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        柴油機(jī)機(jī)體氣缸孔加工刀具優(yōu)化及工藝改進(jìn)

        2020-07-09 09:20:06中車戚墅堰機(jī)車有限公司配件公司江蘇常州213011張永振李祖衛(wèi)
        金屬加工(冷加工) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:螺孔銑頭裝夾

        ■ 中車戚墅堰機(jī)車有限公司配件公司 (江蘇常州 213011) 姚 俊 張永振 李祖衛(wèi)

        近幾年,隨著科技的高速發(fā)展,大型龍門五面體加工中心的功能得到不斷開發(fā),新技術(shù)和新方案不斷涌現(xiàn),很多普通機(jī)床的加工內(nèi)容不斷優(yōu)化到加工中心,原本需要特殊工裝和夾具加工的面、孔及螺紋等工序,借助于各種規(guī)格和型號的附件銑頭,在加工中心一次裝夾加工成形,相比較而言,龍門加工中心加工出的內(nèi)容更準(zhǔn)確、精密、可靠并且效率更高。

        中車戚墅堰機(jī)車有限公司配件公司在引進(jìn)GE柴油機(jī)產(chǎn)品時(shí),新增一臺德國瓦德里西科堡公司的大型龍門五面體加工中心,應(yīng)用于GE柴油機(jī)機(jī)體的加工,加工精度和效率較高,加工出的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、可靠。

        近幾年,隨著公司產(chǎn)品的不斷調(diào)整,GE機(jī)體產(chǎn)量逐漸不飽和,公司原有產(chǎn)品16V280ZJ柴油機(jī)機(jī)體產(chǎn)量增加。16V280ZJ柴油機(jī)機(jī)體在原有的加工刀具和加工工藝下,效率和精度較低,亟待優(yōu)化。

        1. 16V280ZJ柴油機(jī)機(jī)體氣缸孔加工要求

        氣缸孔加工工序主要完成左右兩側(cè)氣缸孔平面及平面上各孔、推桿孔平面及平面各孔和頂面及各螺紋孔的加工,有以下特點(diǎn)。

        1)加工內(nèi)容多:該工位需要加工內(nèi)容如下,機(jī)體左右氣缸孔平面、16擋氣缸孔、16擋推桿孔、64個(gè)缸頭螺釘孔、64個(gè)出水孔及平面上M10、M12及M16等各類型安裝螺孔和機(jī)體頂面平面及螺紋孔,如圖1、圖2所示。

        圖1 氣缸孔所在平面位置

        圖2 氣缸孔平面俯視

        2)加工精度要求高:氣缸孔上孔的圓柱度為0.013mm,上下孔的同軸度為φ0.04mm,孔的中心位置度相對于主軸孔1、9擋(見圖3)的中心線位置度要求為φ0.12mm,氣缸孔安裝面的表面粗糙度值Ra=1.6μm,如圖4所示;M45缸頭螺栓孔深度為155mm,如圖5所示,左右側(cè)氣缸孔中心線與主軸孔中心線的夾角為50°±5′(見圖1)。

        圖3 第1、9擋主軸孔位置

        圖4 氣缸孔剖視

        圖5 缸頭螺栓孔和水孔

        2. 傳統(tǒng)加工工藝及問題

        柴油機(jī)機(jī)體為大型箱體類零件,鑄鐵材料,其內(nèi)部型腔復(fù)雜,筋板結(jié)構(gòu)較多。為了控制在加工過程中加工應(yīng)力引起的變形,機(jī)體氣缸孔、主軸孔等余量較多的部位經(jīng)過粗加工和半精加工后,各平面和內(nèi)孔的單邊只留2mm余量。根據(jù)工序安排,加工機(jī)體氣缸孔工序前,機(jī)體底平面、側(cè)面基準(zhǔn)邊及主軸孔已經(jīng)完成精加工。

