機車柴油機氣缸蓋柔性機加工生產線的工藝設計

楊濤

摘要：本文討論的是機車柴油機氣缸蓋柔性機加工生產線工藝設計問題，主要介紹了氣缸蓋機加工工藝流程設計、生產線工藝布局及物流線設計的原則及技術特點，為氣缸蓋產線及工藝流程優化提供了參考。

關鍵詞：氣缸蓋;工藝設計;工藝流程

0? 引言

《中國制造2025》將軌道交通裝備列為大力推動、突破發展的十大重點領域之一，其主要產品大功率中高速柴油機是軌道交通干線牽引內燃機車的核心動力裝置。氣缸蓋是機車柴油機的關鍵部件之一，安裝在氣缸套上部，通過氣缸蓋螺栓與機體固定在一起，與活塞、氣缸套內壁構成燃燒室。氣缸蓋的加工工藝十分復雜，尤其氣門座錐面與氣門導管孔這一組孔系的加工質量直接影響著柴油機的工作性能和可靠性。我公司根據自身實際情況，為提升柴油機關鍵部件的制造水平和產品質量，于2016年投資建設了一條氣缸蓋柔性機加工生產線。本文現對氣缸蓋柔性機加工生產線的工藝流程設計、工藝布局及物流線設計作簡要闡述。

1? 氣缸蓋結構及技術要求

1.1 氣缸蓋結構特點

機車柴油機用氣缸蓋為四氣門鑄鐵整體式結構，是動力組裝配中最復雜的部件。氣門座和氣門導管采用合金鑄鐵，氣門座冷裝壓入后進行精加工，氣缸蓋加工主要有上下高低壓面、氣門座孔、氣門導管孔、噴油器孔、周邊螺堵孔等。

1.2 主要技術要求

以265H氣缸蓋為例（表1）。

2? 機加工生產線工藝設計概況

2.1 設計綱領

生產線的規劃以實現氣缸蓋柔性加工為原則，建成年產各型中高速柴油機氣缸蓋8400個以上的生產線，即生產265H型氣缸蓋4800個/年，240型氣缸蓋2400個/年，其他氣缸蓋1200個/年。按年工作日250天，每天三班制、每天工作21小時計算。

生產線設備以進口加工中心為主，配備數控立式車床及必需的輔助裝置組成，以適應新產品和離散型小批量多品種混線生產模式，保證最短的生產研制周期和最低的運營成本。

為降低勞動強度，提高加工精度和產品質量，工件上下料采用桁架機械手，工序間各機床形成封閉產線，采用軌道堆垛升降機進行加工工位的輸送和定位。

2.2 機加工工藝流程設計及優化

2.2.1 工藝流程設計基本原則

氣缸蓋機加工工藝流程設計時需確定以下幾點：

①確定理論生產節拍：依據客戶訂單數量計算出理論生產節拍。

產品需求數量/有效生產投入時間=節拍（件/小時）

（注：生產投入時間需考慮到設備開動率、產品合格率等各因素）

②依據計算的節拍時間合理分配工序，工序分配時，必須保證用時最長的工序加工時間不能超過理論節拍時間。

③氣缸蓋加工以孔面加工為主，工藝流程設計應遵循“基準先行，先粗后精，先面后孔，工序集中”的基本原則。

④工藝流程設計應根據圖紙確定關鍵/特殊工序及特性尺寸，在現有的設備條件下，優先選擇加工精度高、穩定性好，綜合性能較強的設備加工氣缸蓋精度要求較高的尺寸。

⑤工藝流程的基本框架制訂好后，在此基礎上對工藝流程進行優化設計，以工序集中為原則，調整各工序加工內容，盡可能減少設備使用數量。

2.2.2 265H型氣缸蓋加工工藝流程設計分析

按照生產線設計綱領，265H型氣缸蓋為400個/月，設定月有效工作日20天，每天三班制、每天有效工作時間21小時，設備利用率為85%，產品合格率為96%，則每月有效生產投入時間為：

