寧 琨

（廣西玉柴機(jī)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(jī)的主體部分，其機(jī)加工工藝研究屬于公司全新領(lǐng)域，涉及工藝方案的設(shè)計、工裝設(shè)計和試制驗證等。為了節(jié)約成本和縮短開發(fā)周期，項目委員會要求充分利用現(xiàn)有生產(chǎn)條件，快速完成開發(fā)，搶占市場。

2 目標(biāo)

V型機(jī)屬于公司首次開發(fā)，除了考慮成本和周期，其研究成果還應(yīng)具有前瞻性、可借鑒性，為公司后續(xù)一系列V型柴油機(jī)的開發(fā)提供了技術(shù)支持和成功經(jīng)驗。本研究的目標(biāo)需要達(dá)到以下幾點(diǎn)：

（1）必須利用現(xiàn)有加工設(shè)備，避免重大設(shè)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(jī)加工提供成功經(jīng)驗。

（3）有利于將來批量生產(chǎn)。

（4）零件加工后尺寸必須達(dá)到產(chǎn)品圖紙技術(shù)要求。

3 工藝方案設(shè)計

3.1 零件特點(diǎn)

相對于直列氣缸體，V型氣缸體結(jié)構(gòu)由以下特點(diǎn)，這些特點(diǎn)需要在制定工藝方案[1]時充分考慮：

（1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工內(nèi)容多。V型柴油機(jī)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，各機(jī)構(gòu)布置緊湊，導(dǎo)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(xì)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(cè)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(jù)以上結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，我們制定了兩條工藝路線，并對比分析其優(yōu)缺點(diǎn)，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(cè)頂面→加工右側(cè)頂面→加工分開面→加工兩側(cè)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(cè)頂面→去凸輪軸孔毛刺→裝凸輪軸襯套→精加工左側(cè)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(cè)和右側(cè)頂面→加工分開面→加工兩側(cè)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(cè)和右側(cè)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(qū)別是：第一種使用四軸臥式加工中心，先以左側(cè)頂面為定位基準(zhǔn)，加工右側(cè)頂面，然后以右側(cè)頂面為定位基準(zhǔn)，加工左側(cè)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(jī)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(cè)頂面和右側(cè)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(lián)動這一靈活特性，其精度主要受到機(jī)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(jī)加工工藝路線優(yōu)缺點(diǎn)，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(diǎn)考慮：

第一，可以有效利用四軸加工中心的產(chǎn)能。V型機(jī)的開發(fā)成功，將來最終會轉(zhuǎn)向批產(chǎn)狀態(tài)，批量投放市場。采用這種工藝路線有利于轉(zhuǎn)向批產(chǎn)，將來可以減少工藝工裝的調(diào)整。更重要的是，在試制階段即對這種加工工藝流程進(jìn)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(shè)備，容易形成瓶頸工序。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，會影響整個項目的進(jìn)度。

表1 工藝路線優(yōu)缺點(diǎn)對比

3.2.4 確定工序基準(zhǔn)[2]

按照以上優(yōu)選的工藝路線，確定以下工藝基準(zhǔn)：

粗基準(zhǔn)：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(zhǔn)：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(cè)頂面和右側(cè)頂面）互為基準(zhǔn)，相互保證其精度。

定位基準(zhǔn)：

1）左側(cè)頂面及其上銷孔；

2）右側(cè)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(jù)零件各尺寸的設(shè)計精度，劃分以下粗、精階段，合理安排工序內(nèi)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(cè)頂面→加工右側(cè)頂面→加工分開面。

主要是去除左側(cè)頂面、右側(cè)頂面、左側(cè)缸孔、右側(cè)缸孔、主軸承座側(cè)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(cè)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(cè)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(cè)頂及左側(cè)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(xù)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(rèn)零件加工后的精度符合技術(shù)要求，從理論上先行驗算該方案的可行性。

3.3.1 右側(cè)頂面到主軸孔中心距離463±0.035 mm：

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

圖1 右側(cè)頂面尺寸鏈

3.3.2 左側(cè)頂面到主軸孔中心距離463±0.035 mm：

如圖2，精銑左側(cè)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(shè)計尺寸符合，不必進(jìn)行工藝尺寸鏈換算。

圖2 左側(cè)頂面尺寸鏈

3.3.3 右側(cè)頂面缸孔中心相對于主軸孔位置度φ0.2

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

圖中A0為封閉環(huán)：

基本尺寸：

理論誤差：±0.08

圖3 右側(cè)頂面缸孔中心尺寸鏈

3.3.4 左側(cè)頂面缸孔中心相對于主軸孔中心位置度φ0.2

如圖4，左側(cè)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(shè)計尺寸符合，不必進(jìn)行工藝尺寸鏈換算。