        傳統(tǒng)的加工工藝選用加工中心和搖臂鉆床,使用25°斜墊(見圖6),經(jīng)過多次翻身裝夾,在加工時(shí),借助25°斜墊,將機(jī)體左右側(cè)氣缸孔平面翻轉(zhuǎn)后,使得機(jī)體氣缸孔平面處于水平方向,利用機(jī)體前道工序已加工完成的機(jī)體底平面及側(cè)面的基準(zhǔn)邊來定位。雖裝夾穩(wěn)定可靠,但不方便,且在吊運(yùn)和裝夾過程中需要將機(jī)體多次翻身,存在安全隱患,且由于多次裝夾,需要多次校調(diào)零點(diǎn),各部位相對坐標(biāo)有一定的偏差。

        因傳統(tǒng)加工方案效率較低,故采用工序分序的原則來提升產(chǎn)能,結(jié)合公司實(shí)際情況,將絕大多數(shù)鉆孔使用搖臂鉆床加工,具體的工藝流程為:①在龍門加工中心上將機(jī)體裝夾在25°斜墊(工裝)上加工左側(cè)平面、氣缸孔和推桿孔,并將左側(cè)安裝小螺孔鉆定位孔(見圖7)。②將機(jī)體翻到另一個(gè)角度在龍門加工中心上利用25°斜墊(工裝)裝夾后加工右側(cè)平面、氣缸孔和油泵推桿孔,并將右側(cè)安裝小螺孔鉆定位孔。③加工機(jī)體頂面平面,并鉆各安裝螺孔定位孔。④在搖臂鉆床上,用25°斜墊墊平機(jī)體左側(cè)氣缸孔平面,利用鉆模鉆攻缸頭螺孔并鉆鉸出水孔,然后根據(jù)定位孔鉆其他安裝螺孔(見圖8)。⑤在搖臂鉆床上,用25°斜墊墊平機(jī)體右側(cè)氣缸孔平面,利用鉆模鉆攻缸頭螺孔并鉆鉸出水孔,然后根據(jù)定位孔鉆其他安裝螺孔。⑥將工件平放在搖臂鉆床上,根據(jù)定位孔鉆頂面安裝螺孔。⑦鉗工對左右氣缸孔平面和頂面上的小安裝螺孔手動攻螺紋。⑧檢查員測量檢查。

        傳統(tǒng)加工工藝工序較分散,存在以下問題:①加工不完全定位問題,25°工裝只限制了5個(gè)自由度,X方向的移動未限制,僅依靠壓板壓緊力固定。②由于25°斜墊工裝角度誤差產(chǎn)生左右氣缸孔軸線夾角誤差,兩次裝夾,兩個(gè)誤差。③機(jī)體翻身在25°斜墊裝夾時(shí)切屑容易掉在定位面上,影響定位精度。④因多次裝夾產(chǎn)生裝夾誤差、裝夾變形。⑤用百分表校兩頭主軸孔,定Y、Z坐標(biāo)中心零點(diǎn)而產(chǎn)生誤差,多次校調(diào),多次誤差累積。⑥各螺孔在搖臂鉆床上加工,工人勞動強(qiáng)度大,加工效率較低,平面上各小螺紋孔需要鉗工手動加工,工人勞動強(qiáng)度大,效率較低,還可能會引起漏攻螺紋。⑦整個(gè)加工需要6次定位裝夾,吊運(yùn)和翻身存在安全隱患。且輔助時(shí)間過多,加工周期長。⑧目前各企業(yè)普遍出現(xiàn)用工荒問題,而傳統(tǒng)工藝需要較多有一定技術(shù)的熟練工。

        圖6 機(jī)體25°斜墊

        圖7 加工中心鉆螺孔定位孔

        圖8 搖臂鉆床加工螺孔

        圖9 新工藝一面兩銷工裝

        3. 新加工工藝及其優(yōu)點(diǎn)

