成組加工方法加工柴油機(jī)機(jī)體缸孔

■陜西柴油機(jī)重工有限公司（興平 713105）

虎臣

1.技術(shù)方案

我公司是生產(chǎn)船用柴油機(jī)的專業(yè)廠家，在柴油機(jī)機(jī)身的生產(chǎn)過(guò)程中，柴油機(jī)活塞運(yùn)行的汽缸孔是柴油機(jī)機(jī)身（或稱為機(jī)體）加工的關(guān)鍵要素，在機(jī)械加工中必須重點(diǎn)控制。單個(gè)缸孔的加工要素多，使用的刀具數(shù)量多，加工時(shí)換刀次數(shù)多，而且單臺(tái)機(jī)身缸孔的數(shù)量最少5個(gè)（一般直列機(jī)為5～9個(gè)，V型機(jī)12～20個(gè)），導(dǎo)致機(jī)身的缸孔加工周期長(zhǎng)。為了提高機(jī)身的出產(chǎn)效率，提出缸孔的成組加工方法，將缸孔的加工只分為粗加工和精加工，僅用兩把組合刀具就完成了機(jī)身缸孔的加工。目前該方法適用缸徑≤350mm的機(jī)身。

2.技術(shù)方案分析

機(jī)身氣缸孔和油泵孔的加工要素比較多，以氣缸孔為例分析，一般需要控制精度的尺寸最少有3個(gè)，需要加工尺寸最少有6處：上缸孔止口、上缸孔及下缸孔的尺寸精度為IT6～I(xiàn)T7級(jí)，表面粗糙度值Ra=1.6～3.2μm；上下缸孔倒角一般在15°～45°；止口過(guò)渡圓角（R=1～3mm）等。以某型機(jī)的機(jī)身缸孔為例，其加工要素如圖1所示，必須保證的高精度尺寸有3個(gè)（φ275H7、φ248H7和φ242H7），其次保證φ240.5mm、15°倒角2處，1.5mm×45°倒角1處，R1.6mm過(guò)渡圓角，最后還需保證形位公差等技術(shù)要求。

常規(guī)的加工工藝：粗鏜→半精鏜→精鏜，且準(zhǔn)備的刀具數(shù)量也多，一個(gè)加工要素最少需要2把刀具，機(jī)床最少需要換2次刀，才能完成一種尺寸的加工。按缸孔最少6個(gè)加工要素計(jì)算，最少換12次刀具；頻繁的換刀增加機(jī)床輔助時(shí)間，提高了加工成本；如果刀具的長(zhǎng)度超出了機(jī)床自身刀庫(kù)的允許長(zhǎng)度，只能采用手動(dòng)換刀，有時(shí)還會(huì)增加不必要的找正時(shí)間，導(dǎo)致輔助時(shí)間增加。刀具數(shù)量的增加無(wú)疑是不能降低加工成本、提升產(chǎn)量的，而必要的手動(dòng)換刀為質(zhì)量事故埋下了安全隱患，更不利于保證機(jī)身缸孔加工形位公差，成為產(chǎn)業(yè)的發(fā)展瓶頸。

圖1 機(jī)身缸孔視圖

目前國(guó)內(nèi)同行業(yè)中雖然也采用了組合鏜刀，但采用錐柄定位拉緊，單把刀具只是2～3個(gè)加工要素的組合，以缸孔為例，最少也需要3～4把刀具才能完成一個(gè)缸孔的完整加工，且刀柄必須采用特殊過(guò)定位式刀柄，即雙面接觸（簡(jiǎn)稱：BIG PLUS）。

