船用中速柴油機(jī)機(jī)體三路孔加工精度研究

孫亞杰

(二重(鎮(zhèn)江)重型裝備有限責(zé)任公司，江蘇212000)

在船用中速柴油機(jī)制造過程中，機(jī)體為整體箱體式結(jié)構(gòu)，采用倒掛式主軸承，并用主軸承螺栓和機(jī)體兩側(cè)橫向拉桿螺栓將主軸承蓋與機(jī)體連為一體，具有很高的剛度和強(qiáng)度。機(jī)體材料一般采用球墨鑄鐵或灰鑄鐵材料鑄成。機(jī)體體積大，具有復(fù)雜的型腔結(jié)構(gòu)，各處壁厚不均勻，屬大型復(fù)雜箱體類零件，加工難度大。它不但承載著氣缸套、氣缸蓋、前端箱、后端箱等固定件和曲軸、凸輪軸、連桿、活塞等運動件的重量，而且還要保證這些部件正常運動的相互位置關(guān)系，以及在柴油機(jī)連續(xù)工作狀態(tài)下，機(jī)體所承受的燃燒爆發(fā)沖擊力和曲軸運動的慣性力。所以，主軸承孔、噴油凸輪軸孔和進(jìn)排氣凸輪軸孔這三路孔的加工精度直接影響著這臺柴油機(jī)的質(zhì)量、性能和使用壽命。

1 機(jī)體三路孔分析

1.1 主軸承孔

(a)主視圖

1.2 噴油凸輪軸孔

圖2 機(jī)體噴油凸輪軸孔主視圖Figure 2 Oil camshaft bore of block

1.3 進(jìn)排氣凸輪軸孔

圖3 機(jī)體進(jìn)排氣凸輪軸孔主視圖Figure 3 Inlet and exhaust camshaft bore of block

同時在飛輪端面，三路孔與兩過橋齒輪孔之間存在一定位置關(guān)系，它們之間的距離公差只有0.1 mm，機(jī)體三路孔與過橋齒輪孔位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 機(jī)體三路孔與過橋齒輪孔位置關(guān)系圖Figure 4 Position relationship of block three-way hole and bridge gearing hole

2 機(jī)體三路孔加工機(jī)床分析

在該機(jī)體的加工過程中，三路孔的加工在數(shù)控落地鏜銑床HFB-180上進(jìn)行加工。

2.1 旋轉(zhuǎn)工作臺(B軸)分析

數(shù)控落地鏜銑床HFB-180旋轉(zhuǎn)工作臺尺寸2500 mm×3500 mm；最小旋轉(zhuǎn)精度0.001°；行程(V軸)2000 mm；最大承重35000 kg。

在對該機(jī)床精度檢測中發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)工作臺4×90°方向不能準(zhǔn)確定位：順時針90°方向最大誤差為0.002°；180°方向最大誤差為0.003°；270°方向最大誤差為0.001°；且以上誤差均不穩(wěn)定，但旋轉(zhuǎn)工作臺每次回零點后(即0°方向)都能準(zhǔn)確定位。

2.2 專用附件頭分析

在加工7L27/38機(jī)體時，采用兩只專用附件頭(ATT-L1000和ATT-L800)進(jìn)行三路孔的粗、半精、精鏜孔加工。使用中發(fā)現(xiàn)：附件頭在使用過程中隨著升溫引起長度方向的參數(shù)變化，具體如圖5所示。

圖5 附件頭運行時間與Z軸伸長量變化曲線圖Figure 5 Curve of operation time and elongation amount variety on Z axis of accessory head

3 三路孔加工方案確定

3.1 加工難點分析

(1)由于L27/38型柴油機(jī)機(jī)體體積、重量都比較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚不均勻，在裝夾過程中易變形，在這種情況下，最好一次裝夾加工完三路孔和過橋齒輪孔，但是，由于機(jī)體本身結(jié)構(gòu)以及附件頭尺寸的限制，只能采用兩次裝夾完成。

(2)數(shù)控落地鏜銑床HFB-180旋轉(zhuǎn)工作臺在4×90°四個方向上定位不準(zhǔn)，而且有時候偏差很大，給加工三路孔帶來困難，假設(shè)在180°方向偏差0.003°，那么在3000 mm距離上，與定位準(zhǔn)確時的平行度比超過0.15 mm，造成加工難點。

(3)三路孔專用附件頭都隨著主軸的轉(zhuǎn)動升溫而伸長，對于主軸承孔進(jìn)行粗加工、半精加工、精加工的時間分別約為：40 min、40 min、65 min。按照理論推算，附件頭ATT-L1000要伸長0.14 mm。加工凸輪軸孔亦如此。按照這種情況，即使機(jī)床旋轉(zhuǎn)工作臺定位準(zhǔn)確，找正主軸承孔建立坐標(biāo)系后，對凸輪軸孔鏜削后，不可能保證三路孔的位置度在?0.1 mm內(nèi)。另外，附件頭BT50刀柄安裝孔軸線與Z軸的垂直度為0.02～0.03 mm，對裝在附件頭上百分表準(zhǔn)確地找正三路孔建立坐標(biāo)系帶來麻煩。

