曲軸箱氣缸孔數(shù)控加工方法創(chuàng)新淺析
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摘要：針對(duì)RK270型柴油機(jī)曲軸箱氣缸孔加工精度要求高、加工難度大等情況，從工件定位、刀具選用、數(shù)控程序編制和切削液選用等多方面進(jìn)行分析、論證和驗(yàn)證，通過(guò)優(yōu)化和改進(jìn)，找到了合理的氣缸孔加工方法，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率，為同類產(chǎn)品加工提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。
關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；曲軸箱；氣缸孔；數(shù)控加工；方法；實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)
1序言
RK270型船用柴油機(jī)的標(biāo)定功率為5500kW，其功率大，質(zhì)量輕，技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)性好，大修周期長(zhǎng)，是國(guó)際先進(jìn)的大功率中速柴油機(jī)。曲軸箱是柴油機(jī)的關(guān)鍵部件，工作時(shí)承受氣體壓力、慣性力及慣性力矩的共同作用，應(yīng)具有高的蠕變強(qiáng)度與持久強(qiáng)度。曲軸箱氣缸軸線V形夾角為45°，每側(cè)分布8個(gè)精密氣缸孔，用于放置氣缸套。氣缸孔位置如圖1所示。氣缸孔作為曲軸箱的重要部位，其加工精度對(duì)柴油機(jī)的工作效率影響很大，柴油機(jī)工作時(shí)，活塞環(huán)在氣缸套內(nèi)高速運(yùn)動(dòng)，氣缸孔的圓柱度、垂直度、表面粗糙度以及止口的平行度都影響柴油機(jī)的性能。
2氣缸孔加工難點(diǎn)
曲軸箱采用整鑄毛坯，材質(zhì)為球墨鑄鐵，體積大、形狀復(fù)雜，設(shè)計(jì)要求精度高，加工難度大。我公司采用龍門加工中心對(duì)曲軸箱氣缸孔進(jìn)行加工。為了得到高精度氣缸孔，需要克服3個(gè)難題。（1）鏜孔刀具易崩刀使用雙刃鏜刀鏜削氣缸孔特別是氣缸孔二環(huán)時(shí)，易產(chǎn)生崩刀問(wèn)題。這是由于鏜孔深度較大，達(dá)到488mm。為防止崩刀，只能采用小的切削深度和進(jìn)給量，從而影響質(zhì)量和效率，故必須采用復(fù)合型專用刀具。（2）數(shù)控機(jī)床控制程序的編制氣缸孔止口銑削后有刀痕，深度尺寸不穩(wěn)定。為充分發(fā)揮龍門加工中心的功能和潛力，必須編制簡(jiǎn)短、有效和安全的加工程序，需要借助R參數(shù)來(lái)編制程序，特別是編制銑削循環(huán)CYCLE903銑削止口，使用變量R給循環(huán)提供參數(shù)，以減少編程工作量。（3）裝夾和找正工藝針對(duì)工件體積大、精度高和形狀復(fù)雜的特點(diǎn)，必須制定合理的找正工藝流程。
3氣缸孔加工方案關(guān)鍵點(diǎn)分析
曲軸箱的缸臺(tái)面、氣缸孔和定位止口涉及了多個(gè)尺寸、幾何公差，其中包括氣缸孔一環(huán)直徑尺寸304.724+0.076+0mm，二環(huán)直徑尺寸301.549+0.076+0mm，氣缸孔止口深度尺寸0.508+0.076+0mm，曲軸箱缸臺(tái)面至底面止口中心距離927.1－0－0.127mm，是整個(gè)曲軸箱機(jī)體機(jī)械加工的關(guān)鍵控制對(duì)象。圖2為氣缸孔，其與止口之間的尺寸公差、幾何公差要求很嚴(yán)格，氣缸孔表面粗糙度值Ra要求達(dá)到1.6μm，表面不能有振紋，但是使用加長(zhǎng)鏜刀加工氣缸孔二環(huán)時(shí)，由于刀具長(zhǎng)度達(dá)530mm，所以加工時(shí)常發(fā)生振動(dòng)，影響表面粗糙度，而減小進(jìn)給量則會(huì)降低加工效率。止口的公差要求嚴(yán)格，需要與氣缸孔在一臺(tái)設(shè)備上一次裝夾來(lái)完成，這樣可以解決垂直度、軸向圓跳動(dòng)的問(wèn)題。
4工藝定位方案
在工序定位方式的選擇上，氣缸孔止口深度公差0.076mm、缸臺(tái)面至底面止口中心幾何公差0.127mm等指標(biāo)會(huì)直接影響柴油機(jī)的性能，必須優(yōu)先考慮，因?yàn)閮烧叨寂c底面止口中心存在位置關(guān)聯(lián)。
4.1方案的制定