3 .成組加工方法的應(yīng)用

本方法運(yùn)用成組技術(shù)分析理論，以組合鏜刀為加工基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)對(duì)過(guò)定位刀柄原理的分析研究，一般刀具與機(jī)床聯(lián)接的錐柄（ISO 60或ISO 50），由目前常用7∶24的錐柄形式（DIN69871）改為錐柄心軸（其刀柄錐度為7∶24、柄部心軸直徑60mm）定位、標(biāo)準(zhǔn)法蘭聯(lián)接（法蘭孔φ177.8mm），這樣可減少因鏜刀長(zhǎng)徑比過(guò)大而引起的被加工孔圓柱度和圓度超差，如圖2所示，常用的標(biāo)準(zhǔn)鏜刀采用7∶24錐柄定位，刀柄上拉釘與機(jī)床主軸拉緊以鎖緊刀具，刀具鏜孔質(zhì)量受懸伸（L）和鏜孔直徑（D）之比（L/D）的限制，一般不能超過(guò)4×D，且一次只能加工一個(gè)要素。新方法采用粗、精鏜孔加工分開(kāi)，兩把刀具加工10個(gè)被加工要素，采用刀柄心軸定位，刀柄心軸先于機(jī)床主軸，利用拉釘鎖緊定位，刀柄心軸與組合鏜刀利用心軸定位（心軸直徑60mm），組合鏜刀上的法蘭螺栓孔與機(jī)床主軸端面的采用端面配研、螺栓鎖緊，利用主軸端面兩個(gè)對(duì)稱鍵塊傳遞轉(zhuǎn)矩。

圖2

將機(jī)身的缸孔加工分為粗鏜和精鏜兩道工序，僅需粗加工組合鏜刀和精加工組合鏜刀兩把刀具就能完成，如圖3所示。

圖3

粗組合鏜刀上的所有刀夾在軸向上是一個(gè)方向，且在一條直線上，設(shè)計(jì)時(shí)是有精確要求的；徑向上是對(duì)稱分部，刀夾的在刀體上的軸向分部與所要加工孔的軸向尺寸有關(guān)，一般采用的原則是防振、重切削及對(duì)稱刀夾切深余量均勻；加工時(shí)一次進(jìn)刀，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整轉(zhuǎn)速和進(jìn)給，操作簡(jiǎn)單，適用于批量生產(chǎn)。

精組合鏜刀上的所有精鏜頭在軸向上是一個(gè)方向，盡量設(shè)計(jì)在一條直線上，精鏜頭的上下分部間距與所要加工孔的軸向尺寸有關(guān)，一般采用的原則是防振、輕切削及所用精鏜頭切深余量均勻，精鏜頭根據(jù)實(shí)際可調(diào)整（調(diào)整精度0.002mm）；加工時(shí)一次進(jìn)刀，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整轉(zhuǎn)速和進(jìn)給，操作簡(jiǎn)單，適用于批量生產(chǎn)。

若缸孔的止口過(guò)大，半徑方向的切深超過(guò)5mm，如圖1所示φ275H7與φ248H7的過(guò)渡面形位公差有要求且有R=1.6mm的過(guò)渡圓角，可增加一把粗精復(fù)合銑刀即可。在缸孔加工完后，不換加工設(shè)備（或調(diào)換加工設(shè)備，基準(zhǔn)統(tǒng)一，兩次找正機(jī)身），更換粗精復(fù)合銑刀，找正調(diào)整刀具，進(jìn)行插補(bǔ)銑削。

4.該方法的關(guān)鍵控制點(diǎn)

采用成組技術(shù)，將機(jī)身缸孔加工要素進(jìn)行分類(lèi)、組合、計(jì)算，將所有加工要素進(jìn)行逐一分析，合理地分配到粗加工組合鏜刀和精加工組合鏜刀，一般將加工倒角的刀夾和粗加工刀夾組合到一把鏜刀上（即粗組合鏜刀）；將精鏜孔鏜頭組合到一把鏜刀上（即精組合鏜刀），刀夾和精鏜頭在相應(yīng)刀體上的布置，必須平衡切削抗力，減少刀具振動(dòng)，確保缸孔加工質(zhì)量前提，特殊情況下某個(gè)倒角刀夾無(wú)法在粗加工刀體上布置，可布置在精加工刀體上，但軸向位置必須避開(kāi)與精鏜頭同時(shí)切削。

