留的砂粒和加工后的剩余鐵屑以及切削液殘留清洗干凈。

3.2.7 打磨清砂

對加工過程中產生的棱邊、毛刺以及氣道內腔在鑄造時殘留在表面上的冷渣及痕紋進行打磨光整，表面應無劃痕。

3.2.8 二次清洗

由鉗工和專檢人員將氣缸蓋表面及水腔與氣道內部所有表面清洗干凈，確保無遺漏以保證缸蓋清潔度，而使零件順利裝配。

氣缸蓋進行高壓試驗，鉗工裝配螺堵，鑲配氣門座，再進行低壓實驗，最終數控立車對底面進行一次精車后，清理光整表面及涂面漆，交檢驗收。

4 加工過程的討論

4.1 加工基準的確定

氣缸蓋的加工基準，都是經過劃線確定進行加工的，機床按劃線找正、裝夾進行切削。由于鑄造過程中，毛坯會產生一定程度的誤差，最終將會積累到孔的坐標位置及孔的內表面形成較大誤差，造成加工余量的不足。由于氣缸蓋的噴油器孔、閥座孔與導管孔貫通缸蓋，而使用的刀具長度較長，同時，切削余量不均勻，導致刀具剛性不足，這兩種情況在氣缸蓋加工中出現，很難準確判斷產生質量問題的原因是由哪種情況造成的。建議在圖紙設計時，在不影響缸蓋質量的前提下，應合理分布幾個作為定位基準的部位，這些劃線和加工的定位基準由鑄造單位完成，而加工單位所有工序盡可能使用這些鑄造部位的基準完成后序加工。這樣，在加工后出現相應問題時，能夠快速判斷質量問題的原因，由相關單位進行工藝改善，可節省很多異常處理時間，節省人力成本。此外建議：可在底面的毛坯表面鑄造出一個大圓盤，作為粗加工的基準，以利于立車裝夾找正之需，避免在進行劃線工序時，空間翻轉氣缸蓋，進行立體劃線，這樣在進行第一劃線位置時，就能完成所有劃線工序，消除翻轉氣缸蓋時產生的安全漏點，杜絕安全隱患，節省劃線工時。

4.2 加工頂面和底面孔系的夾具設計

4.2.1 裝夾方式確立

加工頂面和底面孔系時，氣缸蓋夾具的裝夾方式一般采用背負式夾具或構架式夾具2種形式。

4.2.1.1 背負式夾具

加工頂面和底面孔系時分為2次裝夾，此種裝夾方式可在加工坐標行程有限制時，縮短刀具長度，背負式裝夾。可根據自身設備，產量，工裝刀具投入等情況，將一套工裝設計裝夾1～4個相同工序或不同工序的氣缸蓋。夾具前后和左右方向各裝夾頂面或底面加工工序的氣缸蓋[4]，利于不同生產形勢的生產平衡，可減少通用刀具的數量，能降低加工的早期投入成本，可加工氣缸蓋部分或全部周邊部位。

4.2.1.2 構架式夾具

氣缸蓋裝夾后，頂面和底面的加工部位通過設備工作臺旋轉180°來完成，可有效提高兩面加工部位相互間的位置精度。但只能加工頂面和底面的孔系，無法加工其他表面或部位的孔和面，工序較為集中，換刀次數多，設備工作臺旋轉次數頻繁，不利于效率的提升。而使用相對稍大型的臥式加工中心加工時，氣缸蓋須放置在工作臺中間部位，增加了所有加工刀具的長度，也等同于相應地增加了刀具的投入成本。刀具加長，剛性相應就會減弱、降低，甚至無法達到設計所需要的精度，由于加工頂面、底面孔系所涉及的孔或面數量較多，刀具數量較大，相應的，臥式加工中心配置需要提高，需要使用較大數量的刀庫，造成設備投入成本加大[5]。

4.2.2 定位方式

定位方式簡單地分為孔定位和面定位。

孔定位:定位精度較高，但是一般選定的工藝孔，相對于氣缸蓋的體積而言很小[6]，會造成氣缸蓋在裝夾、拆卸過程中的操作需要格外謹慎，否則容易碰傷或劃傷定位孔，影響后序的定位精度[7]。