工藝保證方法主要有兩種，即直接保證和間接保證。兩者之間的區(qū)別是工藝定位基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)（底面止口中心）是否重合。傳統(tǒng)的工藝是以兩側(cè)面設(shè)定Y軸基準(zhǔn)，通過(guò)嚴(yán)格控制工藝尺寸鏈，間接保證重合。而本工藝則是選用底面止口來(lái)確定Y軸基準(zhǔn)，利用已精加工完成的底面及底面止口作為本工序的主定位基準(zhǔn)，來(lái)保證所需的加工要求。此方法符合工藝基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)相重合的原則，能直接保證氣缸孔對(duì)底面止口中心的垂直度，以及缸臺(tái)面至底面止口中心的位置度等關(guān)鍵質(zhì)量要求，有效提高工件的機(jī)械加工精度。工藝保證方案如圖3所示。
4.2方案的具體實(shí)施方法
采用壓板、螺栓直接找正裝夾的方法，當(dāng)曲軸箱下落到平鐵上方時(shí)，向右側(cè)推動(dòng)曲軸箱，將其右側(cè)面緊靠在頂子上，以實(shí)現(xiàn)曲軸箱的粗定位。調(diào)整兩側(cè)的頂子，打表找正側(cè)面的基準(zhǔn)，用螺栓、壓板壓緊，此裝夾方法機(jī)動(dòng)靈活性好，可以實(shí)現(xiàn)工件快速定位裝夾。使用3D尋邊器設(shè)定基準(zhǔn)。3D尋邊器（見(jiàn)圖4）是一種高精度、多功能的測(cè)量?jī)x器。用分中法設(shè)定Y軸基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，首先將3D尋邊器壓在底面止口面上，當(dāng)指針指示為0時(shí)，表示機(jī)床主軸軸線與工件邊重合。然后調(diào)用編制的Y軸自動(dòng)分中程序L8882，該程序利用數(shù)控系統(tǒng)程序進(jìn)行內(nèi)部參數(shù)傳遞的方法，可快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)將測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)傳送給可設(shè)置的零點(diǎn)偏置數(shù)據(jù)區(qū)域，避免了因操作不當(dāng)、誤操作或抄數(shù)錯(cuò)誤等人為因素而影響計(jì)算精度，導(dǎo)致工件零點(diǎn)設(shè)定不準(zhǔn)確，造成不必要的廢品和損失。該程序存放在程序管理目錄下，運(yùn)行該程序完成具有對(duì)稱性的工件原點(diǎn)坐標(biāo)的確定工作將會(huì)十分方便。
5加工方案
5.1氣缸孔的加工
（1）氣缸孔加工方式的選擇為保證氣缸孔一環(huán)、二環(huán)的同軸度，粗、精加工氣缸孔時(shí)，采用復(fù)合鏜刀。在加工過(guò)程中，為保證一環(huán)、二環(huán)不產(chǎn)生擾振，鏜桿設(shè)計(jì)時(shí)都考慮脫刀加工，即一環(huán)、二環(huán)刀片不同時(shí)參與切削。同時(shí)，為保證氣缸孔的圓柱度要求，鏜桿采用高剛性結(jié)構(gòu)，并具有好的動(dòng)平衡性。（2）粗鏜復(fù)合刀具改進(jìn)及切削參數(shù)設(shè)定粗鏜氣缸孔時(shí)，由于氣缸孔二環(huán)鑄造毛坯余量太大，定制的粗鏜復(fù)合刀具不能一次完成粗加工，還需要用雙刃鏜刀加工兩次，影響加工效率。根據(jù)用刀經(jīng)驗(yàn)，提出了刀具改進(jìn)方案（見(jiàn)圖5），將加工氣缸孔二環(huán)的其中一個(gè)切削刃所在的刀座向刀具中心偏移銑削9mm（見(jiàn)圖5a），在安裝刀夾時(shí)，松開(kāi)鎖緊螺釘（見(jiàn)圖5b），轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整螺釘，將該切削刃向進(jìn)給切削方向調(diào)長(zhǎng)1mm，再擰緊鎖緊螺釘，這樣可以增加切削深度9mm。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，粗加工氣缸孔可一次完成。針對(duì)新鏜刀的特點(diǎn)，采用不同加工參數(shù)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，最終確定加工參數(shù)：切削速度vc=113m/min，進(jìn)給量f=0.25mm/r；切削深度為不可控量，未調(diào)整。由于新刀具在多方面采取防振措施，提高了加工過(guò)程的穩(wěn)定性，所以基本上杜絕了刀片的異常破損，從而減少了換刀次數(shù)，提高了設(shè)備開(kāi)動(dòng)率。