機車氣缸蓋三坐標測量工藝優化分析

凡小飛，李富燕

（南車戚墅堰機車有限公司，上海 213011）

0 引 言

戚墅堰公司是一家主營內燃機車的大型國有企業，公司有著百年的機車修造經驗，是機車行業內知名的鐵路裝備制造企業。2006年，在中國軌道交通進入全面提升研發和制造技術的大背景下，戚墅堰公司和美國GE公司合作，引進開發HXN5型大功率內燃機車，并研發和批量制造HXN5型內燃機車。2009年，HXN5型機車完成設計和試制，機車進入批量生產階段。按設計和產品質量控制要求，在機車早期的批量生產時期，機車柴油機和關鍵部件需要進行關鍵尺寸的全檢，機車氣缸蓋作為柴油機的關鍵部件之一，在前300臺機車的生產過程中需要進行關鍵尺寸的全覆蓋檢測[1]。按項目年產200臺機車的生產計劃，每臺機車柴油機16只氣缸蓋。預測氣缸蓋的檢測任務量達11件/d，高峰期預計20件/d。戚墅堰公司氣缸蓋尺寸檢測采用三坐標測量機進行，目前，同類機車氣缸蓋的檢測負荷量為6件/d，遠不能滿足HXN5型機車的生產需求，氣缸蓋檢測能力的不足已成為機車生產的瓶頸。為打通氣缸蓋檢測瓶頸，戚墅堰公司在檢測設備、檢測方案、檢測工藝等方面進行了分析、研究，并通過一系列的改進措施，提升了氣缸蓋的檢測負荷量，滿足了機車生產的需要。

1 測量現狀分析

機車氣缸蓋是內燃機車柴油機燃燒室的重要組件，與氣缸套、活塞等共同構成柴油機燃燒室。同時，機車氣缸蓋內部還安裝噴油器、氣門等機構，布置了進、排氣風道及冷卻水腔，結構非常復雜，檢測涉及到大量的幾何尺寸和形位公差，測量項點達80余項，項點多、檢測時間長是影響負荷量的原因之一。技術方面，氣缸測量包括螺紋孔位置度、導管孔圓柱度、火力面平面度、排氣孔平面位置度等一些要求高、難度大的測量項點，也在一定程度上影響測量負荷量的提升。測量工藝方面，氣缸蓋三坐標測量機只有一臺，測量時翻轉一次，2工位測量，并且無法實現全自動測量，上料工裝、定位工裝簡陋，測量效率低下是影響測量負荷量的重要原因。因此，要提高氣缸蓋檢測效率，打通檢測瓶頸，需要有科學的測量方案，并通過測量工裝的合理使用，測量方法、測量工藝的科學優化，解決上述制約因素。

2 工藝措施改進

2.1 制定氣缸蓋單工位定位方案

圖1 測量工裝圖

圖2 氣缸蓋裝夾圖

三坐標測量時，多工位測量效率非常低。因此，單工位測量是氣缸蓋測量技術方案的首要目標。氣缸蓋火力面、搖臂面集中了幾乎全部高精度測量項點，按一般測量技術方案，工件高精度測量面與三坐標測量機水平面平行，可以高效利用機器精度，但氣缸蓋需要翻轉一次，與單工位的目標方案不相符。同樣，進排氣面和高壓油孔面雖然測量精度要求不高，但兩面都有重要尺寸測量，同樣不能與測量機水平面平行放置。最后是兩個冷卻水平面，測量特征為一面三孔，平面為非裝配平面，冷卻水孔測量要求為φ420.0460，精度要求較低，下平面測量可以通過適當墊高的方式解決，冷卻水孔直徑測量可以通過止通量規另行測量。因此，確定了冷卻水平面與測量機平行的定位方案，實現氣缸蓋三坐標單工位測量。

2.2 設計定位工裝和優化起吊設備

要提高氣缸蓋三坐標檢測效率，必須實現自動測量。因此，需要實現氣缸蓋的精確定位，設計定位工裝是較好的解決方案，為此，我們設計了氣缸蓋測量專用工裝（見圖1）。工裝通過螺栓孔固定在測量機工作臺面上，并采用一面兩銷的定位方式，與氣缸蓋底側平面和兩個水孔進行接觸定位，將4個支撐銷適當加高，實現氣缸蓋下測量面墊高。氣缸蓋的精確定位，解決了原簡易工作定位不準確的問題。裝夾后，氣缸蓋在測量機工作平臺上位置固定，氣缸蓋與機器坐標系位置關系確定，可以實現坐標系自動關聯，氣缸蓋裝圖如圖2所示。氣缸蓋吊裝方面，為解決原有吊裝小車工作范圍小，需2～3次吊運才能完成氣缸蓋吊裝的問題，設計安裝了回轉范圍更大的懸臂起重機，實現工作區域全覆蓋，氣缸蓋進料、吊裝一次完成，大大縮短了測量輔助時間。