（1）機(jī)身氣缸孔加工前，首先要加工出機(jī)身長(zhǎng)度、寬度、高度三個(gè)方向（一般長(zhǎng)度方向?yàn)闄C(jī)身齒輪安裝端面、寬度為機(jī)身基準(zhǔn)側(cè)面，高度為機(jī)身底面，一般原則是基準(zhǔn)與圖樣設(shè)計(jì)基準(zhǔn)一致，不一致時(shí)，必須在本工序的上道工序中加工出工藝基準(zhǔn)）上的基準(zhǔn)，且在長(zhǎng)度和寬度方向要設(shè)計(jì)快速定位工裝，一般采用的快速定位夾緊找正基準(zhǔn)都是與氣缸孔有重要關(guān)系的，且已精加工過(guò)的表面在長(zhǎng)度方向上采用機(jī)身齒輪安裝端面，寬度方向上采用機(jī)身凸輪軸孔側(cè)面，確保同型機(jī)身基準(zhǔn)統(tǒng)一。

同型號(hào)機(jī)身的加工余量及基準(zhǔn)必須是統(tǒng)一的，避免基準(zhǔn)不統(tǒng)一誤差，減少兩次找正的時(shí)間，粗鏜加工余量一般控制在5mm左右，精鏜加工余量一般控制在0.25mm。

（2）防止機(jī)身氣缸孔的圓柱度超差，本方法的前提條件是加工所用機(jī)床為數(shù)控龍門(mén)鏜銑床，氣缸孔采用立式加工；機(jī)床的主軸方滑枕（Y軸）在切削加工中不能有較大的移動(dòng)距離，距離越大，上下缸孔的不同軸度越大；采用機(jī)床橫梁（Y軸）固定“鎖死”，主軸方滑枕（Z軸）上下滑動(dòng)切削進(jìn)給，工作臺(tái)（X軸）移動(dòng)逐個(gè)加工汽缸孔。

圖4

（3）防止缸孔的圓度超差，降低刀具的制作成本，將需要采用的過(guò)定位機(jī)床主軸和刀具（雙面接觸BIG PLUS），改變成采用標(biāo)準(zhǔn)錐度心軸，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)法蘭聯(lián)接，本方法采用錐度為ISO 60、圓柱心軸為φ60g5（見(jiàn)圖4）。組合鏜刀與機(jī)床聯(lián)接以法蘭聯(lián)接，法蘭孔φ177.8mm、定位孔φ60mm（見(jiàn)圖5）。但必須在方便組合鏜刀安裝前提下，裝配保證錐度心軸φ60mm與組合鏜刀的φ60mm定位孔最大間隙不超過(guò)0.03mm。將組合鏜刀與機(jī)床主軸的結(jié)合面進(jìn)行刮研，通過(guò)增大貼合度，增加刀具的剛性，一般貼合度控制在75%以上。

圖5

（4）防止組合鏜刀加工振刀，必須合理地進(jìn)行刀夾的布置、倒角刀夾的分配。刀夾和精鏜刀頭示意圖如圖6所示。

圖6

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，目前缸孔的倒角有45°、30°、15°，徑向抗力最大的為15°和30°刀夾，以圖1所示的缸孔為例（上缸孔15°、45°，下缸孔15°），三個(gè)倒角不能在同一把組合鏜刀上，只能將上缸孔15°和下缸孔15°倒角放在粗鏜刀上，倒角刀夾與粗鏜刀夾不能同時(shí)參與切削。

上缸孔45°倒角刀布置在精鏜組合刀上，但也不能與三個(gè)精鏜刀同時(shí)參與切削。以圖1所示的缸孔為例，加工用粗組合鏜刀上有5個(gè)刀夾，其中兩個(gè)是15°的倒角刀夾；精組合鏜刀上有4個(gè)刀夾，其中1個(gè)是15°的倒角刀夾、3個(gè)精鏜刀夾，確保缸孔一次成形。注意：刀夾因廠家不同，其外形及安裝尺寸不同。

本方法采用的粗組合鏜刀的最大調(diào)整量在4mm以內(nèi)，通過(guò)刀夾尾部微調(diào)螺釘?shù)恼{(diào)整，可以適用缸孔余量不均吃刀量過(guò)大而引起的振刀或刀具損壞；精組合鏜刀的最小調(diào)整量為0.002mm，通過(guò)對(duì)微調(diào)刀頭的調(diào)節(jié)，達(dá)到對(duì)缸孔圓柱度的精細(xì)控制。

