機車內(nèi)燃機汽缸蓋的數(shù)控加工工藝分析

屈 云

（神木職業(yè)技術(shù)教育中心，陜西 神木 719300）

0 引言

機車氣缸蓋一般包含冷卻水的腔氣道、安裝燃油管道及連接各類電氣設(shè)備的座孔，結(jié)構(gòu)復雜且孔系繁多，其各個面的構(gòu)造均相互輔助，若相關(guān)孔的尺寸或相互位置存在較大精度誤差，則難以滿足內(nèi)燃機的工作要求［1］。近年來，國內(nèi)鐵路機車快速發(fā)展，機車內(nèi)燃機相關(guān)的制造技術(shù)得到多元發(fā)展，對機車汽缸蓋等構(gòu)件的性能也提出更高要求。而相關(guān)企業(yè)在進行技術(shù)革新時，也面臨著技術(shù)、成本等多方面的限制［2］。因此，需結(jié)合實際對相關(guān)加工工藝進行合理的優(yōu)化。

1 機車內(nèi)燃機汽缸蓋數(shù)控加工研究現(xiàn)狀和研究意義

1.1 研究現(xiàn)狀

機車內(nèi)燃機一般以柴油為燃料在機器內(nèi)部進行能力轉(zhuǎn)換，為機車運動提供動力。機車內(nèi)燃機作為進行熱能與動能轉(zhuǎn)換的裝置，在許多類型的機車中被應(yīng)用。內(nèi)燃機有很多形式，如機械傳動、電力傳動、液力傳動等，在我國鐵路領(lǐng)域，主要使用電力、液力兩種傳動模式。燃料與空氣進行化學反應(yīng)，在內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)內(nèi)進行催化燃燒，并利用活塞等結(jié)構(gòu)，釋放和輸出很多能量，從而帶動整個機頭和相關(guān)機械工作。內(nèi)燃機不僅是機車不可或缺的結(jié)構(gòu)，也是汽車及氣體車輛中不可或缺的內(nèi)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

當前，內(nèi)燃機相關(guān)市場競爭激烈，客戶對內(nèi)燃機供應(yīng)商提出了更嚴格要求，要求大型柴油內(nèi)燃機體的加工更為精準。對機體內(nèi)燃機機蓋等關(guān)鍵部件的加工，已成為該領(lǐng)域重要的研究課題，而設(shè)計能夠適應(yīng)不同系列內(nèi)燃機快換模塊化制作、安裝的數(shù)控系統(tǒng)，是相關(guān)企業(yè)優(yōu)化機車內(nèi)燃機加工工藝、提高生產(chǎn)效率的重點。

在結(jié)構(gòu)方面，相比汽車用內(nèi)燃機，機車使用的內(nèi)燃機一般尺寸較大，作為復雜的動力部件，其結(jié)構(gòu)復雜，加工內(nèi)容復雜、多樣，許多部位的加工對精度要求很高，因此需要高精準的數(shù)控加工等技術(shù)，并進行嚴格的檢測，才能滿足客戶對設(shè)備的各項要求［3］。

數(shù)控加工技術(shù)在我國經(jīng)歷了較長時間的發(fā)展，取得一系列研究成果，如在零件特征信息表達、輸入及加工方案設(shè)計等方面進行了大量科研，目前已在曲面造型、刀位規(guī)劃、干涉檢查等加工工作中取得較多成果，也自主開發(fā)了一些數(shù)控軟件，部分系統(tǒng)已與國際先進水平相近。但整體而言，我國目前數(shù)控技術(shù)與世界先進水平仍有一些差距，如大部分企業(yè)尚未研發(fā)出成熟、功能全、能適應(yīng)多種內(nèi)燃機加工的數(shù)控系統(tǒng)。同時，許多關(guān)鍵零件的加工依然必須依靠引進外國的軟件或相關(guān)機床才能對復雜曲面進行多坐標的加工，可見，許多企業(yè)擁有的數(shù)控技術(shù)應(yīng)用效率低、質(zhì)量差。在進行氣缸蓋的數(shù)控加工中，一般需要用到鉆、鏜、鉸、攻螺紋、銑削等加工技術(shù)，汽缸蓋是典型的箱體類零件，對孔系的相互位置度的精確度要求很高，氣門座底孔、導管底孔等是加工的難點。德國、日本相關(guān)企業(yè)在加工氣缸蓋氣門座底孔等位置時，一般在加工中心先對這些位置進行加工，然后用專用的機床對這些位置進行復合加工，以保證相應(yīng)位置滿足同軸度的高精度要求。國內(nèi)也逐漸沿用這一加工方法與相關(guān)設(shè)備。

