机车用EMD265型柴油机气缸盖划线创新及工艺优化

陈仁平

(中车大连机车车辆有限公司，辽宁 大连 116021)

0 引言

柴油机以其效率高、结构紧凑、机动性强、运行维护方便成为热能机械的首选，在很多领域发挥重要作用。265型柴油机牵引力大，能承受高原等恶劣气候条件[1]，是列装高原车的柴油机主力机型。气缸盖内输入的氧气在燃烧做功时，火力面要承受2 000℃以上的高温，工作压力达6～8 Mpa[2]，机车大修时拆卸下来的气缸盖，工作表面燃烧成碳黑色，因而对其各加工孔和表面的加工精度和形位精度要求格外严格。本文通过对气缸盖划线发现的一些铸造工艺问题进行改善，并对划线进行创新，规避工艺缺陷带来的废品风险，同时对加工工艺进行讨论，并对图样设计提出合理化建议。

1 划线难点分析

1)由于气缸盖(见图1)为复杂箱体类零件，腔体较复杂，铸件用铁水在高温高压作用下，注入型腔中，由于压力产生的气体很难排出，极易产生材质疏松，因此，存在一定的废品率。为了改善4个导管孔部位部分材质疏松的工艺缺陷，在铸件中加入4根碳棒，以平衡冷却速度，降低废品率。碳棒的直径不能太小，否则作用不大，因此在划线时，应格外仔细查看毛坯表面，有无材质疏松的迹象或不平常的表面，以免造成不必要的刀具消耗和工时浪费。

2)四个气门孔在加工完成后，阀座孔底面圆周，相对于阀座底面气道毛坯表面，在圆周上各处尺寸是否均匀，是打火后阀杆工况的关键。

3)如果基准选择不当，在高温高压作用下，极易造成火力面产生漏气漏水，而使气缸盖无法工作或功率降低。

4)气缸盖的毛坯孔和加工面很多，且有很高的尺寸精度和位置精度，铸造误差导致加工余量不足，给划线带来了一定的困难。

图1 EMD265型柴油机气缸盖的成品图

2 机车用EMD265型柴油机气缸盖划线先进操作法的确立和创新

划线是机械加工的重要工序，是测绘毛坯几何形状，检查尺寸偏差，确定加工基准和尺寸界限，对误差不大的毛坯通过借料划线，使加工后的零件仍能满足设计要求，是提高产品合格率的方法之一。

划线在机械加工中的作用如下。

1)确定工件的加工余量，使机械加工有明确的尺寸界限。

2)便于复杂工件在机床上的安装，可按划线找正定位。

3)能够及时发现和处理不合格毛坯，避免加工后造成损失。

4)采用借料划线，可使误差不大的毛坯得到补救，使加工后的零件仍能满足设计要求。

在设计划线工艺和创立划线先进操作法时，根据生产形势和设备使用饱和度，以及加工工艺必须达到满足设计技术要求的各项精度，在本文可选择2种划线方案。方案1如表1所示。

表1 加工工艺及使用设备确认表

2.1 划线工艺设计方案1详解

2.1.1 一次划线

将气缸盖顶面用3个可调千斤顶支持在划线平台上，以火力面为第一划线基准，底面气门座的4个腔口和表面清砂口作为划针入口，用自制的弯头弧面划针锁在划线盘上，探入腔内，磨取隔板内表面，使隔板内表面上各点处在同一平面内，对准测高尺零线，确定零点。使用另一个锁有直杆尖头划针的划线盘向上+12 mm，划出底面的加工界线，松开划线盘的锁紧螺母，将划针向下拖-228 mm，锁紧划针后，划出顶面的加工界线和检查线。

2.1.2 粗铣底面

由龙门铣床完成工序，龙门铣床铣削的优点如下。

1)采用刀盘铣削，刀盘做旋转运动，工件做直线进给运动。相对于数控立车车削，龙门铣床的刀盘直径小，转速可以更快，效率更高。

2)由于是刀盘切削，一个刀盘安装多个刀片，每个刀片在切削中承受的切削力，比一把车刀要小得多。因此，刀尖的热透性会降低，刀具的磨损会得到极大的改善。

3)采用液压夹紧装置，自动化程度高，操作简单，夹紧可靠。

4)可一次性装夹1个或多个气缸盖，减少辅助时间，提高加工效率。

龙门铣床装夹方式的确定：龙门铣床加工底面，将粗车完成的气缸盖顶面放在龙门铣床的工作台面上或夹具体上，在气缸盖4个侧面选择4个清砂孔作为受力点，通过液压传动装置，使勾爪牢固的压在受力点上。限制缸盖六个自由度，启动按扭开关，电路接通，通过电机旋转使油缸做功，经过油压将液压能转变为机械能。勾爪工作，夹紧在缸体上。启动切削按扭，进入切削，完成切削后，按下关闭按扭，电路断开，压力消失，勾爪松开，完成本工序的加工。