20（天）×21（小時/天）×0.85×0.96=342.72（小時）

則理論生產節拍為400/342.72≈1（件/小時）

理論生產節拍計算出后，可根據該節拍和產品圖紙要求，規劃出能達到該節拍和圖紙要求所需配置的機床、工卡量具、輔機等設備。

氣缸蓋的主要加工工序為低、高壓平面、周邊面孔以及各種孔系的加工，精度要求較高，對工作性能影響最大的關鍵工序是高壓面氣門座孔、氣門導管孔的加工。在制定工藝流程時，第一道工序通過劃線確定粗加工找正基準和加工界限，粗精加工出低壓面、中心孔，然后第二道工序以加工完的低壓面為定位基準來加工高壓面，本工序并未直接將高壓面精加工到位，而是僅進行半精加工，把精加工量放到最后一道工序加工。因裝配時氣缸蓋高壓面需和氣缸套頂面相結合，兩平面之間有銅密封圈進行密封，所以氣缸蓋高壓面的粗糙度、平面度等要求很高。高壓面一旦發生磕碰，尤其密封環帶區域發生磕碰，整個部件就面臨報廢風險，工藝上把高壓面精加工工序放到最后進行，有效減少了中間工序可能造成的磕碰，也是最合理的工藝流程設計。同理，精度要求最高的氣門座孔、氣門導管孔等，安排到較后工序加工，該流程設計也符合基準先行，先粗后精的基本加工原則。

加工工藝基本流程制訂后，需對工藝流程進行優化設計，本著工序集中的原則，盡量減少設備的使用數量，尤其是專機的使用。在工藝設計過程中，根據零部件結構特點，在一次裝夾中能同時加工的內容進行集中考慮，如周邊面、孔加工安排在同一工序，成組孔系的加工安排在同一工序內。

2.3 工藝流程及選用設備

工藝流程以265H氣缸蓋為例（表2）。

從柔性的角度，加工線上的加工中心決定生產線的柔性程度、自動化程度。根據氣缸蓋的產品結構特點，大部分加工內容選用臥式加工中心完成，這樣便于進行工藝調整及優化，便于快捷地進行產品換型，能夠靈活地進行切削參數的調整及優化。氣缸蓋柔性線選用的臥式加工中心主要技術參數為：

①加工中心類型：四軸聯動雙交換NC旋轉工作臺臥式;

②工作范圍：1200×1000×1000;

③機械主軸并配備恒溫裝置，主軸錐孔HSK-100，高壓內冷;

④定位精度0.007mm，重復精度0.004mm;

⑤智能刀具庫，刀庫可攜帶刀具120把;

⑥西門子840Dsl數控系統，柔性系統Fastem。

2.4 工藝布局及物流線設計

按照規劃要求和廠房布局，氣缸蓋柔性機加生產線布置在50m×24m的區域內，生產線設備的平面布置與加工工藝流程基本一致，保證加工過程中部件運轉的直線性，避免工序間周轉反復、費時。工序與工序之間的設備是串行布置，同一工序含有一定的加工過程，配備有多臺相同型號的加工中心，在自動線中，工件在一臺機床上加工后，進入下一機床完成下一工序的加工，這樣繼續進行下去直至完成工件全部加工過程為止。

柔性機加生產線物流輸送主線采用AGV進行運輸。線邊庫到機床之間氣缸蓋運輸采用叉車式AGV實現物料配送;氣缸蓋在加工中心線上下料采用龍門式桁架機械手，工序間各機床形成封閉產線，采用軌道堆垛升降機進行加工工位的輸送和定位;氣缸蓋加工后采用貨架式AGV進行加工中心線和后續打磨清洗間的物料運輸。（圖1）

3? 結束語

本文對機車柴油機氣缸蓋結構及技術要求進行了簡單介紹，主要分析了氣缸蓋機加工工藝流程設計、生產線工藝布局和物流線設計。通過結合265H型氣缸蓋實際案例，進一步分析了氣缸蓋機加工工藝流程，并對過程中的技術難點和工藝設計原則進行了介紹。氣缸蓋機加工生產線的工藝設計以及設備的選型，嚴格遵守先進、合理、適用、經濟性等原則，工藝流程設計的好壞直接影響產品的質量及經濟效益，因此，我們應不斷加強氣缸蓋工藝流程優化的研究，以適應未來市場的發展需求。

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