由于當前鐵路運輸?shù)阮I(lǐng)域?qū)C車性能有更高要求，導致氣缸蓋數(shù)控加工難以滿足精度等方面的要求，并且國內(nèi)機車產(chǎn)品在向多元化方向發(fā)展，新產(chǎn)品研發(fā)力度加大，而無法大批量生產(chǎn)也制約了相關(guān)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。因此，針對國內(nèi)機車內(nèi)燃機加工存在的孔位加工精度不高、刀具壽命低、切削參數(shù)選擇不合理等問題，還需要進一步優(yōu)化其數(shù)控加工工藝。

1.2 研究意義

基于以上對國內(nèi)外汽缸蓋數(shù)控加工研究與應(yīng)用現(xiàn)狀的分析，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)機車內(nèi)燃機加工存在許多問題，汽缸蓋關(guān)鍵位置的加工技術(shù)研究出現(xiàn)了瓶頸，難以提升產(chǎn)品質(zhì)量及技術(shù)含量。雖然眾多企業(yè)、研究機構(gòu)，對加工中心等汽缸蓋加工的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，如將虛擬機（VM）等技術(shù)引入內(nèi)燃機加工中，但在數(shù)控仿真等技術(shù)區(qū)域，依然存在流程復雜、加工效率低等問題。

可見，機車內(nèi)燃機機缸蓋等產(chǎn)品的制造技術(shù)，仍然有巨大提升空間。因此，對機缸蓋數(shù)控技術(shù)進行優(yōu)化研究具有現(xiàn)實意義，不僅有利于提高相關(guān)產(chǎn)品的加工質(zhì)量、效率，使相關(guān)企業(yè)及鐵路運輸?shù)刃袠I(yè)獲得更好的經(jīng)濟、社會效益，還有利于全面擺脫國外對相關(guān)技術(shù)的壟斷，打造世界領(lǐng)先的民族化企業(yè)。

2 機車內(nèi)燃機氣缸蓋數(shù)控加工工藝特點與設(shè)計

2.1 數(shù)控加工優(yōu)缺點分析

數(shù)控技術(shù)加工汽缸蓋，有優(yōu)點也有局限性。數(shù)控加工具有加工自動化程度高、一致性好、效率較高、便于研制和計算機輔助等優(yōu)勢。首先，數(shù)控機床對零件進行自動化處理，能大幅減輕工人勞動強度，工人只需通過數(shù)控平臺進行調(diào)試，觀察、監(jiān)控機床工作情況，刀具更換、零件裝卸、零件質(zhì)量抽檢等工作仍需要人工處理，因此數(shù)控機床對工人知識水平提出了較高要求，腦力勞動的強度也增高。其次，數(shù)控加工的零件具有較好一致性，因此質(zhì)量相對穩(wěn)定，相比人工處理具有更高的精度和穩(wěn)定性，加工順序固定，降低了失誤率。

同時，數(shù)控機床基于合理的設(shè)計流程，能對多個零件或一個零件的多個部位同時加工，省去了繁復的劃線、檢驗等操作和生產(chǎn)準備時間。此外，在產(chǎn)品研制時，若現(xiàn)有數(shù)控機床能滿足復雜的工藝需求，通過編程即可更改產(chǎn)品加工設(shè)計，不用重新設(shè)計和改造裝備，且計算機技術(shù)與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，能輔助提高產(chǎn)品設(shè)計、制造的質(zhì)量。

數(shù)控加工也存在成本較高、加工調(diào)整難等缺陷。設(shè)備研發(fā)、制作或引進的費用較高，特別是一些高端設(shè)備，其整體價格、零部件加工及維修價格都十分高，并且在加工前期需要進行較長時間的調(diào)試，數(shù)控機床還需要有配套的編程計算機及其外設(shè)備，因此成本較高。由于氣缸蓋等零件結(jié)構(gòu)復雜，許多機床無法對其進行完整的加工，一些部位的加工需要使用不同設(shè)備，同時許多設(shè)備無法適應(yīng)不同產(chǎn)品的批量加工，因此加工工序依然較復雜，許多程序的調(diào)整及設(shè)備的調(diào)整也具有很大的局限性。

2.2 氣缸蓋數(shù)控加工的特點及其適應(yīng)性分析

（1）機車氣缸蓋數(shù)控加工的特點。氣缸蓋結(jié)構(gòu)較復雜，加工精度要求高、工藝復雜，對孔系位置要求高，測量較難，且需要在單次裝夾加工中完成多個工序。國內(nèi)外加工氣缸蓋時，一般采用功能較齊備的數(shù)控中心，并且必須加強模型分析等技術(shù)的應(yīng)用，才能滿足氣缸蓋各位置的精度要求與同軸度要求。數(shù)控中心機床定位精度、重復定位精度均較高，因此大批量生產(chǎn)時能更好地保證零件的一致性。