2.1.3 二次划线

以粗加工完成的顶面垂直于基准平面，分别侧立和直立放置在3个可调千斤顶上，以气门孔中心线为划线基准并延长至缸盖的4个表面上，在缸盖顶面划出上、下各30 mm尺寸线，以此围成的60 mm正方形尺寸界限加工完成的孔，加工后达到一定的尺寸精度成为工艺孔，作为以后各工序的定位基准。

此方案龙门铣床加工平面的效率较高，但需要二次划线，根据生产形势和车间的设备运行情况，并对划线工艺设计进行创新，本文所设计的加工工艺和创立的划线先进操作法采用方案2，即一次划线完成划线工序。方案2如表2所示。

表2 加工工艺及使用设备确认表

2.2 划线工艺设计方案2详解

基准的选择对划线十分重要，如果基准选择不当，后面的划线无法进行。由于气缸盖恶劣的工作条件，以及火力面所承受的高额负载，划线第一粗基准应选择火力面作为第一划线基准。

2.2.1z方向划线尺寸的确定

用3个可调千斤顶将气缸盖毛坯支持在划线平台上，底面向上，大致将其处于水平位置，以火力面为第一划线基准，用自制的弯头弧面划针锁在划线盘上，通过4个气门孔底面的侧孔及侧面清砂孔探入腔内，用划针前端弧面磨取隔板内表面，磨出高点，使缸盖隔板内表面各点处在同一平面内，把划针顺畅地从所探入的各孔中取出，对准测高尺锁定零线，确定零点。使用另外一个直杆尖头划针锁在另一个划线盘上，向上+12 mm确定火力面的加工界限。松开锁紧螺母，再向下拖划线盘上的划针，锁定尺架-228 mm的位置，划出气缸盖的高度尺寸界限；再检验65 mm平面的高度尺寸和73.66 mm的锪平尺寸的加工余量是否合理。

2.2.2x、y方向坐标尺寸的完成

这里须考虑预后，就是在找正缸盖时，由于铸造的偏差，导致导管孔、气门孔及其他毛坯孔的位置发生改变，造成加工时余量产生不足，所以在划线时凭借积累的经验，对可能的结果进行正确的预判。

机车用EMD265型柴油机气缸盖创新划线先进操作法的先进性如下。

1)第一划线基准的合理确定，保证火力面隔板厚度均匀且不小于设计尺寸，使得火力面各处承受足够相等的压力，以避免因某处隔板厚度过低造成压力集中，导致其强度不足而产生漏气漏水等惯性质量问题的发生。

2)采用自创的“坐标平移与旋转借料法”划线，使一定尺寸误差范围内的毛坯，加工后仍能满足设计要求，成为合格品。

3)自制划针等附件，改造划线工具，提高划线质量，使划线作业省时、省力、快捷、准确。

3 加工工艺设计

机械加工工艺规程是指比较合理地在各种机床上，用切削加工的方法，将加工零件的工艺过程确定下来，写成作为施工依据的文件。

根据气缸盖的结构特点、难点分折以及满足设计的技术要求，结合生产形势及设备使用情况，确定如下设计方案。

3.1 加工工艺及使用设备确认表

表3为加工工艺及使用设备确认表。

表3 加工工艺及使用设备确认表

3.2 工艺详解

3.2.1 粗、精车顶面及工艺孔

3.2.2 粗车底面

从图样设计的技术要求上看，对底面的加工精度要求不高，与顶面的尺寸精度为(240±0.2) mm，粗糙度为Ra3.2 μm，使用数控立车完全能满足设计要求。但在以后的工序中，需要以顶面和工艺孔为定位基准，所以在此工艺中，加工底面时，应有内控尺寸精度要求。如将底面到顶面的距离设定为(240±0.05) mm的既定尺寸，以保证后面工序孔系的深度方向的尺寸精度。