以下操作步驟前提是粗、精組合鏜刀都在樣件上進(jìn)行過(guò)試加工，具體操作如下：

第一步，刀柄心軸與機(jī)床主軸利用拉釘鎖緊，組合鏜刀與主軸利用已鎖緊的刀柄心軸上圓柱心軸為φ60H6/g5配合定位，機(jī)床主軸端面的轉(zhuǎn)矩鍵與組合鏜刀鍵槽配合，鎖緊組合鏜刀法蘭上4個(gè)螺栓。

第二步，按照數(shù)控機(jī)床的常用鏜孔方法，找正機(jī)身定位工裝的X、Y、Z三個(gè)方向，確定機(jī)身缸孔鏜削三個(gè)方向的相對(duì)零點(diǎn)，鎖緊工裝。

第三步，將機(jī)身在定位工裝上裝夾好，按照數(shù)控機(jī)床的鏜孔常用方法，在機(jī)身第一缸孔進(jìn)行試鏜，根據(jù)加工情況微量調(diào)整刀夾徑向尺寸（粗組合鏜刀可對(duì)每個(gè)刀夾進(jìn)行一個(gè)加工尺寸兩個(gè)方向上的調(diào)整，根據(jù)刀夾切深均勻的原則，進(jìn)行4mm的調(diào)整；精組合鏜刀只能在徑向上調(diào)整，調(diào)整量為0.002～5mm），第一缸鏜完后經(jīng)行測(cè)量，尺寸精度和質(zhì)量是否滿足工藝要求。特別注意：精組合鏜刀加工是不能一次加工到尺寸的，必須預(yù)留余量，第一次試加工完，檢測(cè)沒(méi)有問(wèn)題后，調(diào)整精鏜頭至工藝要求尺寸進(jìn)行加工（特殊情況下，可進(jìn)行3次調(diào)整，確保沒(méi)有失誤）。

第四步，第一缸鏜完后，對(duì)機(jī)身進(jìn)行逐缸加工，粗加工完后，再更換刀具進(jìn)行精加工（特別注意：精加工時(shí)要根據(jù)刀片的壽命和加工實(shí)際情況及時(shí)更換刀片，避免刀片磨損而出現(xiàn)的質(zhì)量事故）。若機(jī)床采用雙主軸龍門(mén)鏜銑，那么刀具一次裝夾、批量加工機(jī)身的效率可想而知。

采用的組合鏜刀要注意平衡，刀具要進(jìn)行靜平衡和動(dòng)平衡試驗(yàn)（其試驗(yàn)的方法和要求與刀具的實(shí)際尺寸長(zhǎng)度和直徑有關(guān)），其精度越高的刀具平衡性要求越高，缸孔的圓度和表面質(zhì)量越好，反之越差；刀具的自身質(zhì)量要控制，根據(jù)機(jī)床主軸的承受能力適當(dāng)去重或改變刀具材料（刀具自重不能超過(guò)實(shí)際切削機(jī)床主軸在旋轉(zhuǎn)加工時(shí)所能承受的拉緊負(fù)載，一般機(jī)床主軸標(biāo)有主軸的刀柄拉緊力、額定轉(zhuǎn)速及功率下所能承載的最大刀具質(zhì)量）。將刀具設(shè)計(jì)成對(duì)稱形狀，中間去重孔為橢圓形對(duì)稱孔，即達(dá)到去重目的，有效降低刀具的自重。如果機(jī)床主軸承重有限，則可采用鋁合金材料，避免刀具過(guò)重而引起主軸損傷。

5.使用效果

成組加工方法適用于批量生產(chǎn)，降低了缸孔加工時(shí)間，減少了刀具數(shù)量，避免因重復(fù)換刀而引起二次找正誤差，降低了柴油機(jī)機(jī)身的制造成本；提高了被加工零件孔的同軸度，一般能將機(jī)身上缸孔與下缸孔的同軸度控制在0.03mm以內(nèi)；操作簡(jiǎn)便，粗鏜（或倒角）刀夾調(diào)節(jié)尺寸方便，尤其是精加工時(shí)精鏜刀夾的調(diào)節(jié)最小可以控制在0.002mm；易于推廣，在加工機(jī)身汽缸孔上廣泛應(yīng)用的同時(shí)，還可推廣到機(jī)身油泵孔等同類(lèi)型孔的加工。