某型柴油機機體缸孔加工技術研究

（河南柴油機重工有限責任公司，洛陽471039）

某型柴油機機體缸孔加工技術研究

李瑞杰，郭宗博

（河南柴油機重工有限責任公司，洛陽471039）

針對某型直列6缸柴油機機體缸孔加工質量問題進行工藝技術研究。介紹了該零件在生產(chǎn)中存在的主要工藝技術問題，從工藝角度進行了詳細的原因分析，提出了具體的工藝改進措施。

1 引言

機體是柴油機的關鍵重要零件之一，其加工質量將直接影響柴油機的可靠性、耐久性和經(jīng)濟性。例如缸孔加工不合格將降低柴油機的燃燒性能，甚至造成拉缸等事故。

某型直列6缸柴油機是我公司較早引進專利技術開發(fā)的成熟產(chǎn)品，多年以來贏得了用戶的好評。但其機體缸孔的加工質量一直不太穩(wěn)定，返修率較高、質量隱患較大。究其原因，主要是因為缸孔加工工藝沿用的是多年前根據(jù)當時設備條件而采取的加工技術。目前，公司設備條件不斷改善，人員素質越來越高，這一切為提高機體缸孔加工工藝水平創(chuàng)造了較好的條件。

本文就該問題從工藝角度進行分析、研究，并提出提高加工質量的解決途徑。

2 機體缸孔質量問題的工藝分析

2.1 缸孔加工技術要求

圖1為某型柴油機機體缸孔加工技術要求示意圖（其中A-B為機體曲軸孔中心線）。圖中缸孔為臺階孔，各部位直徑見圖1。其中最上與最下兩臺階孔徑精度為IT7，粗糙度Rz10，圓柱度為0.012 mm，對曲軸孔中心線垂直度φ0.03-0.05 mm；缸孔止推面至曲軸中心距離為（557±0.02）mm，對缸孔中心跳動0.02 mm，粗糙度Rz8。

圖1 機體缸孔加工技術要求

以上技術要求對柴油機來說十分重要。缸孔止推面到曲軸孔中心距離超差或缸孔對曲軸孔中心線垂直度超差將改變柴油機壓縮比，降低燃燒性能，甚至會造成活塞與氣閥的干涉；缸孔尺寸或形位公差超差將使缸套受力不均而產(chǎn)生有害應力，嚴重時造成拉缸現(xiàn)象[1]。

2.2 缸孔原加工工藝簡介

該型柴油機機體工藝設計時由于受加工車間可供利用的數(shù)控設備的數(shù)量及參數(shù)限制，缸孔的精加工工序安排在安裝軸承蓋之前進行。機床為臥式加工中心，夾具為立式夾具，定位方式是以底面及其上兩定位銷孔定位，使零件與回轉工作臺呈直立式狀態(tài)（見圖2）。

圖2 機體缸孔加工原工藝簡圖

加工時，缸孔深度Z方向按夾具支承面找準并設為編程零點，水平X及高低Y方向按夾具圓定位銷找準。根據(jù)對以往檢驗報告分析，該工藝方案造成的質量問題主要有以下三項：（1）缸孔止推面至曲軸中心距離超差；（2）缸孔對曲軸孔中心線形位公差超差；（3）缸孔孔徑尺寸超差。

從工藝執(zhí)行情況看，缸孔止推面至曲軸中心距離超差情況最嚴重，由此而引起的機體返修現(xiàn)象也最嚴重。在不得已情況下，在入庫前增加了刮研氣缸孔止推面工序，但返修質量及生產(chǎn)效率都很不理想。另外，缸孔對曲軸孔中心線形位公差超差也較常見。該指標包括缸孔對曲軸孔的垂直度、位置度等形位公差，其中以垂直度超差最常見。

2.3 缸孔加工質量問題原因分析

從上面敘述可以看出，以上加工方法對機體缸孔加工的不利影響為：工藝流程對缸孔質量的影響、定位夾具對缸孔質量的影響和加工刀具對缸孔質量的影響。下面就這些影響分別說明。

2.3.1 工藝流程對缸孔質量的影響

原工藝對缸孔加工工序安排在軸孔加工之前進行，此時軸承蓋尚未安裝，主軸孔還沒加工。為保證缸孔止推面到曲軸孔的尺寸精度，只好采取了收緊尺寸鏈的各組成環(huán)公差的辦法來解決該問題。圖3為缸孔加工尺寸鏈計算簡圖。

圖3 加工尺寸鏈計算簡圖

加工缸孔時原工藝流程是先以底面定位加工缸孔止推面，保證工序尺寸A1；再以底面定位加工曲軸孔，保證工序尺寸A2，從而保證最終缸孔止推面到曲軸孔中心尺寸N的。N為封閉環(huán)尺寸，A1為增環(huán)尺寸，A2為減環(huán)尺寸。尺寸鏈的基本關系如下[2]：

