柴油机机体是柴油机各零部件的安装基础，是柴油机的的核心部件，其加工质量水平不仅影响到发动机的外观质量，还直接影响到发动机的装配质量和使用寿命、可靠性等性能要求。随着我国新排放标准的颁布，国家对节能减排提出了更高要求。因此,各生产厂家都在努力提高柴油的性能,其中，提升柴油机机体的加工质量是节能减排的重要环节。为此，国内外对柴油机机体的加工中应用了更多的新技术、新工艺。我们结合柴油机机体加工的一些新方法及新工艺，充分利用五面体龙门加工中心的功能，对现有的刀具应用及加工工艺进行了优化改进，使用新的夹具和刀具，改变工艺路线，提升机体加工质量，降低加工成本，提高加工效率。近几年，随着科技的高速发展，大型龙门五面体加工中心的功能不断开发，新技术和新方案不断涌现，很多普通机床的加工内容不断优化到加工中心，原本需要特殊工装和夹具加工的面、孔、螺纹等工序，借助于各种规格和型号的附件铣头，在加工中心一次装夹加工成型，相比较而言，龙门加工中心加工出的内容更准确、精密、可靠并且效率更高。中车戚墅堰机车有限公司配件公司在引进GE柴油机产品时，新增一台德国瓦德里西科堡公司的大型龙门五面体加工中心，应用于GE柴油机机体的加工，加工精度和效率较高，加工出的产品质量稳定、可靠。近几年，随着公司产品的不断调整，GE机体产量逐渐不饱和，公司原有产品16VZJ柴油机机体产量增加。16VZJ柴油机机体在原有的加工刀具和加工工艺下，加工工艺效率和精度较低，亟待优化。VZJ柴油机机体气缸孔加工要求气缸孔加工工序主要完成左右两侧气缸孔平面及平面上各孔、推杆孔平面及平面各孔和顶面及各螺纹孔的加工，有以下特点：1）加工内容多：该工位需要加工内容如下：机体左右气缸孔平面、16档气缸孔、16档推杆孔、64个缸头螺丝孔、64个出水孔及平面上M10、M12、M16等各类型安装螺孔和机体顶面平面及螺纹孔，如图1、图2所示。2）加工精度要求高：气缸孔上孔的圆柱度为0.mm，上下孔的同轴度为φ0.04mm，孔的中心位置度相对于主轴孔1、9档的中心线位置度要求为φ0.12mm，气缸孔安装面的表面粗糙度值Ra＝1.6μm，如图3所示；M45mm缸头螺栓孔深度为mm，如图4所示，左右侧气缸孔中心线与主轴孔中心线的夹角为50°±5′（见图1）。图1气缸孔所在平面位置图2气缸孔平面俯视图图3气缸孔剖视图图4气缸孔及缸头螺栓孔和水孔详图2传统加工工艺及问题柴油机机体为大型箱体类零件，铸铁材料，为保证在柴油机运行过程中的稳定性，其内部型腔复杂，筋板结构较多。为了控制在加工过程中加工应力引起的变形，机体气缸孔、主轴孔等余量较多的部位经过粗加工和半精加工后各平面和内孔的单边只留2mm余量。根据工序安排，加工机体气缸孔工序前，机体底平面、侧面基准边及主轴孔已经完成精加工。传统的加工工艺选用加工中心和摇臂钻床使用25°斜垫（见图5），经过多次翻身装夹，在加工时，借助25°斜垫，将机体左右侧气缸孔平面翻转后，使得机体气缸孔平面处于水平方向，利用机体前道工序已加工完成的机体底平面及侧面的基准边来定位。虽装夹稳定可靠，但不方便，且在吊运和装夹过程中需要将机体多次翻身，存在安全隐患，且由于多次装夹，需要多次校调零点，各部位相对坐标有一定的偏差。图5机体25°斜垫因传统加工方案效率较低，故采用工序分序的原则来提升产能，结合公司实际情况，将绝大多数钻孔使用摇臂钻床加工，具体的工艺流程为：①在龙门加工中心上将机体装夹在25°斜垫（工装）上加工左侧平面、气缸孔和推杆孔，并将左侧安装小螺孔钻定位孔（见图6）。②将机体翻到另一个角度在龙门加工中心上利用在25°斜垫（工装）装夹后加工右侧平面、气缸孔和油泵推杆孔，并将右侧安装小螺孔钻定位孔。③加工机体顶面平面，并钻各安装螺孔定位孔。④在摇臂钻床上，用25°斜垫垫平机体左侧气缸孔平面，利用钻模钻攻缸头螺孔并钻铰出水孔，然后根据定位孔钻其他安装螺孔（见图7）。⑤在摇臂钻床上，用25°斜垫垫平机体右侧气缸孔平面，利用钻模钻攻缸头螺孔并钻铰出水孔，然后根据定位孔钻其他安装螺孔。⑥将工件放平在摇臂钻床上，根据定位孔钻顶面安装螺孔→⑦钳工对左右气缸孔平面和顶面上的小安装螺孔手动攻螺纹。⑧检查员测量检查。