V型氣缸體加工工藝研究

寧 琨

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林537005）

1 背景

V型氣缸體屬于V型柴油機的主體部分，其機加工工藝研究屬于公司全新領域，涉及工藝方案的設計、工裝設計和試制驗證等。為了節約成本和縮短開發周期，項目委員會要求充分利用現有生產條件，快速完成開發，搶占市場。

2 目標

V型機屬于公司首次開發，除了考慮成本和周期，其研究成果還應具有前瞻性、可借鑒性，為公司后續一系列V型柴油機的開發提供了技術支持和成功經驗。本研究的目標需要達到以下幾點：

（1）必須利用現有加工設備，避免重大設備投入。

（2）必須具備通用性，適合將來其它系列V型氣缸體，為V型氣缸體機加工提供成功經驗。

（3）有利于將來批量生產。

（4）零件加工后尺寸必須達到產品圖紙技術要求。

3 工藝方案設計

3.1 零件特點

相對于直列氣缸體，V型氣缸體結構由以下特點，這些特點需要在制定工藝方案[1]時充分考慮：

（1）結構復雜，加工內容多。V型柴油機機構復雜，各機構布置緊湊，導致其氣缸體八個面的孔多。尤其是斜孔，它們和直油道相互貫通，多為細長孔，孔的深度和孔的直徑之比多大于8 mm。

（2）部分特征加工精度要求高。V型氣缸體左右側缸孔的V型夾角公差要求是±2'；凸輪軸孔同軸度要求是0.06；主軸孔的同軸度要求是0.05；凸輪軸孔、惰輪安裝孔、定位銷孔相對于主軸孔位置度要求是 φ0.06。

3.2 工藝路線

根據以上結構特點以及現有的生產條件，我們制定了兩條工藝路線，并對比分析其優缺點，如下：

3.2.1 以四軸臥式加工中心為主的工藝路線

檢→寫編號→粗銑分開面→加工左側頂面→加工右側頂面→加工分開面→加工兩側面及斜油道→鉆泄油孔→中間清洗→裝曲軸箱→打編號→精加工右側頂面→去凸輪軸孔毛刺→裝凸輪軸襯套→精加工左側頂面和精鏜八孔→止口研磨，缸孔檢查→裝堵塞→水道試漏→拆曲軸箱→清理、去毛刺→最終清洗→終檢→上油、入庫。

3.2.2 以五軸加工中心為主的工藝路線

檢→寫編號→粗銑分開面→加工左側和右側頂面→加工分開面→加工兩側面及斜油道→鉆泄油孔→中間清洗→裝曲軸箱→打編號→精鏜凸輪軸孔→去凸輪軸孔毛刺→裝凸輪軸襯套→精加工左側和右側頂面、精鏜八孔→止口研磨，缸孔檢查→裝堵塞→水道試漏→拆曲軸箱→清理、去毛刺→最終清洗→終檢→上油、入庫。

這兩種工藝路線主要區別是：第一種使用四軸臥式加工中心，先以左側頂面為定位基準，加工右側頂面，然后以右側頂面為定位基準，加工左側頂面。通過兩次定位兩次裝夾，分別在兩道工序加工，其精度主要受到夾具精度和機床精度的影響。第二種使用五軸加工中心，在同一道工序一次定位一次夾緊，加工左側頂面和右側頂面及其孔系。該路線主要利用五軸加工中心主軸可以五軸同時聯動這一靈活特性，其精度主要受到機床精度的影響。相比前者，后者零件加工的精度更高。

3.2.3 工藝路線對比

對比兩種機加工工藝路線優缺點，如表1。最終采用了以四軸臥式加工中心為主的路線，主要有兩點考慮：

第一，可以有效利用四軸加工中心的產能。V型機的開發成功，將來最終會轉向批產狀態，批量投放市場。采用這種工藝路線有利于轉向批產，將來可以減少工藝工裝的調整。更重要的是，在試制階段即對這種加工工藝流程進行驗證。

第二，確保項目的順利完成。目前五軸加工中心只有一臺，用其作為精加工的主要設備，容易形成瓶頸工序。當設備出現故障時，會影響整個項目的進度。

表1 工藝路線優缺點對比

3.2.4 確定工序基準[2]