3.2.3 加工周边

3.2.4 加工顶面孔系

以加工完成的底面及周边平面和孔作为定位基准加工顶面孔系，在气缸盖加工过程中，每道工序都是成品加工，但应该特别注意导管孔的加工，导管孔与阀座孔有相应的同轴度和跳动量的形位精度要求，由于加工设备的精度限制或加工定位的误差不可避免的存在，导管孔理想的加工方法是只进行至半精加工，而精加工留给加工底面孔系时进行。喷油器孔是由多个尺寸构成的台阶孔，贯通整体气缸盖，而台阶孔各尺寸之间有很高的同轴度或跳动量等形位精度要求。在半精加工和精加工时，尽量选用强度和刚度高的复合刀具加工。

在进行导管孔的加工时，由于铸造工艺中，为了改善4个导管孔位置的材质疏松，在此位置处放置了4根碳棒，以改变冷却速度而达到减少材质疏松的铸造缺陷，降低废品率。由于铸造过程中，会产生一定的尺寸偏差，可能会造成铸造毛坯孔位置尺寸误差较大，导致加工余量不足。另外，由于碳棒等填充物与缸盖主体不是同一体，材料不同，材质硬度也同理相应不同，使得粗加工进行钻削导管孔时，很容易随主体毛坯孔发生移位，产生偏斜，影响后续加工的尺寸精度和形位精度，所以，粗加工导管孔时，应保留足够的加工余量，同时使用扩刀和镗刀进行半精加工，先用扩刀，再用镗刀，以矫正导管孔的坐标位置偏差，使精加工后的导管孔，能够达到设计要求的尺寸精度和形位精度。

3.2.5 加工底面孔系

定位基准为顶面和周边的面或孔，此工序为气缸盖加工中的关键工序。4个阀座孔与导管孔有同轴度和跳动量的要求，而且精度很高，通常在半精加工和精加工中采用复合刀具。因为265型气缸盖材料综合机械性能较高，导管孔长度在120 mm左右，使用镗刀加工，刀片磨损较快，整个过程不能持续地高精度加工，导致导管孔圆柱度无法满足精度要求。最佳方案是采用铰刀精加工，为使导管孔与阀座孔的尺寸精度和形位公差满足设计要求，先使用复合镗刀对两孔进行半精加工，再使用精镗刀镗削导管孔，但应保留0.06 mm左右的加工余量，且前端加工深度为10 mm左右，以此作为精铰刀的导向孔，最后再用复合镗铰刀精加工阀座孔与导管孔来保证加工精度。

3.2.6 一次清洗

将铸造过程遗留的砂粒和加工后的剩余铁屑以及切削液残留清洗干净。

3.2.7 打磨清砂

对加工过程中产生的棱边、毛刺以及气道内腔在铸造时残留在表面上的冷渣及痕纹进行打磨光整，表面应无划痕。

3.2.8 二次清洗

由钳工和专检人员将气缸盖表面及水腔与气道内部所有表面清洗干净，确保无遗漏以保证缸盖清洁度，而使零件顺利装配。

气缸盖进行高压试验，钳工装配螺堵，镶配气门座，再进行低压实验，最终数控立车对底面进行一次精车后，清理光整表面及涂面漆，交检验收。

4 加工过程的讨论

4.1 加工基准的确定

气缸盖的加工基准，都是经过划线确定进行加工的，机床按划线找正、装夹进行切削。由于铸造过程中，毛坯会产生一定程度的误差，最终将会积累到孔的坐标位置及孔的内表面形成较大误差，造成加工余量的不足。由于气缸盖的喷油器孔、阀座孔与导管孔贯通缸盖，而使用的刀具长度较长，同时，切削余量不均匀，导致刀具刚性不足，这两种情况在气缸盖加工中出现，很难准确判断产生质量问题的原因是由哪种情况造成的。建议在图纸设计时，在不影响缸盖质量的前提下，应合理分布几个作为定位基准的部位，这些划线和加工的定位基准由铸造单位完成，而加工单位所有工序尽可能使用这些铸造部位的基准完成后序加工。这样，在加工后出现相应问题时，能够快速判断质量问题的原因，由相关单位进行工艺改善，可节省很多异常处理时间，节省人力成本。此外建议：可在底面的毛坯表面铸造出一个大圆盘，作为粗加工的基准，以利于立车装夹找正之需，避免在进行划线工序时，空间翻转气缸盖，进行立体划线，这样在进行第一划线位置时，就能完成所有划线工序，消除翻转气缸盖时产生的安全漏点，杜绝安全隐患，节省划线工时。

