(大连中车柴油机有限公司，辽宁 大连 116021)

0 引言

PA6中速柴油机是我国20世纪从法国引进的专利生产技术，至今，其国产化产品已应用于多个行业领域，舰船、民用发电机组、核电应急发电机组等行业，通过多年的制造和应用实践，PA6中速柴油机的性能和功率适合各行业的使用，特别是在舰船行业使用该机型较多，其技术引进对我国中速柴油机制造业具有重大意义，对我国设计制造中速柴油机有广泛的借鉴作用，推动了该行业的发展。作为柴油机核心部件之一，气缸盖结构复杂，加工精度高，加工难度很大。同时，由于其孔系多而复杂，精度高，其所需加工切削刀具多，成本投入较大，怎样在高成本的投入后，能保证气缸有稳定的质量和较高的生产效率。气缸盖是铸铁材质，因其是气、油、水一体的复杂箱类零件，在铸造中难免存在工艺缺陷，产生一定的废品率，使得其加工难度放大。这些都是编制加工工艺需要探讨的因素，也是本文的研究方向。

1 难点分析

PA6中速柴油机气缸盖材质为QT500，表面硬度HB170～250，切削性能较好，因此在刀具材质上没有特殊的要求。但是由于铸造尺寸的偏差，可能在某些部位的粗加工时，刀具切削量大。气缸盖是结构复杂的箱体类零件，在工艺装备中应考虑装夹定位方式，以保证加工质量和减少辅助时间。在气缸盖加工中，最关键的是其孔系加工，加工难点如下。

1)喷油器孔的加工，孔的尺寸、各孔间的形位公差精度要求高。

2)阀座孔与导管孔的加工，孔的尺寸、两孔间的形位公差精度要求较高，同时阀座孔与导管孔相对于其它加工部位的形位公差精度要求也较高。

2 加工工艺及使用设备的确定(见表1)

表1 加工工艺

3 工艺过程介绍

3.1 划线

此工序在划线平台上，先用可调顶子支撑底面，以顶面内表面用划针盘通过清砂孔磨出基准，经过尺寸换算确定燃烧隔板厚度划出顶面加工线及底面加工线。

在加工过程中，各孔系的加工基准与铸造毛坯检查略有不同，因此，需重新检查各孔系的加工余量。需先后将缸盖立放、侧放，以喷油器孔铸造孔为基准，划出顶面止口、阀座孔等重要形位要求的孔的位置，划出加工顶面止口的找正线及加工周边时所需的水平旋转方向找正线，见图1所示。如考虑预后各孔、面的加工效果，采用“坐标旋转与平移”借料法借料划线。

图1 加工找正线示意图

3.2 精车顶面

气缸盖的顶面，即燃烧面，在柴油机做功运行中，承受高温、高压及各种化学腐蚀等，顶面应有一定的表面粗糙度要求，不能有任何的加工缺陷。同时，也是气缸盖在机体上的安装定位以及燃烧室的密封，其精度对平面度、止口、密封槽尺寸要求较为严格，燃烧面平面度0.02；定位止口；密封槽尺寸和，深度尺寸。因此，选用精度较高的数控立式车床加工顶面，来保证顶面的加工精度。同时，喷油器φ27孔与燃烧面过渡圆弧形状比较特殊，如使用成形铣刀加工，切削面积较大，容易产生切削振纹，不能满足粗糙度要求，还会形成应力集中部位，将严重影响缸盖燃烧隔板的强度，使用数控立式车床进行插补程序加工，使该工序的加工平面始终保持较高的线速度，满足其形状尺寸和粗糙度要求。

3.3 精车底面

从产品图样上来看，对底面的加工要求不高，与燃烧面的高度尺寸为265±0.2，粗糙度仅为Ra3.2，使用普通立式车床就能够满足其加工要求。但是，在后序加工装夹工件时，需要用到低压面作为定位基准，因此，在本文所述的加工工艺中，加工低压面应有内控精度要求制定工艺公差，如与燃烧面的高度尺寸在工艺中设定为265±0.05，既可在后序的孔系加工中，得到理想的加工精度。

