機體主油道加工工藝方案設計與研究

溫云剛

（南車玉柴四川發動機股份有限公司，四川 資陽 641300）

機體主油道加工工藝方案設計與研究

溫云剛

（南車玉柴四川發動機股份有限公司，四川 資陽 641300）

在不使用專用深孔加工設備的情況下，通過對通用設備增加冷卻系統，設計專用刀具，并通過工藝實驗結果進行二次設計，最終實現鑄件中速柴油機機體主油道加工。改變了傳統機體主油道只能鑄造，再打磨的方式，提高了柴油機主油道的清潔度，降低了工人勞動強度。

柴油機機體；主油道；加工；刀具

0 引言

目前，國內中速發動機機體主油道孔大都為鑄造成型,如圖1所示。鑄造主油道會有砂眼、鐵包砂、氧化皮等，通常要通過主油道打磨的方式去除，打磨主油道勞動強度大、時間長，工作環境惡劣，并且難免有打磨不到的死角，這樣裝機后隨著柴油機運行一些細小砂粒或氧化物等會被機油沖出進入潤滑系統，加劇發動機各部分零件的磨損。

圖1 16V240、16V280機體主油道

國外相關產品主油道大都采用機械加工的方式，我公司引進的日本三菱燃氣機圖紙明確要求機體主油道要機械加工出來。12V三菱柴油機機體主油道直徑φ100 mm，長度3380 mm；18V三菱柴油機機體主油道直徑φ100 mm，長度5000 mm。我公司現有設備不能夠滿足加工要求，經過考察加工此類孔的專用設備，價格大約在500萬元之上，制作設備的周期在一年以上，且制國內造廠家少。由于試制時間緊迫，我們在現有設備基礎上通過設計、優化刀具方案，改進冷卻系統實現了機體主油道的加工。

1 設計工藝方案

經過多次商討最終確定可行的加工方案為：現有加工設備+專用刀具+冷卻排屑系統改造。根據我們現有設備綜合考慮，設備選用數控龍門鏜銑加工中心，心主軸功率75 kW，銑頭主軸所受最大轉矩8000 N·m。刀具采用美國聯合機床公司（AMEC）生產的鏟鉆方案，如圖2所示。其特點是內冷排屑深孔一次加工成型。加工12 V三菱柴油機機體主油道采用兩頭鉆孔對接的方式，刀具有效長度1700 mm左右。由于刀具的長度太長，自重使得刀具安裝到機床后鉆尖下垂3 mm左右。首先采用相同直徑的短鉆頭鉆出導向引孔，導向引孔深度200 mm。

刀具參數：刀片直徑為φ100 mm；刀桿直徑為φ89 mm；長鉆頭長度為1780 mm，短鉆頭長度為200 mm；刀片材料為高速鋼（表面物理涂層）；刀具重量為80 kg；內冷要求為壓力1 MPa，流量80 L/min；切削速度為25～40 m/min；進給速度為0.30～0.40 mm/r。

圖2 刀具方案

冷卻系統由于現有機床的切削液壓力及流量不能滿足刀具要求,所以采用外冷轉內冷的方式。外接水泵通過刀具上的接頭轉成內冷。

2 工藝試驗

2.1 第一次試驗

實驗目的：驗證工藝方案，測量實際加工工藝參數。試件材料為QT400；試件尺寸為2000 mm×280 mm×140 mm。

試驗難點及注意事項：鉆孔深度深鉆到較深處時可能排屑不暢，容易引起鐵屑卡住刀片或刀桿，從而破壞刀具。在試驗過程中確保冷卻液壓力，如聽到異響或看到孔口冒煙應立即停止試驗。

試驗過程：1）確定鉆孔位置鉆出引導孔直徑 φ100 mm、深200 mm；2） 將固定套裝入長刀桿，安裝好刀具，機床在孔中心定位后人工輔助將刀具前端抬起，鉆頭慢慢開進引導孔內，再將固定套嵌入孔口。3）開啟切削液，開啟主軸轉速設定為130 r/min，進給60 mm/min，開始走刀鉆孔。

