机车内燃机汽缸盖的数控加工工艺分析

屈 云

（神木职业技术教育中心，陕西 神木 719300）

0 引言

机车气缸盖一般包含冷却水的腔气道、安装燃油管道及连接各类电气设备的座孔，结构复杂且孔系繁多，其各个面的构造均相互辅助，若相关孔的尺寸或相互位置存在较大精度误差，则难以满足内燃机的工作要求［1］。近年来，国内铁路机车快速发展，机车内燃机相关的制造技术得到多元发展，对机车汽缸盖等构件的性能也提出更高要求。而相关企业在进行技术革新时，也面临着技术、成本等多方面的限制［2］。因此，需结合实际对相关加工工艺进行合理的优化。

1 机车内燃机汽缸盖数控加工研究现状和研究意义

1.1 研究现状

机车内燃机一般以柴油为燃料在机器内部进行能力转换，为机车运动提供动力。机车内燃机作为进行热能与动能转换的装置，在许多类型的机车中被应用。内燃机有很多形式，如机械传动、电力传动、液力传动等，在我国铁路领域，主要使用电力、液力两种传动模式。燃料与空气进行化学反应，在内燃机结构内进行催化燃烧，并利用活塞等结构，释放和输出很多能量，从而带动整个机头和相关机械工作。内燃机不仅是机车不可或缺的结构，也是汽车及气体车辆中不可或缺的内能转换系统。

当前，内燃机相关市场竞争激烈，客户对内燃机供应商提出了更严格要求，要求大型柴油内燃机体的加工更为精准。对机体内燃机机盖等关键部件的加工，已成为该领域重要的研究课题，而设计能够适应不同系列内燃机快换模块化制作、安装的数控系统，是相关企业优化机车内燃机加工工艺、提高生产效率的重点。

在结构方面，相比汽车用内燃机，机车使用的内燃机一般尺寸较大，作为复杂的动力部件，其结构复杂，加工内容复杂、多样，许多部位的加工对精度要求很高，因此需要高精准的数控加工等技术，并进行严格的检测，才能满足客户对设备的各项要求［3］。

数控加工技术在我国经历了较长时间的发展，取得一系列研究成果，如在零件特征信息表达、输入及加工方案设计等方面进行了大量科研，目前已在曲面造型、刀位规划、干涉检查等加工工作中取得较多成果，也自主开发了一些数控软件，部分系统已与国际先进水平相近。但整体而言，我国目前数控技术与世界先进水平仍有一些差距，如大部分企业尚未研发出成熟、功能全、能适应多种内燃机加工的数控系统。同时，许多关键零件的加工依然必须依靠引进外国的软件或相关机床才能对复杂曲面进行多坐标的加工，可见，许多企业拥有的数控技术应用效率低、质量差。在进行气缸盖的数控加工中，一般需要用到钻、镗、铰、攻螺纹、铣削等加工技术，汽缸盖是典型的箱体类零件，对孔系的相互位置度的精确度要求很高，气门座底孔、导管底孔等是加工的难点。德国、日本相关企业在加工气缸盖气门座底孔等位置时，一般在加工中心先对这些位置进行加工，然后用专用的机床对这些位置进行复合加工，以保证相应位置满足同轴度的高精度要求。国内也逐渐沿用这一加工方法与相关设备。

由于当前铁路运输等领域对机车性能有更高要求，导致气缸盖数控加工难以满足精度等方面的要求，并且国内机车产品在向多元化方向发展，新产品研发力度加大，而无法大批量生产也制约了相关数控技术的发展。因此，针对国内机车内燃机加工存在的孔位加工精度不高、刀具寿命低、切削参数选择不合理等问题，还需要进一步优化其数控加工工艺。

1.2 研究意义

基于以上对国内外汽缸盖数控加工研究与应用现状的分析，发现国内机车内燃机加工存在许多问题，汽缸盖关键位置的加工技术研究出现了瓶颈，难以提升产品质量及技术含量。虽然众多企业、研究机构，对加工中心等汽缸盖加工的关键技术进行了研究，如将虚拟机（VM）等技术引入内燃机加工中，但在数控仿真等技术区域，依然存在流程复杂、加工效率低等问题。

可见，机车内燃机机缸盖等产品的制造技术，仍然有巨大提升空间。因此，对机缸盖数控技术进行优化研究具有现实意义，不仅有利于提高相关产品的加工质量、效率，使相关企业及铁路运输等行业获得更好的经济、社会效益，还有利于全面摆脱国外对相关技术的垄断，打造世界领先的民族化企业。