3.2 具體加工操作方法

根據(jù)上面所述的加工難點，分兩次裝夾來完成三路孔的加工。

3.2.1 第一次裝夾

已精加工的排氣側(cè)面貼在六個均勻分布的等高墊上支撐整個機(jī)體，等高墊要盡可能地支撐在機(jī)體壁厚、不易變形的部位，并使每個等高墊受力均勻，底面朝主軸，見圖6。

圖6 機(jī)體第一次裝夾加工圖Figure 6 Block machining at first clamping

(1)裝夾并建立坐標(biāo)系：因為X軸與工作臺平面的平行度在0.02 mm/3500 mm以內(nèi)，所以機(jī)體放上去后，在半壓緊狀態(tài)下，找平底面相對X軸的平行度在0.01 mm/3000 mm以內(nèi)，壓緊壓板。測量頂面到底面的距離，確定底面余量，建立工件底面坐標(biāo)系。

(2)粗、半精、精鏜主軸承孔?262H6：由于附件頭在加工過程中伸長，從開始粗鏜孔到精鏜結(jié)束，可能造成孔中心位置發(fā)生變化，底面到主軸承孔的距離很難控制在530 mm±0.08 mm，另外，根據(jù)附件頭伸長曲線(圖5)，隨著粗加工、半精加工升溫后附件頭伸長變得緩慢，為了保證孔的表面粗糙度Ra=2.5 μm，精鏜孔時間不能過短，參數(shù)設(shè)定為：轉(zhuǎn)速為200 r/min，進(jìn)給量為15 mm/min，精鏜孔時間大約為65 min。從前端到飛輪端精鏜主軸承孔后，孔中心線與底面的平行度為(0.04～0.05) mm/3428 mm滿足公差0.05 mm/2500 mm。

(3)精銑底面：在精鏜完主軸承孔后，換精面銑刀，旋轉(zhuǎn)附件頭至刀面對著A面(圖6)，精銑A面約去除余量0.2～0.3 mm，此面與主軸承孔中心平行，以便下次裝夾找正用。

3.2.2 第二次裝夾

已精加工的底面貼在六個均勻分布的等高墊上裝夾，找正A面，夾緊。操作側(cè)面朝向主軸，如圖7所示。

圖7 機(jī)體第二次裝夾操作側(cè)朝向主軸位置加工圖Figure 7 Machining of operation side toward to main shaft at secondary block clamping

(1)裝夾并建立坐標(biāo)系：在裝夾機(jī)體前，先在主軸上吸百分表檢查六個等高墊的平面度在0.01 mm以內(nèi)，放上機(jī)體，機(jī)體重心盡量在工作臺的中心，半壓緊狀態(tài)下，找平A面，壓緊壓板。

(2)精銑前端面和飛輪端面：考慮到主軸承孔中心線與底面的平行度為(0.04～0.05) mm/3428 mm，又因為底面與機(jī)床Y軸垂直度在0.01 mm之內(nèi)，所以，精銑完的兩端面與主軸承孔中心線在豎直方向的垂直度滿足0.08 mm/1630 mm。精銑前端面是在工作臺轉(zhuǎn)到90°方向進(jìn)行的，此方向上的最大定位偏差為0.002°，通過理論計算，在前端面橫向1370 mm長的距離上，與主軸承孔中心線在橫向的垂直度為0.048 mm/1370 mm，滿足垂直度0.08 mm。同理，精銑飛輪端面也滿足垂直度要求。換精銑刀，建工件坐標(biāo)系，精銑至要求。

(3)粗、精鏜靠飛輪端一檔噴油凸輪軸孔、進(jìn)排氣凸輪軸孔和兩過橋齒輪孔：一方面，由于附件頭ATT-L800在鏜孔過程中會伸長，造成三路孔的位置度很難保證；另一方面，附件頭從兩側(cè)面窗口伸進(jìn)主軸承孔中心找正，由于附件頭尺寸限制，機(jī)體應(yīng)剛好放在工作臺的中心，對裝夾和找正帶來困難。所以，從飛輪端(即工作臺270°方向)加工靠近飛輪一端的檔噴油凸輪軸孔?215H6、進(jìn)排氣凸輪軸孔?190H6和兩過橋齒輪孔?70H7。