按照以上優選的工藝路線，確定以下工藝基準：

粗基準：采用劃線獲得。劃線兼顧主軸孔、凸輪軸孔和缸孔等主要孔的加工余量，使加工后的氣缸體孔系均勻分布。

精基準：為了保證V型氣缸體V型夾角精度和保證成V型夾角的氣缸體頂面各孔精度。采用這兩個成V型夾角的頂面（左側頂面和右側頂面）互為基準，相互保證其精度。

定位基準：

1）左側頂面及其上銷孔；

2）右側頂面及其上銷孔；

3）后端面及后端面銷孔。

3.2.5 劃分粗、精工序

根據零件各尺寸的設計精度，劃分以下粗、精階段，合理安排工序內容，以確保零件加工后的精度：

粗加工階段：

粗銑分開面→加工左側頂面→加工右側頂面→加工分開面。

主要是去除左側頂面、右側頂面、左側缸孔、右側缸孔、主軸承座側面和主軸半圓孔余量。為了避免加工后變形的影響，這些面留一定余量給精加工。

精加工階段：

精加工右側頂面→精鏜八孔。

主軸孔、凸輪軸孔、缸孔相互位置度比較高，將加工右側頂面及其缸孔和精鏜凸輪軸孔安排在同一道工序。將加工左側頂及左側缸孔和精鏜主軸孔，凸輪軸孔，前后端定位銷孔安排在一道工序。這樣其精加工采取一次定位一次裝夾順序連續加工，保證了這幾個重要的孔相互位置精度。

3.3 尺寸鏈校核[2]

按照以上工藝路線，校核加工尺寸鏈，確認零件加工后的精度符合技術要求，從理論上先行驗算該方案的可行性。

3.3.1 右側頂面到主軸孔中心距離463±0.035 mm：

如圖1，先精銑右側頂面及右側頂面定位銷孔，然后以右側頂面及定位銷孔為定位基準加工主軸孔和左側頂面，因此工序尺寸與設計尺寸符合，不必進行工藝尺寸鏈換算。

圖1 右側頂面尺寸鏈

3.3.2 左側頂面到主軸孔中心距離463±0.035 mm：

如圖2，精銑左側頂面和精鏜主軸孔在同一道工序一起加工，工件一次定位一次裝夾，因此工序尺寸與設計尺寸符合，不必進行工藝尺寸鏈換算。

圖2 左側頂面尺寸鏈

3.3.3 右側頂面缸孔中心相對于主軸孔位置度φ0.2

如圖3，先將右側頂面定位銷孔和右側頂面缸孔加工，兩者距離為A2＝92.5±0.05。然后，工件以其右側頂面及右側頂面定位銷孔定位，加工主軸孔，主軸孔中心到右側頂面定位銷孔中心距離A3＝92.5±0.03，右側頂面缸孔和主軸孔是經過兩次裝夾分別加工，尺寸鏈換算如下：

圖中A0為封閉環：

基本尺寸：

理論誤差：±0.08

圖3 右側頂面缸孔中心尺寸鏈

3.3.4 左側頂面缸孔中心相對于主軸孔中心位置度φ0.2

如圖4，左側頂面缸孔與主軸孔在同一道工序加工，工件一次定位一次裝夾，因此工序尺寸與設計尺寸符合，不必進行工藝尺寸鏈換算。

圖4 左側頂面缸孔中心尺寸鏈

3.3.5 凸輪軸孔中心相對于主軸孔中心位置度φ0.054

凸輪軸孔與主軸孔在同一道工序加工，工件一次定位一次裝夾，因此工序尺寸與設計尺寸符合，不必進行工藝尺寸鏈換算。

3.3.6 左側缸孔和右側缸孔V型夾角垂直度

如圖5，先加工右側頂面缸孔，右側側頂面缸孔中心與右側頂面垂直度 β1＝90°± δ（1δ1＝0.025）。然后工件以右側頂面為定位基準，加工左側頂面缸孔，左側頂面缸孔中心與右側頂面平行度β2＝0±δ2（δ2＝0.025）。右側頂面缸孔和左側頂面缸孔是經過兩次裝夾分別加工，尺寸鏈換算如下：