3 測量項點解決方案

3.1 導管孔圓柱度測量方案

氣缸蓋導管孔是裝配氣閥導管的基礎，精度要求很高，加工難度較大。為及時反映加工工藝狀態，測量時對導管孔圓柱度采取了分解測量的方式，分為3個分量。為反映導管孔錐度狀況，進行分截面圓度測量，在136mm全長上，等距測量6個截面圓，通過其圓度和直徑變化情況判斷導管孔圓度和錐度變化情況，圖3是導管孔測量示意圖。為反映導管孔直線度，進行了導管孔中心線直線度測量。為反映導管孔壁面變化情況，測量了上、下、左、右4條母線，評價母線平行度判斷壁面加工情況。最后，綜合以上分量測量評價導管孔圓柱度。

3.2 火力面平面度測量方案

火力面是燃燒室上的密封面，形狀為一個直徑為320mm的圓形平面，平面度要求較高。平面度測量時采用蛛網式測量方法，以平面中心為圓心，形成一系列半徑遞增的同心圓進行有規律地采點測量。通過圓周方向的測量，判斷火力面圓周方向平面度；通過半徑方向的測量，判斷火力面的梯度變化，圖4是火力面測量示意圖。同時，通過密集采點方法測量機加工接刀痕部位平面度，以此來綜合評價火力面平面度。

圖3 導管孔測量示意圖

圖4 火力面測量示意圖

4 編制氣缸蓋自動測量程序

在完成導管孔圓柱度、火力面平面度等難度較大項點測量方案后，技術難點已全部解決。之后，是尋求測量效率的提升，自動測量是提升測量效率的最有效手段。編制自動測量程序，需要對全部測量項點進行分析，確定測量探針方案、邏輯關系和測量機探測路徑。為解決探針干涉問題，設計了分層次錯位安裝的探針組裝方式，即第一庫位探針組裝在上層，相鄰的第二庫位探針組裝在下層，第三庫位組裝在上層，以此類推，合理利用探針庫位空間。最終確定了探針組合方案為5個庫位12支探針，順利實現氣缸蓋自動測量，操作人員只需執行測量程序并確認執行，測量機將完成全部測量工作，直至打印測量報告。

實現自動測量后，氣缸蓋測量時間大大縮短，由原來的1.5h，縮短到45min。為保證數據質量，測量時增加了驗證程序。設計了一套由量規和基準圓球組成的驗證標準件和探針驗證程序，在每天測量工作結束或出現數據結果可疑時運行驗證程序進行數據分析和確認，保證測量數據的準確性和可靠性。

5 實施效果和效率

通過氣缸蓋測量工藝優化、工裝設計和起吊設備等一系列改進措施，實現了HXN5型機車氣缸蓋的自動測量，提高了測量效率。測量工位由原來的2工位優化為1個工位，減少工位轉換時間。起吊裝置由移動小車改進為懸臂起重機，氣缸蓋上料吊運由2～3次減少到1次，縮短了上料輔助時間。通過設計定位工裝實現了氣缸蓋測量時的準確定位，將手動測量工藝優化為自動測量，縮短了氣缸蓋測量時間。效率大大提升，氣缸蓋測量時間由原來的1.5h，縮短到40min；輔助時間由20min縮短到5min。負荷能力由原來的6件/d提升到11件/d，基本滿足了氣缸蓋檢測的負荷要求。在檢測高峰時期，短期措施采取增加班次和加班方式解決，遠期規劃添置在線檢測三坐標測量機進一步提高檢測負荷能力。在服務加工工藝方面，元素的分項測量較好地反映出工件的加工狀態，測量結果為機械加工工藝參數調整和刀具更換提供了數據參考，避免了批量質量問題的出現。

在實際生產檢測過程中，優化后的氣缸蓋三坐標測量方案得到很好實施，并取得了良好的實施效果。2009年至2011年期間，公司生產HXN5型機車600余臺，共完成氣缸蓋檢測10000余件，滿足了機車生產的負荷要求。

6 結束語

三坐標測試技術的發展，為復雜零部件幾何量的檢測提供了很好的解決方案，三坐標測試技術在企業中的應用越來越廣泛。伴隨著現代企業質量意識和要求的提高，三坐標檢測在企業質量檢測中的要求也更為提高，已由提供解決方案轉而需要提供更高的檢測效率。因此，研究如何更高提高測量系統的檢測效率是當下檢測人員的重要職責，機車氣缸蓋檢測效率提升就是其中的一個案例。

[1] 何貢.計量測試技術手冊[M].北京：中國計量出版社，1997：57-63.