圖4 左側(cè)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(shè)計尺寸符合，不必進(jìn)行工藝尺寸鏈換算。

3.3.6 左側(cè)缸孔和右側(cè)缸孔V型夾角垂直度

如圖5，先加工右側(cè)頂面缸孔，右側(cè)側(cè)頂面缸孔中心與右側(cè)頂面垂直度 β1＝90°± δ（1δ1＝0.025）。然后工件以右側(cè)頂面為定位基準(zhǔn)，加工左側(cè)頂面缸孔，左側(cè)頂面缸孔中心與右側(cè)頂面平行度β2＝0±δ2（δ2＝0.025）。右側(cè)頂面缸孔和左側(cè)頂面缸孔是經(jīng)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(jīng)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(shè)計

V型氣缸體機(jī)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(jié)構(gòu)緊湊，外形各凸臺面和孔的布置空間有限，致使夾具設(shè)計[3]面臨同樣的問題：

（1）定位面是一斜面；

（2）壓緊機(jī)構(gòu)布置困難；

（3）壓緊力分布不均。

這幾套夾具的具體實現(xiàn)如下：

4.1 加工左側(cè)頂面工序

定位方式：以氣缸體分開面及外沿定位。

特點(diǎn)：該套工裝是以粗基準(zhǔn)定位，加工第一個精基準(zhǔn)——左側(cè)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(jī)構(gòu)可調(diào)，以便校平加工標(biāo)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(diǎn)固定。該夾具設(shè)計圖如圖6。

圖6 夾具設(shè)計圖

4.2 加工右側(cè)頂面和左側(cè)頂面工序

定位方式：氣缸體以左側(cè)頂面及其銷孔定位或以右側(cè)頂面及其銷孔定位。

特點(diǎn)：該套工裝是V型氣缸體成V型角度的左右側(cè)頂面互為基準(zhǔn)，保證V型氣缸體夾角及這兩頂面上孔系相互精度的關(guān)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(guān)鍵孔的精加工。這套工裝用于兩道工序，加工左側(cè)頂面時，以右側(cè)頂面及其上的銷孔定位。加工右側(cè)頂面時，以左側(cè)頂面及其上的銷孔定位。這樣保證了左右側(cè)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(jīng)安裝了曲軸箱，其復(fù)雜的外形和高度集中的加工內(nèi)容，壓緊機(jī)構(gòu)的布置相當(dāng)困難，最終選擇了以缸孔下部凸臺面作為壓緊位置，并設(shè)計了特殊的上緊扳手。該夾具設(shè)計圖如圖7。

圖7 夾具設(shè)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(diǎn)：氣缸體復(fù)雜的外形，相互貫通斜油孔加工內(nèi)容，是該套工裝設(shè)計的難點(diǎn)。該套工裝設(shè)置了雙保險壓緊機(jī)構(gòu)，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(shè)計圖如圖8。

圖8 夾具設(shè)計圖

4.4 加工分開面工序

定位方式：以氣缸體左側(cè)頂面及左側(cè)頂面銷孔定位。

特點(diǎn)：定位面角度傾斜45°，設(shè)置了四點(diǎn)輔助支撐。為了便于吊裝工件，設(shè)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(cè)面沒有可以使用的壓緊點(diǎn)，最終將壓緊點(diǎn)布置在缸孔下部凸臺，解決了工裝壓緊問題，同時設(shè)計了專用扳手。該夾具設(shè)計圖如圖9。

圖9 夾具設(shè)計圖

5 關(guān)鍵技術(shù)

（1）采用互為基準(zhǔn)原則，即成V型夾角的左側(cè)頂面和右側(cè)頂面互為基準(zhǔn)，反復(fù)加工。采用這種流程：半精銑左側(cè)頂面→以左側(cè)頂面為定位基準(zhǔn)，半精銑右側(cè)頂面→以右側(cè)頂面為定位基準(zhǔn)，精銑左側(cè)頂面→以左側(cè)頂面為定位基準(zhǔn)，精銑右側(cè)頂面。這樣不斷提高定位基準(zhǔn)精度，保證兩個頂面之間相互位置精度。首輪試制的結(jié)果表明，這一原則有效保證了V型氣缸體各關(guān)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(xiàn)有設(shè)備條件相匹配。加工設(shè)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(jī)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(chǎn)。

（3）通過劃線確定第一道加工工序的基準(zhǔn)，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(jīng)驗。V型氣缸體由于其V型夾角的存在，通過設(shè)計劃線專用工裝才可以兼顧頂面缸孔余量劃線。

6 結(jié)束語

如圖10所示，V型氣缸體試制成功，驗證了該機(jī)加工工藝成效顯著。V型氣缸體機(jī)加工工藝有其共同的特點(diǎn)，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(jīng)驗。

圖10 加工完成后的V型氣缸體