2 机车内燃机气缸盖数控加工工艺特点与设计

2.1 数控加工优缺点分析

数控技术加工汽缸盖，有优点也有局限性。数控加工具有加工自动化程度高、一致性好、效率较高、便于研制和计算机辅助等优势。首先，数控机床对零件进行自动化处理，能大幅减轻工人劳动强度，工人只需通过数控平台进行调试，观察、监控机床工作情况，刀具更换、零件装卸、零件质量抽检等工作仍需要人工处理，因此数控机床对工人知识水平提出了较高要求，脑力劳动的强度也增高。其次，数控加工的零件具有较好一致性，因此质量相对稳定，相比人工处理具有更高的精度和稳定性，加工顺序固定，降低了失误率。

同时，数控机床基于合理的设计流程，能对多个零件或一个零件的多个部位同时加工，省去了繁复的划线、检验等操作和生产准备时间。此外，在产品研制时，若现有数控机床能满足复杂的工艺需求，通过编程即可更改产品加工设计，不用重新设计和改造装备，且计算机技术与数控技术相结合，能辅助提高产品设计、制造的质量。

数控加工也存在成本较高、加工调整难等缺陷。设备研发、制作或引进的费用较高，特别是一些高端设备，其整体价格、零部件加工及维修价格都十分高，并且在加工前期需要进行较长时间的调试，数控机床还需要有配套的编程计算机及其外设备，因此成本较高。由于气缸盖等零件结构复杂，许多机床无法对其进行完整的加工，一些部位的加工需要使用不同设备，同时许多设备无法适应不同产品的批量加工，因此加工工序依然较复杂，许多程序的调整及设备的调整也具有很大的局限性。

2.2 气缸盖数控加工的特点及其适应性分析

（1）机车气缸盖数控加工的特点。气缸盖结构较复杂，加工精度要求高、工艺复杂，对孔系位置要求高，测量较难，且需要在单次装夹加工中完成多个工序。国内外加工气缸盖时，一般采用功能较齐备的数控中心，并且必须加强模型分析等技术的应用，才能满足气缸盖各位置的精度要求与同轴度要求。数控中心机床定位精度、重复定位精度均较高，因此大批量生产时能更好地保证零件的一致性。

（2）适应性分析。加工较适应类零件时，由于零件价值高、工序复杂，所以需要操作者对设备进行及时、准确的调整；加工最适应类零件时，由于零件形状复杂、精度要求高，需要用数学模型对其表面进行描述，在进行准确的测量、控制后才能进行，如在一次装夹中进行铣、镗、攻丝等多个工序；加工不适应类零件时，若生产批量大且装夹困难、难以定位，必须使用特定装备辅助相关调试。

2.3 机车气缸盖数控加工的总体设计

首先，需要分析、确定加工内容。在选择对某个部件进行加工前，必须合理、仔细分析零件图纸，以选择与自身机床相匹配的加工内容，并确定相应工序，最大限度地发挥机床优势。综合考虑机床可加工的内容、加工难度、效率及人工操作内容等信息，以提升效率、保证质量为前提择优选择，尽量少选占机调整时间长、必须用专用工具协调的内容，尽量不选需要根据特殊制造依据进行加工的内容。基于这些原则，气缸盖加工必须使用且适合使用数控加工的程序，如铣侧面、进气道面、周边孔、底面孔、顶面孔及铣排气道面。

其次，分析零件图，确定具体加工顺序。机车气缸盖结构越来越复杂，先进内燃机一般使用多气门结构。设计加工方案全，根据气缸盖结构图，确定加工余量及加工顺序，一般先加工顶底面，并以其为基准平面，加工侧面和各个孔。

3 机车气缸盖数控加工的工艺设计及加工要点分析

根据对气缸盖加工的整体分析，其加工以孔、面加工为主，孔很多，位置、与底面倾斜度各异，因此保证各孔相对位置的精准是加工的难点。数控加工的工序一般需要根据加工需求进行精细化的设计，一定要考虑周到，与各个工艺过程相互协调吻合。

3.1 数控加工工序的设计

加工工序的设计是在加工内容、加工数量等确定的基础上，对材料用量、工艺设备、定位夹紧方式、刀具轨迹等进行具体分析，并逐一确定，进而编制具体的加工方案。根据汽缸盖数控加工的特点，划分加工工序时，可首先将一次安装加工的工序作为第一道工序，将同一把刀具可完成的加工内容设置为独立的工序，并根据相互影响确定各独立工序的加工顺序，若某些位置能在一次安装中进行加工，但会延长工序，应考虑机车加工时间、控制系统等方面的限制，或考虑将相关加工内容纳入独立工序。汽缸盖的底面、顶面结构较为简单，也可根据这些平面进行工序划分，对同一平面的外形、孔进行同时加工，以提升加工效率。实际分析时，还应考虑零件各结构的工艺性要求及刀具的性能，详细分析加工对工件内部结构的影响，避免因加工出现不符合要求的裂痕等问题，在以质量为前提的基础上，合适地调整加工工序，灵活选择集中加工或分散加工。