图6加工中心钻螺孔定位孔图7摇臂钻床加工螺孔传统加工工艺工序较分散，存在以下问题点：①加工不完全定位问题：25°工装只限制了5个自由度，X方向的移动未限制，仅依靠压板压紧力固定。②由于25°斜垫工装角度误差产生左右气缸孔轴线夹角误差，两次装夹，两个误差。③机体翻身在25°斜垫装夹时切屑容易掉在定位面上，影响定位精度。④因多次装夹产生装夹误差、装夹变形。⑤用百分表校两头主轴孔，定Y、Z坐标中心零点而产生误差，多次校调，多次误差累积。⑥各螺孔在摇臂钻床上加工，工人劳动强度大，加工效率较低，平面上各小螺纹孔需要钳工手动加工，工人劳动强度大，效率较低，还可能会引起漏攻螺纹。⑦整个加工需要6次定位装夹，吊运和翻身存在安全隐患。且辅助时间过多，加工周期长。⑧目前各企业普遍出现用工慌问题，而传统工艺需要较多有一定技术的熟练工。3新加工工艺及其优点在前道工序中机体底平面上增加两只φ25mm工艺定位销孔，利用机体底平面及两只工艺定位销孔采用一面两销工装（见图8）定位装夹，机体完全定位，装夹稳定可靠且方便。经过试验验证，机体固定后主轴孔零点误差可以控制在0.03mm以内，基本不需要再次调整，可以直接进行加工，减少零点校调时间。图8新工艺一面两销工装由于机体外形较大，左右对称，气缸孔加工位置较深，最深处为mm，适合龙门镗铣加工中心加工，能发挥龙门镗铣床镗的优势，公司新科堡龙门加工中心技术参数为：配备可交换式双工作台，单工作台宽mm，长0mm，单工作台X轴行程5mm，双工作台连起来后长mm长，行程1mm。Y轴行程mm，Z轴（滑枕）行程1mm，W轴（横梁）行程为mm。配备了加工机体用的9个专用附件铣头：两个延伸头，两个直角铣头，一个万能铣头和4个固定角度（22.5°、25°、10°及15°）铣头，两把专用非标气缸孔镗排，可以满足现有机体的加工要求。统一机体加工基准，根据图样标注，选择后端主轴孔止推面为X向基准，Y、Z都是以主轴孔中心轴线为基准。编程时坐标尺寸也利用以上基准为零点。该工序中，以上工序加工好的第1、9档主轴孔中心为基准，加工气缸孔、推杆孔等，保证与上一个工序加工的主轴孔的位置度和左右气缸孔夹角公差。选择刀具根据产品的产量与加工效率综合考虑，充分利用现有刀具资源，节约刀具采购成本、降本增效；针对加工内容较多，且时间较长的工序，要对刀具进行优化，选用镶片式硬质合金刀具和专用的复合刀具以提高加工效率，满足生产节拍要求。在科堡龙门加工中心上采用一面两销定位方式，一次装夹，采用雷尼绍自动测量机体零点（见图9、图10），使用25°铣头运用机床五面体加工功能能够钻攻气缸孔、油泵推杆孔及气缸平面上各螺纹孔（见图11，图12），使用主轴附件铣头钻攻顶面铣削及各螺纹孔的加工（见图13）。具体步骤如下：①工装校正压装：清洁工装和工作台安装面，上车后先预压紧，再用百分表检测工装平面度和两定位销直线度，保证在0.01mm以内，然后压紧。②机体上车、压装并打零点：将机体底平面清洁干净后进行工装，用0.03mm塞尺检查，要求通不过。先用扳手预压紧后，用nm扭力扳手压紧。装直角附件铣头，使用雷尼绍自动测量头，调用测量程序LD_QGK.MPF自动测量各轴零点（X零点在曲轴止推面上，Y、Z零点为主轴孔中心）。第1、9档主轴孔中心保证在0.03mm以内。③调用程序进行加工：自动运行程序MPFQGK_JG.MPF，装25°附件铣头，装面铣刀铣削左右侧气缸孔平面和推杆孔平面；选用气缸孔镗排（见图15、16）半精镗及精镗气缸孔；气缸孔上孔倒角；推杆孔半精镗及推杆孔精镗；出水孔钻孔；缸头螺孔第一钻；缸头螺孔第二钻；缸头螺孔攻螺纹；用整体硬质合金钻头钻其他小螺孔；小螺孔攻螺纹；机体下车后清洁，进入三坐标在线检测。图9雷尼自动测量零点图10自动位置坐标补偿图11左侧气缸孔镗孔图12右侧气缸孔镗孔图13机体顶面加工图图14水孔复合扩铰刀图15气缸孔半精镗刀具图16气缸孔精镗刀具新工艺主要有以下优点：①采用在机体底平面上增加两只工艺定位销孔，可以实现一面两销工装的快速定位，限制了工件6个自由度，解决了不完全定位问题及辅助时间长和吊运翻身的不安全因素。②利用雷尼绍自动测量机体零点，解决了人工设定零点产生错误的问题。③定制25°附件铣头（设备必须具有五面体加工功能），利用机床坐标旋转功能加工右侧气缸孔工序内容，完成后附件铣头旋转°，加工左侧气缸孔工序，保证气缸孔50°夹角误差。