由上式計算得組成環(huán)A2基本尺寸為170 mm。

ESN為封閉環(huán)上偏差，ES1為增環(huán)上偏差，EI2減環(huán)下偏差，它們關系為

由上式計算得組成環(huán)A2的下偏差EI2為-0.02 mm。

EIN為封閉環(huán)下偏差，EI1為增環(huán)下偏差，ES2減環(huán)上偏差，它們關系為

由上式計算得組成環(huán)A2的上偏差ES2為+0.02 mm。

驗算

滿足TN=T1+T2，所以A2=（170±0.02）mm

因此，根據(jù)尺寸鏈計算公式得工序尺寸A2為（170±0.02）mm。

由上述計算可見，由于尺寸鏈原因導致組成環(huán)公差減小到±0.02 mm。如此小的公差值增大了加工難度，在機床、夾具、操作等因素綜合影響下極易導致止推面到曲軸孔中心的尺寸超差。

2.3.2 定位夾具對缸孔質量的影響

由圖1可見，缸孔與軸孔關系十分密切，缸孔的垂直度、位置度等形位公差的設計基準是曲軸孔中心。由圖2可見，原工藝所采用的定位夾具的定位方式是以底面及其上兩定位銷孔定位。這種定位方式優(yōu)點是夾具簡單，但缺點是違反了夾具設計中定位基準與設計基準盡量統(tǒng)一的基本原則。

為了將基準不統(tǒng)一對缸孔質量影響降低到最低程度，必須收緊底面及其上兩個定位銷孔的加工精度，包括底面的平面度、底面對曲軸孔的平行度、定位銷孔的位置度、孔徑精度等。如此高的技術要求一方面增加了制造成本，另一方面對于該薄壁零件來說完全確保合格很不容易。實際上統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)幾項指標全部合格的零件幾乎沒有，因此，由此造成缸孔質量不穩(wěn)定就不足為怪了。

2.3.3 加工刀具對缸孔質量的影響

原工藝在加工缸孔時采用的是非標組合鏜刀。由于缸孔孔徑和深度較大，造成刀具較長，重量較大，工作中易偏心、振動，再加上刀具老化使微調精度降低，造成缸孔孔徑尺寸精度及表面粗糙度質量降低。

3 機體缸孔加工工藝的改進

通過以上分析，加工工藝方法、夾具定位方式、加工刀具型式等因素是造成缸孔質量問題的根本原因。我們提出改進措施是優(yōu)化工藝流程，同時優(yōu)化夾具設計及刀具配置，消除各種不利因素對缸孔加工質量的影響。

3.1 工藝流程及夾具設計的優(yōu)化

工藝改進思路是把缸孔的精加工調整到安裝軸承蓋并精鏜曲軸孔后進行，其工藝簡圖見圖4。

從機體缸孔改進工藝簡圖可以看出：零件采取的是側臥式，定位方式改為采用底面及曲軸孔定位，即：以底面限制3個自由度，以曲軸孔限制2個自由度，以零件一個端面限制最后1個自由度，從而達到6點定位。

需要特別說明的是曲軸孔定位方法的實現(xiàn)。首先在夾具上設置2個定位板，見圖4。零件安裝前先在機體兩端曲軸孔內各插入1個心軸（每個心軸跨兩檔曲軸孔），然后將零件安裝到夾具上，使得心軸與夾具定位板、機體底面與夾具定位面貼合緊密，從而實現(xiàn)曲軸孔定位。

此工藝最大的優(yōu)點是避免了前道工序尺寸誤差對缸孔加工質量的影響，使工序尺寸公差由±0.02 mm放松到±0.05 mm，真正遵循了基準的統(tǒng)一原則，降低了加工難度，可靠地保證了缸孔止推面到曲軸孔中心的尺寸精度和缸孔的形位公差。

3.2 機床及刀具配置的優(yōu)化

改進后缸孔精鏜工序采用型號為TH6816A的數(shù)控臥式鏜銑床。該機床工作臺承載能力大，分度精度高，主軸配有行程700 mm、直徑Φ160 mm的鏜軸。該鏜軸可進入缸孔中進行切削加工，因此缸孔加工刀具可采用標準精鏜刀，大大減小了刀具長度及重量，改善了切削狀態(tài)，刀具調整更準確，提高了缸孔尺寸精度及表面加工質量。

另外，缸孔止推面加工采用進口立銑刀插補銑削加工，避免了刮削造成止推面表面質量下降現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結論

通過柴油機機體缸孔加工工藝技術研究，改進了機體工藝流程，提高了缸孔的加工質量，為某型柴油機性能的進一步改進提高打下堅實的基礎。同時，大幅度降低了機體返修率，提高了生產(chǎn)效率。

圖4 機體缸孔改進工藝簡圖

1關湘．船舶柴油機[M].北京：人民交通出版社，1982.

2吳佳常.機械制造工藝學[M].北京：中國標準出版社，1992.7．

Study on Cylinder Bore Machining Technique

Li Ruijie,Guo Zongbo
（Henan Diesel Engine Industry Co.,Ltd.,Luoyang 471039,China）

The problems of machining cylinder bores of a diesel engine are investigated.Detailed analysis of machining process is conducted to find the root causes.And effective measures are taken to deal with the issues and then verified.

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柴油機機體缸孔加工技術

來稿日期：2014-05-20

李瑞杰（1965-），男，高級工程師，主要研究方向為大型復雜箱體類零件高精高效加工工藝。

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.03.010