圖5 左右缸孔中心夾角尺寸鏈

經過計算，這種四軸臥式加工中心的工藝流程能夠滿足零件精度要求。

4 夾具設計

V型氣缸體機加工工藝流程采用工序集中原則，僅需要四套夾具，大大縮短了夾具制造時間。V型氣缸體結構緊湊，外形各凸臺面和孔的布置空間有限，致使夾具設計[3]面臨同樣的問題：

（1）定位面是一斜面；

（2）壓緊機構布置困難；

（3）壓緊力分布不均。

這幾套夾具的具體實現如下：

4.1 加工左側頂面工序

定位方式：以氣缸體分開面及外沿定位。

特點：該套工裝是以粗基準定位，加工第一個精基準——左側頂面及銷孔的工序，除了要求定位可靠，夾緊力分布均勻外，還要求定位機構可調，以便校平加工標線。另外由于是第一道工序，切削余量大，還要求具備輔助支撐和多點固定。該夾具設計圖如圖6。

圖6 夾具設計圖

4.2 加工右側頂面和左側頂面工序

定位方式：氣缸體以左側頂面及其銷孔定位或以右側頂面及其銷孔定位。

特點：該套工裝是V型氣缸體成V型角度的左右側頂面互為基準，保證V型氣缸體夾角及這兩頂面上孔系相互精度的關鍵工裝。其要求一次裝夾完成氣缸體主軸孔，凸輪軸孔，缸孔這些關鍵孔的精加工。這套工裝用于兩道工序，加工左側頂面時，以右側頂面及其上的銷孔定位。加工右側頂面時，以左側頂面及其上的銷孔定位。這樣保證了左右側缸孔的V型夾角精度，同時也保證了缸孔與主軸孔的垂直度，主軸孔和凸輪軸孔的位置度等重要精度。

由于氣缸體已經安裝了曲軸箱，其復雜的外形和高度集中的加工內容，壓緊機構的布置相當困難，最終選擇了以缸孔下部凸臺面作為壓緊位置，并設計了特殊的上緊扳手。該夾具設計圖如圖7。

圖7 夾具設計圖

4.3 加工斜油道工序

定位方式：以后端面及后端面銷孔定位。

特點：氣缸體復雜的外形，相互貫通斜油孔加工內容，是該套工裝設計的難點。該套工裝設置了雙保險壓緊機構，利用凸輪軸孔和主油道來壓緊，避免了工裝干涉加工斜油道的刀具。該夾具設計圖如圖8。

圖8 夾具設計圖

4.4 加工分開面工序

定位方式：以氣缸體左側頂面及左側頂面銷孔定位。

特點：定位面角度傾斜45°，設置了四點輔助支撐。為了便于吊裝工件，設置了扶住裝置，在工裝完全定位前將氣缸體扶住。氣缸體四側面沒有可以使用的壓緊點，最終將壓緊點布置在缸孔下部凸臺，解決了工裝壓緊問題，同時設計了專用扳手。該夾具設計圖如圖9。

圖9 夾具設計圖

5 關鍵技術

（1）采用互為基準原則，即成V型夾角的左側頂面和右側頂面互為基準，反復加工。采用這種流程：半精銑左側頂面→以左側頂面為定位基準，半精銑右側頂面→以右側頂面為定位基準，精銑左側頂面→以左側頂面為定位基準，精銑右側頂面。這樣不斷提高定位基準精度，保證兩個頂面之間相互位置精度。首輪試制的結果表明，這一原則有效保證了V型氣缸體各關鍵孔的相互位置度。該原則不僅適用于V型夾角為90°的氣缸體，也適用于其他V型氣缸體。

（2）與現有設備條件相匹配。加工設備選用四軸臥式加工中心，避免采用了昂貴的五軸加工中心，機加工工藝流程更具有通用性，同時也有利于將來V型氣缸體小批量生產。

（3）通過劃線確定第一道加工工序的基準，這樣可以保證各孔系的余量更均勻，加工后的孔系與鑄造搭子對稱。這也是大型直列氣缸體的加工經驗。V型氣缸體由于其V型夾角的存在，通過設計劃線專用工裝才可以兼顧頂面缸孔余量劃線。

6 結束語

如圖10所示，V型氣缸體試制成功，驗證了該機加工工藝成效顯著。V型氣缸體機加工工藝有其共同的特點，該研究成果為將來一系列V型氣缸體的加工提供工藝流程模板和成功經驗。

圖10 加工完成后的V型氣缸體