        在前道工序中,機(jī)體底平面上增加兩只φ25mm工藝定位銷孔,利用機(jī)體底平面及兩只工藝定位銷孔采用一面兩銷工裝(見圖9)定位裝夾,機(jī)體完全定位,裝夾穩(wěn)定可靠且方便。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證,機(jī)體固定后主軸孔零點(diǎn)誤差可以控制在0.03mm以內(nèi),基本不需要再次調(diào)整,可以直接進(jìn)行加工,減少零點(diǎn)校調(diào)時(shí)間。

        由于機(jī)體外形較大,左右對稱,氣缸孔加工位置較深,最深處為500mm,適合龍門鏜銑加工中心加工,能發(fā)揮龍門鏜銑床鏜的優(yōu)勢,公司新科堡龍門加工中心技術(shù)參數(shù)為:配備可交換式雙工作臺,單工作臺寬2 000mm、長5 000mm,單工作臺X軸行程5 500mm,雙工作臺連起來后長11 000mm,行程12 000mm。Y軸行程4 000mm,Z軸(滑枕)行程1 500mm,W軸(橫梁)行程為1 850mm。配備了加工機(jī)體用的9個(gè)專用附件銑頭:兩個(gè)延伸頭,兩個(gè)直角銑頭,一個(gè)萬能銑頭和4個(gè)固定角度(22.5°、25°、10°及15°)銑頭,兩把專用非標(biāo)氣缸孔鏜排,可以滿足現(xiàn)有機(jī)體的加工要求。

        統(tǒng)一機(jī)體加工基準(zhǔn),根據(jù)圖樣標(biāo)注,選擇后端主軸孔止推面為X向基準(zhǔn),Y、Z都是以主軸孔中心軸線為基準(zhǔn)。編程時(shí)坐標(biāo)尺寸也利用以上基準(zhǔn)為零點(diǎn)。該工序中,以上道工序加工好的第1、9擋主軸孔中心為基準(zhǔn),加工氣缸孔、推桿孔等,保證與上一個(gè)工序加工的主軸孔的位置度和左右氣缸孔夾角公差。

        選擇刀具根據(jù)產(chǎn)品的產(chǎn)量與加工效率綜合考慮,充分利用現(xiàn)有刀具資源,節(jié)約刀具采購成本、降本增效;針對加工內(nèi)容較多且時(shí)間較長的工序,要對刀具進(jìn)行優(yōu)化,選用鑲片式硬質(zhì)合金刀具和專用的復(fù)合刀具以提高加工效率,滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求。

        在科堡龍門加工中心上采用一面兩銷定位方式,一次裝夾,采用雷尼紹自動測量機(jī)體零點(diǎn)(見圖10、圖11),使用25°銑頭運(yùn)用機(jī)床五面體加工功能能夠鉆攻氣缸孔、油泵推桿孔及氣缸平面上各螺紋孔(見圖12、圖13),使用主軸附件銑頭銑削頂面,鉆削各螺紋孔(見圖14)。

        圖10 雷尼紹自動測量零點(diǎn)