（2）適應(yīng)性分析。加工較適應(yīng)類零件時，由于零件價值高、工序復雜，所以需要操作者對設(shè)備進行及時、準確的調(diào)整；加工最適應(yīng)類零件時，由于零件形狀復雜、精度要求高，需要用數(shù)學模型對其表面進行描述，在進行準確的測量、控制后才能進行，如在一次裝夾中進行銑、鏜、攻絲等多個工序；加工不適應(yīng)類零件時，若生產(chǎn)批量大且裝夾困難、難以定位，必須使用特定裝備輔助相關(guān)調(diào)試。

2.3 機車氣缸蓋數(shù)控加工的總體設(shè)計

首先，需要分析、確定加工內(nèi)容。在選擇對某個部件進行加工前，必須合理、仔細分析零件圖紙，以選擇與自身機床相匹配的加工內(nèi)容，并確定相應(yīng)工序，最大限度地發(fā)揮機床優(yōu)勢。綜合考慮機床可加工的內(nèi)容、加工難度、效率及人工操作內(nèi)容等信息，以提升效率、保證質(zhì)量為前提擇優(yōu)選擇，盡量少選占機調(diào)整時間長、必須用專用工具協(xié)調(diào)的內(nèi)容，盡量不選需要根據(jù)特殊制造依據(jù)進行加工的內(nèi)容?；谶@些原則，氣缸蓋加工必須使用且適合使用數(shù)控加工的程序，如銑側(cè)面、進氣道面、周邊孔、底面孔、頂面孔及銑排氣道面。

其次，分析零件圖，確定具體加工順序。機車氣缸蓋結(jié)構(gòu)越來越復雜，先進內(nèi)燃機一般使用多氣門結(jié)構(gòu)。設(shè)計加工方案全，根據(jù)氣缸蓋結(jié)構(gòu)圖，確定加工余量及加工順序，一般先加工頂?shù)酌?，并以其為基準平面，加工?cè)面和各個孔。

3 機車氣缸蓋數(shù)控加工的工藝設(shè)計及加工要點分析

根據(jù)對氣缸蓋加工的整體分析，其加工以孔、面加工為主，孔很多，位置、與底面傾斜度各異，因此保證各孔相對位置的精準是加工的難點。數(shù)控加工的工序一般需要根據(jù)加工需求進行精細化的設(shè)計，一定要考慮周到，與各個工藝過程相互協(xié)調(diào)吻合。

3.1 數(shù)控加工工序的設(shè)計

加工工序的設(shè)計是在加工內(nèi)容、加工數(shù)量等確定的基礎(chǔ)上，對材料用量、工藝設(shè)備、定位夾緊方式、刀具軌跡等進行具體分析，并逐一確定，進而編制具體的加工方案。根據(jù)汽缸蓋數(shù)控加工的特點，劃分加工工序時，可首先將一次安裝加工的工序作為第一道工序，將同一把刀具可完成的加工內(nèi)容設(shè)置為獨立的工序，并根據(jù)相互影響確定各獨立工序的加工順序，若某些位置能在一次安裝中進行加工，但會延長工序，應(yīng)考慮機車加工時間、控制系統(tǒng)等方面的限制，或考慮將相關(guān)加工內(nèi)容納入獨立工序。汽缸蓋的底面、頂面結(jié)構(gòu)較為簡單，也可根據(jù)這些平面進行工序劃分，對同一平面的外形、孔進行同時加工，以提升加工效率。實際分析時，還應(yīng)考慮零件各結(jié)構(gòu)的工藝性要求及刀具的性能，詳細分析加工對工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，避免因加工出現(xiàn)不符合要求的裂痕等問題，在以質(zhì)量為前提的基礎(chǔ)上，合適地調(diào)整加工工序，靈活選擇集中加工或分散加工。

3.2 確定具體加工順序

安排加工順序，應(yīng)結(jié)合汽缸蓋毛坯狀況及結(jié)構(gòu)要求，考慮定位安裝、夾具夾緊的相關(guān)需求，在不破壞工件剛性等前提下，遵循一定原則進行排序。如上道工序內(nèi)容不能對下道工序定位、夾緊等產(chǎn)生影響，若中間穿插普通機床加工內(nèi)容需綜合考慮對下道工序的影響，應(yīng)先進行汽缸蓋內(nèi)腔的加工，后對外形進行加工；應(yīng)將相同定位的工序排列在一起，將同一加緊方式、同一刀具加工的內(nèi)容排列在一起進行連續(xù)加工，從而減少重復定位、換刀次數(shù)、挪動壓板等操作，減少誤差和時間成本。