④制作铝合金气缸孔专用刀具，采用过定位刀柄装刀，解决了专用刀具过重和上下气缸孔同轴度误差的问题，且提升了加工效率及质量。⑤量身定制出水孔扩孔→铰孔→倒角一体化镶合金专用刀具，缸头螺孔更换专用刀片的刀具（见图17、图18），所有小螺孔使用整体硬质合金内冷钻代替原来的麻花钻，加工效率得到成倍提升。⑥出水孔、缸头螺孔及、所有小螺孔都在加工中心钻孔、攻螺纹到位，解决了在摇臂钻钻孔和钳工手动攻螺纹工人劳动强度大，加工效率低，加工精度较差，且加工过程中易产生不安全因素和人员短缺的问题。减少了普通设备的数量，充分发挥数控设备的效率和利用率，同时，也降低了手工操作的频率，提高了劳动生产率。图17缸头螺孔第一钻钻头图18缸头螺孔第二钻钻头不同系列车铣复合加工中心高档数控机床装备在我国飞机、航空航天发动机及附件厂等航空航天制造厂家都有引进。设备类型主要集中于奥地利WFL公司的车铣复合系列产品、德国DMG公司系列车铣复合加工中心、HYPERTURN公司EMCO系列车铣复合加工中心及瑞士宝美公司车铣复合加工中心等。但由于投入实际应用的时间不长，普遍缺乏与产品工艺特点和设备工艺特性相适应的成熟的加工工艺、编程和后置处理等技术手段。因此，目前引进的车铣复合加工设备基本上处于相对较低的运行水平。航空航天产品制造过程中面临的主要问题突出表现为工艺路线长、工艺过程复杂、加工效率低、加工变形严重、加工成本高等，车铣复合加工无论是在飞机制造还是在发动机制造领域都有着极为广阔的发展空间。如飞机机身整体框的铣削加工通常要经过下料/毛坯制备、基准加工、粗加工内形、粗加工外形、精修基准、半精和精加工内形、半精和精加工外形、孔加工、钳工修整及检测等数十个工序、多次翻转装夹才能完成。而目前航空航天发动机领域的整体叶盘加工也是采用整体锻造毛坯，经过车削、铣削、抛光、表面处理及强化、检测探伤等几十道工序才能完成。这些零件往往制造周期长，占机时间通常达到几百个小时，而且加工过程中都需要使用多台不同类型的数控机床和大量的夹具、刀具及量具等。另外，装夹的反复更换不仅造成零件制造过程中的等待时间过长，影响生产周期，而且也会造成装夹误差的积累，从而影响零件的尺寸精度和加工结果。车铣复合加工可以通过一次装夹实现上述典型航空航天零件的全部或大部分工序的加工，从而为复杂航空航天零件的高效、精密加工提供一种新途径。为了充分发挥先进的复合加工装备的加工效能，进一步提高航空航天产品的制造效率和质量，迫切需要开展以下四方面的工作：①结合航空航天产品零件的工艺特点，深入研究与之相适应的复合加工工艺，包括制定工艺路线，以及装夹方式、刀具、冷却及切削参数等的合理选取。②根据复合加工设备的运动结构和产品的工艺特点，开发和定制相应的数控编程、后置处理、切削仿真等系统，形成工艺－编程－后置－仿真的一体化解决方案，降低复合加工对工艺人员的要求。③形成工艺规范。结合仿真、试切及实际生产中积累的工艺经验，形成适用于车铣复合加工的固化的工艺规范，用以指导后续其他零件的加工。④注重人才的培养。复合加工设备是目前机械加工领域前沿技术的代表，无论是工艺编制还是操作维护都要比常规设备复杂，高水平的研发队伍是实现设备健康、高效运行的关键。目前高档车铣复合加工装备正朝着更大工艺范围、更高效率、大型化及模块化的方向发展。航空航天产品制造领域一直是先进制造技术发挥作用的重要舞台，随着航空航天产品更新换代速度的日益加快，工序分散的加工设备将逐渐被工序集中的柔性自动化装备所取代，这为复合加工技术提供了更为广阔的发展和应用空间，同时也是发展国产高档数控机床尤其是车铣复合加工机床的恰好时机。4结语工艺优化前后对比见表1。工艺方案改进后，机体经过三坐标检测，完全符合图样要求，经过连续多只机体的检测，Cpk值稳定。生产效率提高一倍以上，产品质量也得到了大幅提升，且稳定可靠。一些普通机床加工的零散工序逐步平移至该加工中心，大幅提高了生产质量和生产效率，缩短了生产周期，为柴油机机体的生产起到了至关重要的作用。减少了设备的数量和操作工人的数量，一个人，一台机床，但是一次性投入较大，对设备功能要求较高。本文发表于《金属加工（冷加工）》

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