3.4 加工周边

缸盖周边使用卧式加工中心，加工周边4个面的加工面及孔。将缸盖水平放置，采用顶面止口尺寸定位，定位方向为X轴和Z轴；由于燃烧面在柴油机做功中承受高温高压，所以该加工面不能有任何缺陷，包括碰伤，在加工过程中，尽量减少其与工装定位的接触，采用燃烧面止口外沿的加工面作为轴方向定位；XZ面的旋转方向，采用划针盘找正划线工序中的两侧线，然后用压板预压紧缸盖，进行旋转方向找正压紧，压紧要有反复过程，逐次加力，最后压紧。

在该工序中，安全阀孔和启动阀孔的加工相对其他加工部位来说更重要一些，虽然在缸盖图样中未对孔系有形位公差要求，但是，在缸盖部件组装中孔φ40.2H10和φ30H10应有一定的同轴度精度。

在首件及小批量试产编制工艺时，采用φ28合金钻头，然后使用两种尺寸扩刀将φ40.2孔扩至φ39.8，使用φ29.7扩刀加工φ30孔，最后分别用φ40.2和φ30两把铰刀将安全阀孔和启动阀孔加工至成品尺寸。该加工方法在量产时出现了缸盖该孔系不同轴的现象，无法进行组装，经测绘分析，应是缸盖加工时，偶有硬度较高的部位或某点，造成刀具切削力不均，而刀具细长刚性较差，导致刀具改变进给方向，使孔产生移位误差，得出结论后，将该孔半精加工刀具改为复合刀具，即φ39.8和φ29.7复合扩刀及复合铰刀，这样就保证了其同轴度。该孔系同轴度要求不是很高，同时，又进行在线加工，操作人员随时自查，自制标准棒进行同轴度检测。经过改进后，成品缸盖没有再出现无法进行组装的情况。

3.5 加工低压面孔系和高压面孔系

3.5.1 装夹、定位方式的确定

中速柴油机缸盖低面和顶面孔系的加工，根据缸盖的外形结构和孔系的精度要求，在卧式加工中心进行，一般采用两种形式进行装夹和加工。

1)框架式工装，装夹缸盖后，顶、低面加工部位通过设备工作台旋转缸盖180°进行一次装夹，两面都可进行加工。该装夹方法优点为：高压面孔系与低压面孔系相互间的位置度及其他形位公差的加工精度更高一些。缺点是：只能加工高、低压面孔系，无法加工其他面或部位；工序较为集中，换刀次数多，设备工作台旋转次数多，对生产效率有一定的限制；使用相对稍大型的卧式加工中心加工时，缸盖需放置在工作台中央部位，增加了所有加工刀具的长度，即增加了刀具投入成本，更重要的是，刀具加长，刚性相对减弱，降低甚至无法满足加工精度；加工中速柴油机缸盖顶、低面孔系所使用的刀具数量较大，对卧式加工中心配置提高了，需要有较大数量的刀库，设备投入成本较大。

2)弯板式或方箱式工装，装夹缸盖后，只能加工顶面孔系或低面孔系，加工另一面需二次装夹才能完成。优点：弯板式的工装设计可以根据产品结构尺寸，自身的设备、产量、工装刀具投入等情况，可以将一套工装设计装夹1～4个，相同工序或不同工序(底面孔系加工和顶面孔系加工)的缸盖，利于不同生产形势的生产平衡；可以加工其它面或部位。缺点：加工顶、低面孔系需分别两次进行装夹，较框架式工装高低面孔系相互间的形位公差精度较低。

根据PA6缸盖的外形结构和加工工艺，本文所述工艺采用的是上述b)弯板式工装，在工装180°的2个面分别装夹加工底面孔系和顶面孔系的气缸盖。采用此种装夹方式，利于加工缸盖的进气道端面(该面与高压面成60°夹角)和底面2×φ15泄油孔(孔轴线与低压面成30°夹角)的加工。在缸盖的定位方式中，也有两种方式，一种是采用销孔和面定位，另一种是全部采用面定位。考虑到PA6缸盖外形尺寸较大，采用销孔定位时，装夹缸盖不易，同时工装上的定位销和缸盖定位孔易碰撞、磨损，造成后续定位不准确，影响产品质量。因此，采用面定位，即缸盖螺栓孔外侧加工面、安全阀孔端面和底面(或顶面)3个面进行定位，工装上2个工位的缸盖定位点位置保持一致，不仅容易装卸工件，也最大可能保证了2个工位的重复装夹的定位精度，满足定位统一原则。