機(jī)體轉(zhuǎn)至飛輪端，機(jī)床主軸(W軸)伸出600 mm(由于主軸伸得太長，會造成主軸鼻端下垂，但在左右方向不會有太大變化)，分別找正靠飛輪端的相鄰三檔主軸承孔，左右兩側(cè)母線與Z軸的平行度在0.01 mm內(nèi)(如果不在0.01 mm內(nèi)，工作臺每0.001°旋轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)整)。主軸(W軸)縮回至200 mm，找正最外端主軸承中心孔，建立飛輪端面坐標(biāo)系，粗、精鏜靠近飛輪一端的檔噴油凸輪軸孔、進(jìn)排氣凸輪軸孔和兩過橋齒輪孔至尺寸。通過檢查，在飛輪端面上三路孔與兩過橋齒輪孔間的位置公差在0.03 mm內(nèi)。

(4)粗、精鏜其它噴油凸輪軸孔?215H6、進(jìn)排氣凸輪軸孔?190H6。

機(jī)體轉(zhuǎn)至操作側(cè)(即旋轉(zhuǎn)工作臺回0°方向，見圖8)，因為工作臺回零點后，定位精度可以保證，A面與X軸平行度在0.01 mm以內(nèi)。調(diào)附件頭ATT-L800，附件頭轉(zhuǎn)至270°，在附件頭BT50錐孔上裝杠分表，為了減小找正誤差，杠分表的長度盡可能與?215H6精鏜刀的長度相等，附件頭從操作側(cè)窗口進(jìn)入，找正靠飛輪端一檔噴油凸輪軸孔?215H6中心，建立操作側(cè)坐標(biāo)系，從飛輪端到前端粗、半精鏜其它噴油凸輪軸孔至?214.7 mm。換杠分表，再次找正靠飛輪端一檔噴油凸輪軸孔?215H6中心，因為附件重負(fù)荷切削后急速升溫，導(dǎo)致附件頭伸長，如果此時精鏜孔，其孔的位置已經(jīng)與建立坐標(biāo)系時的坐標(biāo)值發(fā)生變化，這樣就會影響整路孔的同軸度要求，又因為粗、半精鏜孔時相當(dāng)于附件頭預(yù)熱，根據(jù)附件頭伸長曲線(見圖5)，預(yù)熱后伸長變得平緩，這樣既可以減小誤差，又可以節(jié)省時間。找正后，換精鏜刀，按相同方向一路鏜孔。根據(jù)數(shù)控程序中的時間控制，粗、半精鏜的時間共約60 min，精鏜孔的時間約為40 min，按附件頭伸長曲線可以推斷整路孔的同軸度在0.04 mm之內(nèi)。測量噴油凸輪軸孔?215H6與滾輪座面的距離，確定滾輪座面余量，換?250 mm精銑刀，附件頭轉(zhuǎn)至0°，精銑滾輪座面滿足255 mm±0.08 mm，平面度滿足0.05 mm/2500 mm。

圖8 機(jī)體第二次裝夾排氣側(cè)朝向主軸位置加工圖Figure 8 Machining of exhaust side toward to main shaft at secondary block clamping

機(jī)體轉(zhuǎn)至排氣側(cè)(即旋轉(zhuǎn)工作臺回180°方向，見圖8)，工作臺轉(zhuǎn)至180°后，定位精度無法保證，由于附件頭長度的限制，在附件頭頂端吸百分表，從前端和飛輪端找主軸承孔左右母線(最低點)與X軸平行，同時每0.001°調(diào)整旋轉(zhuǎn)工作臺，直到主軸承孔中心線與X軸平行度在0.02 mm之內(nèi)。按加工噴油凸輪軸孔?215H6的方法加工進(jìn)排氣凸輪軸孔?190H6至要求。

4 檢測數(shù)據(jù)分析

按此方法加工后，采用同軸度測量儀對三路孔進(jìn)行測量，其數(shù)據(jù)如表1。

表1 三路孔測量偏差值(單位：mm)Table 1 Three-way hole measurement deviation value (Unit: mm)

從表1中數(shù)據(jù)分析可知，無論是主軸承孔還是噴油凸輪軸孔、進(jìn)排氣凸輪軸孔，都滿足相鄰兩檔位置度0.05 mm、任意相鄰三檔位置度0.1 mm的圖紙要求。

5 結(jié)語

這種在非高精度臥式數(shù)控鏜銑床上加工機(jī)體三路孔的方法，是通過多次試加工的經(jīng)驗總結(jié)出來的。這種三路孔的加工方法既解決了旋轉(zhuǎn)工作臺重復(fù)定位不準(zhǔn)，又有效地縮小了附件頭升溫伸長引起的加工誤差。把附件頭的預(yù)熱放在粗加工時完成，再重新校正坐標(biāo)系，這樣，既減少了預(yù)熱時間，又保證了精度要求，提高了效率和質(zhì)量，保證了機(jī)體三路孔的加工要求。