        圖12 左側(cè)氣缸孔鏜孔

        圖13 右側(cè)氣缸孔鏜孔

        圖14 機(jī)體頂面加工

        圖15 氣缸孔半精鏜刀具

        具體步驟如下:①工裝校正壓裝。清潔工裝和工作臺安裝面,上車后先預(yù)壓緊,再用百分表檢測工裝平面度和兩定位銷直線度,保證在0.01mm以內(nèi),然后壓緊。②機(jī)體上車、壓裝并打零點(diǎn)。將機(jī)體底平面清潔干凈后進(jìn)行壓裝,用0.03mm塞尺檢查,要求通不過。先用扳手預(yù)壓緊后,用300N·m扭力扳手壓緊。裝直角附件銑頭,使用雷尼紹自動測量頭,調(diào)用測量程序280LD_QGK.MPF自動測量各軸零點(diǎn)(X零點(diǎn)在曲軸止推面上,Y、Z零點(diǎn)為主軸孔中心)。第1、9擋主軸孔中心保證在0.03mm以內(nèi)。③調(diào)用程序進(jìn)行加工。自動運(yùn)行程序MPF280QGK_JG.MPF,裝25°附件銑頭,裝面銑刀銑削左右側(cè)氣缸孔平面和推桿孔平面;選用氣缸孔鏜排(見圖15、圖16)半精鏜及精鏜氣缸孔;氣缸孔上孔倒角;推桿孔半精鏜及推桿孔精鏜;出水孔鉆孔;缸頭螺孔第一鉆;缸頭螺孔第二鉆;缸頭螺孔攻螺紋;用整體硬質(zhì)合金鉆頭鉆其他小螺孔;小螺孔攻螺紋;機(jī)體下車后清潔,進(jìn)入三坐標(biāo)在線檢測。

        新工藝主要有以下優(yōu)點(diǎn):①采用在機(jī)體底平面上增加兩只工藝定位銷孔的方法,可以實(shí)現(xiàn)一面兩銷工裝的快速定位,限制了工件6個(gè)自由度,解決了不完全定位問題及輔助時(shí)間長和吊運(yùn)翻身的不安全因素。②利用雷尼紹自動測量機(jī)體零點(diǎn),解決了人工設(shè)定零點(diǎn)產(chǎn)生錯(cuò)誤的問題。③定制25°附件銑頭(設(shè)備必須具有五面體加工功能),利用機(jī)床坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)功能加工右側(cè)氣缸孔工序內(nèi)容,完成后附件銑頭旋轉(zhuǎn)180°,加工左側(cè)氣缸孔工序,保證氣缸孔50°夾角誤差。④制作鋁合金氣缸孔專用刀具,采用過定位刀柄裝刀,解決了專用刀具過重和上下氣缸孔同軸度誤差的問題,且提升了加工效率及質(zhì)量。⑤量身定制出水孔擴(kuò)孔→鉸孔→倒角一體化鑲合金專用刀具,缸頭螺孔更換專用刀片的刀具(見圖17、圖18),所有小螺孔使用整體硬質(zhì)合金內(nèi)冷鉆代替原來的麻花鉆,加工效率得到成倍提升。⑥出水孔、缸頭螺孔及所有小螺孔都在加工中心鉆孔、攻螺紋到位,解決了搖臂鉆鉆孔和鉗工手動攻螺紋工人勞動強(qiáng)度大、加工效率低及加工精度較差等問題,且避免了加工過程中易產(chǎn)生不安全因素和人員短缺的問題。減少了普通設(shè)備的數(shù)量,充分發(fā)揮數(shù)控設(shè)備的效率和利用率,同時(shí)也降低了手工操作的頻率,提高了勞動生產(chǎn)率。

        圖16 氣缸孔精鏜刀具

        圖17 缸頭螺孔第一鉆鉆頭

        圖18 缸頭螺孔第二鉆鉆頭

        4. 結(jié)語

        工藝優(yōu)化前后對比見表1。

        表1 工藝優(yōu)化前后對比

        工藝方案改進(jìn)后,機(jī)體經(jīng)過三坐標(biāo)檢測,完全符合圖樣要求,經(jīng)過連續(xù)多只機(jī)體的檢測,Cpk值穩(wěn)定。生產(chǎn)效率提高一倍以上,產(chǎn)品質(zhì)量也得到了大幅提升,且穩(wěn)定可靠。一些普通機(jī)床加工的零散工序逐步平移至該加工中心,大幅提高了生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率,縮短了生產(chǎn)周期,對柴油機(jī)機(jī)體的生產(chǎn)起到了至關(guān)重要的作用。減少了設(shè)備數(shù)量和操作工人數(shù)量,一個(gè)人,一臺機(jī)床,但是一次性投入較大,對設(shè)備功能要求較高。

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