圖3

第一次試驗結果：如圖3所示，由于鉆孔產生的鐵屑在孔內堆積，會將孔口定位套推出。鉆套滑落后，刀桿的重量完全靠刀片的棱邊的支撐，所以固定鉆套滑落后，導致內孔被鉆頭拉傷嚴重，同時對刀片的損傷很大。固定鉆套只能在孔口起支撐作用，當越鉆越深時固定鉆套的支撐作用逐漸減小，特別是當鉆通時固定鉆套不起作用，而產生振動。由于固定鉆套起不到全程支撐作用，加工的表面質量差，內孔拉傷、啃傷嚴重，如圖4所示。

圖4

2.2 定位方案調整

為了解決第一次試驗中出現的問題，刀具定位由孔口加定位套改為在刀具前端增加定位裝置，具體方案有以下3種，如圖5所示。第一種方案為在刀具前端增加定位鍵；第二種方案為在刀具前端增加半圓型定位塊；第三種方案為在刀具前端加上定位圈。3種方案對比，方案一優點是不影響排屑，缺點是由于刀具自重下垂，在刀具轉動時會交替擺動；方案二優點是不影響排屑，缺點是相對方案一擺動得到較好改善，但依然存在較大風險；方案三由于采用定位圈在刀具轉動時任意角度都能起到定位作用，但對刀具排屑有一定影響。

圖5 刀具方案調整

綜合考慮，定位圈在冷卻液出口位置，此處冷卻液壓力較大，因此定位圈對排屑影響大為減弱，為了更有利于排屑，在定位圈前端磨出30°斜面。最終確按方案三進行整改。

2.3 第二次試驗

刀具重新改造后按第一次試驗的過程再次進行了加工試驗。加工過程中排屑順暢。孔加工完畢后剖開試件（見圖6）可見加工表面光滑，無拉傷情況，粗糙度可達Ra6.3以上。兩端對接后在1750 mm范圍水平方向最大偏移量為0.8 mm，垂直方向最大偏移量0.65 mm。

2.4 實驗結論

1）通過工藝試驗，采用直徑φ100 mm，有效長度1780 mm的鏟鉆能夠滿足三菱機體主油道的加工。

2）表面光滑，無拉傷情況，粗糙度可達Ra6.3μm，優于圖紙設計要求。

3）在1.75 m范圍上水平最大偏移為0.8 mm，垂直方向最大偏移0.68 mm，計算最大偏移量為±1.05 mm。如果12 V三菱機體主油道對接加工，在長度1700 mm處與孔的理想中心偏移±1 mm左右，如兩端方向相反會形成2 mm左右的臺階,方向相同臺階越小。機體內控要求主油道對接后形成的臺階在3 mm以內，試驗數據滿足內控質量要求。

圖6

3 相關試驗參數計算

為了防止壓力過大安全開關跳閘，此時流量開關保持在總流量的70%最佳（水泵功率為4 kW，揚程為178 m，流量為4 m3/h）。

水泵壓力 P=ρgh=1000×9.8×178=1744400 Pa=1.7444 MPa，1.7444×0.7=1.221＞1 MPa（水泵壓力符合要求）。

水泵流量 Q=V/T=4000/60=66.67 L/min，66.67×0.7=46.67＜80 L/min（流量小于鉆頭加工需要的流量）。

參考切削參數：切削速度Vc=30～40 m/min，進給速度f=0.3～0.4 mm/r。

試驗時實際轉速為123 r/min（設定130r/min）實際進給為54 mm/min（設定60 mm/min）最佳，運動最平穩，切削穩定，此時機床功率顯示為總功率的20%～26%。

切削速度 Vc=πDN/1000=123×100×3.14/1000=38.622＜40切削速度符合要求。

進給量f=54/123=0.43。

另由專用軟件計算出所需鉆削功率11.97 kW，轉矩841 Nm機床主軸功率75 kW，轉矩8000 N·m，最大鉆速600 r/min均在機床參數范圍內。

圖7 12V三菱機體主油道加工照片

4 結論

通過前期工藝試驗確定的最優參數及刀具方案，我們成功地在12V三菱機體上實現了主油道加工，對接鉆通總共用時約3h。整個加工過程及最終結果都好于預期，孔內表面粗糙度在Ra6.3～12.5μm之間，中間接刀出臺階小于2mm，如圖7。

（編輯 啟 迪）

TK429

B

1002-2333（2015）10-0263-03

溫云剛（1983—），男，工程師，主要從事中速發動機零部件加工工藝工作。

2015-03-26