3.3 加工工序中的要點

（1）粗精分開。加工汽缸蓋易出現(xiàn)變形的內(nèi)容時，由于粗加工會對構(gòu)件產(chǎn)生一定變形，因此需要進行一定的校形。粗加工、精加工工序也應(yīng)完全分開。若汽缸蓋零件表面內(nèi)容均進行數(shù)控加工，需要遵循先粗后半精加工最后精加工的原則，依次將各加工內(nèi)容分開加工；粗加工可快速剃出材料大部分余量，半精加工汽缸蓋各個表面，保證表面粗糙度在一定范圍內(nèi)，最后做精加工處理。加工頂面孔等精度要求極高的位置時，盡可能一次精加工完成，避免多次加工對零件剛度等產(chǎn)生負面影響。在是粗、精加工之間，若時間允許，需在零件粗加工完成后擱置一小段時間，使工件因加工受到的變形得到充分恢復后，再開始精加工。對汽缸蓋側(cè)面進行精銑加工時，可采用順銑的方式，從而保證零件表面具有較高質(zhì)量。此外，若加工時間等條件允許，為保證精度、減輕數(shù)控設(shè)備負荷，要盡量利用普通機床進行汽缸蓋的粗加工。

（2）一次定位。對于頂面中心孔等加工易出現(xiàn)定位誤差的零件，需要避免多次定位，采用一次精準定位的方式換刀加工。在加工汽缸蓋處于同一軸線的頂面、底面的孔時，可以依次連續(xù)加工，提高孔系間的同軸度及相互的位置精度，然后對氣體位置的孔進行單獨加工，以提高孔系位置精確度。根據(jù)汽缸蓋加工內(nèi)容特征，盡量減少刀具更換及裝夾的次數(shù)，避免因重復定位等操作產(chǎn)生誤差，并且有利于減少輔助工序浪費的時間。

（3）先面后孔。通常，可根據(jù)零件加工的部位劃分，一般需加工簡單的面而非孔，后加工復雜平面和孔；因此，汽缸蓋加工時需先加工頂面，其精度要求相比其他加工內(nèi)容降低，然后加工周邊孔等精度要求高的內(nèi)容；先加工平面，再加工孔洞。側(cè)銑面加工時，則需要先加工銑面后加工鏜孔，為避免銑削時工件因切削力出現(xiàn)變形，兩道工序應(yīng)間隔一段時間，待銑面變形恢復后進行鏜孔加工，以提升孔加工的精度，同時避免孔口出現(xiàn)毛刺、飛邊等問題。

（4）減少換刀。數(shù)控加工汽缸蓋時，應(yīng)盡可能根據(jù)刀具進入相關(guān)加工位置的順序來選擇和集中刀具，即在保證加工精度、合理控制工件變形的前提下，盡量減少換刀的次數(shù)，同時避免空行程。零件在進行裝夾時，盡量保證同一把刀具能夠完成多個面的加工。在一把刀具完成相關(guān)加工后，為下道工序進行一些預(yù)加工，如在加工汽缸蓋側(cè)面孔時，使用小鉆頭確定位置，為大孔預(yù)鉆提供一定的位置依據(jù)；或使用前道工序刀具進行粗加工，換刀后再進行精加工。對于不重要的加工內(nèi)容，應(yīng)盡量使用同一刀具或在同一個工序進行加工。

3.4 數(shù)控加工工序和普通加工工序的銜接

除了做好工序設(shè)計、關(guān)注加工要點，由于實際加工還需要考慮成本等因素，所以企業(yè)需要根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備及技術(shù)做好加工工序的銜接。一些企業(yè)實際加工汽缸蓋時很可能無法利用數(shù)控中心進行全工序的加工，粗加工或一些簡單位置的加工會選擇普通機車進行加工。因此，各類工序的銜接，需要建立合理、具體的制度，避免各工序產(chǎn)生矛盾，例如對加工余量、毛坯熱處理狀態(tài)、定位面及孔的精度、形位公差等進行嚴格的規(guī)范，對校形工序進行合理的技術(shù)規(guī)范，從而在滿足各工序需求的同時，盡量做到技術(shù)明確、交接有序、驗收有據(jù)。

4 結(jié)束語

綜上所述，國內(nèi)外對機車內(nèi)燃機氣缸蓋加工及數(shù)控技術(shù)均進行了長時間的研究與實踐應(yīng)用，但我國相關(guān)工藝尚不成熟且受制于數(shù)控設(shè)備等方面的限制，在加工汽缸蓋時，難以較好地平衡加工效率、質(zhì)量與成本之間的沖突。本文主要從總體設(shè)計、工藝順序等方面研究了汽缸蓋的數(shù)控加工，相關(guān)企業(yè)要想合理應(yīng)用相關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)保質(zhì)、高效加工的同時節(jié)約成本，需要根據(jù)機車汽缸蓋結(jié)構(gòu)和自身擁有的設(shè)備及技術(shù)，合理地規(guī)劃加工順序及做好各項細節(jié)工作。