（3）氣缸孔的精加工精鏜復(fù)合刀具包括刀體和精鏜單元，將刀體安裝在過(guò)定位刀柄上。過(guò)定位刀柄是一種靠錐面和端面同時(shí)定位的刀具系統(tǒng)，相對(duì)于僅靠錐面定位的傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)，該刀柄具有剛性好、靜剛性和動(dòng)剛性高的特點(diǎn)；采用精鏜單元是因?yàn)槠渚哂懈呔取ⅹ?dú)立性和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，其中的獨(dú)立性就是指不容易受刀體制造精度的影響。在對(duì)精鏜復(fù)合刀具進(jìn)行各種參數(shù)試驗(yàn)后，將切削參數(shù)確定為：切削速度vc=190m/min，換算出轉(zhuǎn)速n=198r/min，進(jìn)給速度vf=59mm/min。采用這些參數(shù)后，刀具使用壽命明顯提高。
5.2止口的精加工
（1）止口深度要求的重要性止口相對(duì)缸臺(tái)面的平行度對(duì)其深度公差控制的影響很大，一般工藝設(shè)計(jì)均將精銑缸臺(tái)面與精加工止口集成在一次裝夾下完成，盡量消除重復(fù)定位帶來(lái)的累積誤差。止口深度公差要求很嚴(yán)，主要是產(chǎn)品對(duì)缸套安裝后，相對(duì)曲軸箱缸臺(tái)面的凸盈量有嚴(yán)格的要求，若達(dá)不到要求，柴油機(jī)工作時(shí)就可能發(fā)生竄氣等嚴(yán)重后果。（2）加工方法的選擇為保證止口與氣缸孔的垂直度，止口的精加工采用銑削加工，軸向切削力小，排屑條件好，切削穩(wěn)定。為了避免出現(xiàn)刀痕，不采用直進(jìn)法，而采用圓弧切入法，使用變量R參數(shù)編制銑削循環(huán)CYCLE903，便于主程序調(diào)用，通過(guò)修改R參數(shù)來(lái)增強(qiáng)數(shù)控程序的通用性。該銑削循環(huán)不使用刀具半徑補(bǔ)償，采用“1/4圓法”[2]，可以在任意一個(gè)主程序中調(diào)用和執(zhí)行。如果主程序中輸入的刀具半徑大于被加工孔的半徑，則會(huì)產(chǎn)生故障報(bào)警，循環(huán)不執(zhí)行。
5.3切削液的合理使用
為了提高氣缸孔的加工質(zhì)量和刀具壽命，鏜孔時(shí)必須使用切削液進(jìn)行濕式加工，使切削液及時(shí)滲透到切削刃上，消除切削熱量，抑制積屑瘤，減少切削刃磨損，保證刀具在良好的潤(rùn)滑狀態(tài)下進(jìn)行切削，使切屑能順利排出，進(jìn)一步降低工件加工表面的表面粗糙度值。
6氣缸孔加工方法的實(shí)施效果
按原工藝使用雙刃粗鏜刀和單刃精鏜刀加工一臺(tái)曲軸箱氣缸孔的工時(shí)為11.88h，按新工藝使用粗、精復(fù)合鏜刀加工一臺(tái)曲軸箱氣缸孔的工時(shí)為3.87h，加工時(shí)間減少了約8h。使用復(fù)合鏜刀不僅提升了加工質(zhì)量，還提高了2倍多的生產(chǎn)效率。
7結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)對(duì)氣缸孔加工方法的創(chuàng)新和實(shí)踐，總結(jié)有以下收獲。（1）定位基準(zhǔn)的重要性利用已精加工完成的底面及底面止口作為主定位基準(zhǔn)，符合工藝基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)相重合的原則，能保證氣缸孔垂直度以及缸臺(tái)面、止口幾何公差等關(guān)鍵質(zhì)量要求。（2）刀具選擇的專業(yè)性采用粗、精鏜復(fù)合刀具能有效提高生產(chǎn)效率，過(guò)定位刀柄提高了刀具的剛性，使氣缸孔的表面質(zhì)量得到了提升。（3）程序編制的通用性采用R參數(shù)編制了銑削循環(huán)、自動(dòng)分中程序和精基準(zhǔn)自動(dòng)輸入程序，提高了程序的通用性[3]，將程序存儲(chǔ)于各個(gè)機(jī)床的程序目錄下，可以隨時(shí)調(diào)用。實(shí)踐證明，氣缸孔加工和操作方法可以應(yīng)用于其他柴油機(jī)氣缸孔及曲軸孔等部位的加工，為公司新型內(nèi)燃機(jī)車、船用柴油機(jī)等產(chǎn)品的工藝開(kāi)發(fā)提供了參考，值得推廣和借鑒。
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作者:萬(wàn)傳廣 張雪紅 叢明 單位:中車大連機(jī)車車輛有限公司