面定位:定位面積大，在氣缸蓋裝夾、拆卸過程中容易操作，但在各工序夾具設計時，應注意定位位置的統一，以減少因定位誤差對加工精度造成的影響。

5 對EMD265型船用柴油機氣缸蓋的特別建議

EMD265型船用柴油機氣缸蓋(見圖2)相比機車用柴油機氣缸蓋，在進氣道上多了一個安裝示功閥的孔，而孔的軸線與進氣道端面和頂面分別成76°與74°的夾角。經箱體翻轉立體劃線，在直角坐標系中，毛坯表面由于鑄造過程中產生的位置誤差，導致55 mm尺寸處嚴重超差，由孔距60 mm經三角函數換算后制成劃線樣板，對齊安裝示功閥孔的軸線及斜面的加工界限，經對比得出結論:由鑄造工藝產生的誤差，導致有一個固定示功閥的M12螺紋孔鉆透，盲孔變通孔，誤差的程度已超出借料的范圍，無法進行借料劃線完成補救。建議圖樣設計時，55 mm處尺寸表面不應與進氣道端面垂直，而應該與安裝示功閥的孔軸線平行，此處的改進，相當于延長了示功閥外表面的長度，使之得到改善。

圖2 265型船用柴油機氣缸蓋的成品圖

6 預后理論

預后理論是指根據經驗預測一種事物的發展過程和后果。

由于預后是一種可能性，它既包括判斷的特定后果，也包括進行時的過程。

2 000多年前“西醫之父”希波克拉底撰寫過論文《論預后》，他認為要通過臨床觀察和分析來判斷疾病的預后。

同理，在劃線操作過程中，特別是立體劃線，由于毛坯在鑄造、鍛造、焊接過程中產生的尺寸誤差和位置誤差，在進行一個坐標方向的劃線時，要通過工作過程中積累的經驗，預判第二、第三個坐標方向進行時的過程和結果的準確性，消除其他尺寸的干擾，保證主要精度尺寸的正確性，以滿足設計要求，舍次求主。因此，在劃線過程中，不是對照圖紙，機械地把線條劃出來，而是要讀懂圖紙，考慮尺寸精度、形位精度等諸多因素，用預后來規避產生廢品的潛在風險。

7 精益生產

精益生產是指運用多種現代管理方法和手段，以社會需求為依據，以充分發揮人的作用為根本，有效配置和合理使用企業資源，最大限度地為企業謀取經濟效益的一種新型生產方式。

現階段，國內一些管理先進的國有企業，在進行現代企業制度的運作中，都引進和總結并發展了這套先進的管理方法，以求提升自身的管理水平并加以推廣。

企業搬遷新廠區后，按工藝流程將分散的加工單元集成，由劃線平臺、數控立車、機械手、加工中心、搖壁鉆床等組成智能生產線[8]，由單件流線加工單元和單件裝配加工單元組成的單線流線體系，推進以工位制節拍化流水線生產為核心的精益制造模式，與物流配位系統、制造過程管理、工藝設計管理等高度集成的企業管理層，形成企業高、中二層管理體系。由車間調度人員下達生產指令，經Mes確認，采用拉式生產方式，建立連續作業的流，生產實行準時制。由庫房根據Mes指令，將毛坯送至劃線平臺，劃線完成工序后，由機械手傳至下一工序，序序相傳，實現無縫對接，完成節拍生產，直到產品清潔、檢查驗收、列單入庫、出庫裝車、準入準出。推動工位化倉儲、準時化配送，達到以現場工位為目的的快速響應機制的形成，保障產線高效運行的管理機制、指標體系和評價標準。閑時，工裝清理、清洗涂油、入庫封存。符合整理、整頓、清掃、清潔、素養5S標準，全員參與改善，全力打造具有典型機車制造特征的智能制造工廠。

現代企業在構筑好產品和業務層面上的硬實力之外，夯實價值創新機制行為規范和提高企業文化等軟實力越發重要。在萬物互聯時代，軟實力不僅是產業實現轉型的關鍵，更是企業走出去的“通行證”。企業管理未來走向是數字化時代的要求，數字化時代組織管理的3個關鍵詞是賦能、共生、協同。

8 結語

通過不斷創新和實踐，此工藝已形成穩定的產品流程。各部分的加工精度和技術參數均滿足設計要求，完全實現了國產化，為以后各型號氣缸蓋的加工流程提供可借鑒的模板。同時，劃線創新先進操作法和預后理論也得到推廣和詮釋。通過精心打磨自己的技能，逐步完善智能化生產體系，大幅提高了生產管理水平和生產效率，實現了企業管理精益化。