3.2 确定具体加工顺序

安排加工顺序，应结合汽缸盖毛坯状况及结构要求，考虑定位安装、夹具夹紧的相关需求，在不破坏工件刚性等前提下，遵循一定原则进行排序。如上道工序内容不能对下道工序定位、夹紧等产生影响，若中间穿插普通机床加工内容需综合考虑对下道工序的影响，应先进行汽缸盖内腔的加工，后对外形进行加工；应将相同定位的工序排列在一起，将同一加紧方式、同一刀具加工的内容排列在一起进行连续加工，从而减少重复定位、换刀次数、挪动压板等操作，减少误差和时间成本。

3.3 加工工序中的要点

（1）粗精分开。加工汽缸盖易出现变形的内容时，由于粗加工会对构件产生一定变形，因此需要进行一定的校形。粗加工、精加工工序也应完全分开。若汽缸盖零件表面内容均进行数控加工，需要遵循先粗后半精加工最后精加工的原则，依次将各加工内容分开加工；粗加工可快速剃出材料大部分余量，半精加工汽缸盖各个表面，保证表面粗糙度在一定范围内，最后做精加工处理。加工顶面孔等精度要求极高的位置时，尽可能一次精加工完成，避免多次加工对零件刚度等产生负面影响。在是粗、精加工之间，若时间允许，需在零件粗加工完成后搁置一小段时间，使工件因加工受到的变形得到充分恢复后，再开始精加工。对汽缸盖侧面进行精铣加工时，可采用顺铣的方式，从而保证零件表面具有较高质量。此外，若加工时间等条件允许，为保证精度、减轻数控设备负荷，要尽量利用普通机床进行汽缸盖的粗加工。

（2）一次定位。对于顶面中心孔等加工易出现定位误差的零件，需要避免多次定位，采用一次精准定位的方式换刀加工。在加工汽缸盖处于同一轴线的顶面、底面的孔时，可以依次连续加工，提高孔系间的同轴度及相互的位置精度，然后对气体位置的孔进行单独加工，以提高孔系位置精确度。根据汽缸盖加工内容特征，尽量减少刀具更换及装夹的次数，避免因重复定位等操作产生误差，并且有利于减少辅助工序浪费的时间。

（3）先面后孔。通常，可根据零件加工的部位划分，一般需加工简单的面而非孔，后加工复杂平面和孔；因此，汽缸盖加工时需先加工顶面，其精度要求相比其他加工内容降低，然后加工周边孔等精度要求高的内容；先加工平面，再加工孔洞。侧铣面加工时，则需要先加工铣面后加工镗孔，为避免铣削时工件因切削力出现变形，两道工序应间隔一段时间，待铣面变形恢复后进行镗孔加工，以提升孔加工的精度，同时避免孔口出现毛刺、飞边等问题。

（4）减少换刀。数控加工汽缸盖时，应尽可能根据刀具进入相关加工位置的顺序来选择和集中刀具，即在保证加工精度、合理控制工件变形的前提下，尽量减少换刀的次数，同时避免空行程。零件在进行装夹时，尽量保证同一把刀具能够完成多个面的加工。在一把刀具完成相关加工后，为下道工序进行一些预加工，如在加工汽缸盖侧面孔时，使用小钻头确定位置，为大孔预钻提供一定的位置依据；或使用前道工序刀具进行粗加工，换刀后再进行精加工。对于不重要的加工内容，应尽量使用同一刀具或在同一个工序进行加工。

3.4 数控加工工序和普通加工工序的衔接

除了做好工序设计、关注加工要点，由于实际加工还需要考虑成本等因素，所以企业需要根据现有的设备及技术做好加工工序的衔接。一些企业实际加工汽缸盖时很可能无法利用数控中心进行全工序的加工，粗加工或一些简单位置的加工会选择普通机车进行加工。因此，各类工序的衔接，需要建立合理、具体的制度，避免各工序产生矛盾，例如对加工余量、毛坯热处理状态、定位面及孔的精度、形位公差等进行严格的规范，对校形工序进行合理的技术规范，从而在满足各工序需求的同时，尽量做到技术明确、交接有序、验收有据。

4 结束语

综上所述，国内外对机车内燃机气缸盖加工及数控技术均进行了长时间的研究与实践应用，但我国相关工艺尚不成熟且受制于数控设备等方面的限制，在加工汽缸盖时，难以较好地平衡加工效率、质量与成本之间的冲突。本文主要从总体设计、工艺顺序等方面研究了汽缸盖的数控加工，相关企业要想合理应用相关设备，实现保质、高效加工的同时节约成本，需要根据机车汽缸盖结构和自身拥有的设备及技术，合理地规划加工顺序及做好各项细节工作。