3.5.2 加工低压面孔系

1)使用中心钻将低压面相关孔钻出锥凹，为后续钻头钻孔定心，同时，可以复查铸造时某些孔的冷铁位置是否满足加工要求，特别是导管孔。再使用钻头钻孔。

2)在该工序中最重要的是喷油器孔的加工，该孔台阶较多，尺寸较复杂，精度要求严格，同时，相互间有同轴度要求。该孔为铸造孔，留有加工余量，但由于铸造位置精度的偏差，在实际加工中，粗加工时刀具加工余量不均匀，因此，粗加工刀具采用单尺寸扩刀或双尺寸的复合扩刀进行粗加工，避免因多尺寸复合刀具在加工余量不均匀时造成孔的尺寸和形位公差过大，而使精加工余量不足。在半精加工时，根据图样和喷油器护套的装配要求采用多尺寸的复合刀具进行加工，为精加工刀具留有余量φ0.3。最后使用复合铰刀进行加工，复合铰刀加工位置应与半精加工复合扩刀相同，以保证相关孔的形位公差。

3)铸造毛坯中，导管孔有冷铁，冷铁的硬度与缸盖毛坯有一定的差异，其铸造位置还存在偏差，这都会影响加工精度。导管孔与阀座孔有同轴度要求，如在高压面进行导管孔的所有尺寸加工，因导管孔的加工刀具细长，刚性又差，还有前述冷铁的铸造原因，会导致孔的尺寸偏大、偏斜等情况发生，使精加工无法满足技术要求。因此，选择在该工序进行导管孔的粗加工，先用φ25合金钻头钻孔，再用φ26.5扩刀扩孔以矫正钻孔时的偏斜，将精加工退至高压面加工工序中完成。

3.5.3 加工顶面孔系

该工序为加工顶面孔系以及铣进气道口端面。关键工位为加工阀座孔与导管孔。

1)先用扩刀进行阀座孔的粗加工。

2)使用2把扩刀将导管孔端部φ30加工至成品。此处虽然在部件组装还是柴油机运行中没有特别要求，但是，在加工导管孔处是关键。阀座孔与导管孔之间为铸造表面的气道，气道形状是根据气体流动力学建模而形成的，整个气道表面圆滑过渡，从顶面加工导管孔，导管孔端部毛坯面与刀具轴线不垂直，导致切削力不均匀，会造成加工偏斜，因此，在加工导管孔前将φ30加工至成品，与粗加工的φ26.5孔的轴线形成垂直平面，使导管孔的精加工在垂直于刀具进给方向的平面上进行，有利于导管孔的加工，保证导管孔的尺寸和相关的形位公差精度要求。

3)使用复合扩刀进行阀座孔与导管孔的粗加工、半精加工，再用复合铰刀进行精加工。

3.6 加工低压面和周边螺纹孔

这些螺纹底孔在加工中心工序中已经加工完成。气缸盖螺纹孔尺寸较多，使用加工中心攻丝需多个专用攻丝刀柄进行加工，而攻丝刀柄采购成本较高，因此，在摇臂钻进行攻丝能够减少刀具的采购成本；将工序进行分解，减少单个缸盖的生产周期，利于各种生产形势的调整。

3.7 清整阶段

在一次清洗工序中，主要是将残余在水腔内、气道内、孔内的铁屑及冷却液等进行清理，便于后续的清砂打磨工序的作业。对缸盖加工部位的棱边、毛刺，加工面与毛坯面的锐棱，两孔相交处的毛刺和锐棱，气道和水腔孔内附近铸造表面铸造不平整处及残留型砂等部分进行打磨和清整。

对气缸盖进行再清洁，在清洗中进行精洗，将表面、气道内、水腔内铁屑和打磨残余等杂物清洗掉，保证缸盖的清洁度。

交检及高、低压试验，装配螺堵清理表面，待表面干燥后，涂面漆。

3.8 采用智能化加工线

综上所述，气缸盖的加工周期主要集中在加工中心设备上，造成工序拥挤，可采用智能化加工生产线，由划线平台数控立车、几台加工中心组成智能化生产线，投入产出一条龙，提高精益管理水平。

4 结语

通过不断总结，不断实践，PA6缸盖加工工艺和工装设计方案日臻完善，各项尺寸的加工精度均满足于图样和技术条件的要求。同时，在工艺方案中也充分考虑到了缸盖加工中的装卸辅助时间和刀具投入成本，是一套比较成熟的缸盖加工工艺方案。