4.2 加工顶面和底面孔系的夹具设计

4.2.1 装夹方式确立

加工顶面和底面孔系时，气缸盖夹具的装夹方式一般采用背负式夹具或构架式夹具2种形式。

4.2.1.1 背负式夹具

加工顶面和底面孔系时分为2次装夹，此种装夹方式可在加工坐标行程有限制时，缩短刀具长度，背负式装夹。可根据自身设备，产量，工装刀具投入等情况，将一套工装设计装夹1～4个相同工序或不同工序的气缸盖。夹具前后和左右方向各装夹顶面或底面加工工序的气缸盖[4]，利于不同生产形势的生产平衡，可减少通用刀具的数量，能降低加工的早期投入成本，可加工气缸盖部分或全部周边部位。

4.2.1.2 构架式夹具

气缸盖装夹后，顶面和底面的加工部位通过设备工作台旋转180°来完成，可有效提高两面加工部位相互间的位置精度。但只能加工顶面和底面的孔系，无法加工其他表面或部位的孔和面，工序较为集中，换刀次数多，设备工作台旋转次数频繁，不利于效率的提升。而使用相对稍大型的卧式加工中心加工时，气缸盖须放置在工作台中间部位，增加了所有加工刀具的长度，也等同于相应地增加了刀具的投入成本。刀具加长，刚性相应就会减弱、降低，甚至无法达到设计所需要的精度，由于加工顶面、底面孔系所涉及的孔或面数量较多，刀具数量较大，相应的，卧式加工中心配置需要提高，需要使用较大数量的刀库，造成设备投入成本加大[5]。

4.2.2 定位方式

定位方式简单地分为孔定位和面定位。

孔定位:定位精度较高，但是一般选定的工艺孔，相对于气缸盖的体积而言很小[6]，会造成气缸盖在装夹、拆卸过程中的操作需要格外谨慎，否则容易碰伤或划伤定位孔，影响后序的定位精度[7]。

面定位:定位面积大，在气缸盖装夹、拆卸过程中容易操作，但在各工序夹具设计时，应注意定位位置的统一，以减少因定位误差对加工精度造成的影响。

5 对EMD265型船用柴油机气缸盖的特别建议

EMD265型船用柴油机气缸盖(见图2)相比机车用柴油机气缸盖，在进气道上多了一个安装示功阀的孔，而孔的轴线与进气道端面和顶面分别成76°与74°的夹角。经箱体翻转立体划线，在直角坐标系中，毛坯表面由于铸造过程中产生的位置误差，导致55 mm尺寸处严重超差，由孔距60 mm经三角函数换算后制成划线样板，对齐安装示功阀孔的轴线及斜面的加工界限，经对比得出结论:由铸造工艺产生的误差，导致有一个固定示功阀的M12螺纹孔钻透，盲孔变通孔，误差的程度已超出借料的范围，无法进行借料划线完成补救。建议图样设计时，55 mm处尺寸表面不应与进气道端面垂直，而应该与安装示功阀的孔轴线平行，此处的改进，相当于延长了示功阀外表面的长度，使之得到改善。

图2 265型船用柴油机气缸盖的成品图

6 预后理论

预后理论是指根据经验预测一种事物的发展过程和后果。

由于预后是一种可能性，它既包括判断的特定后果，也包括进行时的过程。

2 000多年前“西医之父”希波克拉底撰写过论文《论预后》，他认为要通过临床观察和分析来判断疾病的预后。

同理，在划线操作过程中，特别是立体划线，由于毛坯在铸造、锻造、焊接过程中产生的尺寸误差和位置误差，在进行一个坐标方向的划线时，要通过工作过程中积累的经验，预判第二、第三个坐标方向进行时的过程和结果的准确性，消除其他尺寸的干扰，保证主要精度尺寸的正确性，以满足设计要求，舍次求主。因此，在划线过程中，不是对照图纸，机械地把线条划出来，而是要读懂图纸，考虑尺寸精度、形位精度等诸多因素，用预后来规避产生废品的潜在风险。

7 精益生产

精益生产是指运用多种现代管理方法和手段，以社会需求为依据，以充分发挥人的作用为根本，有效配置和合理使用企业资源，最大限度地为企业谋取经济效益的一种新型生产方式。

现阶段，国内一些管理先进的国有企业，在进行现代企业制度的运作中，都引进和总结并发展了这套先进的管理方法，以求提升自身的管理水平并加以推广。

企业搬迁新厂区后，按工艺流程将分散的加工单元集成，由划线平台、数控立车、机械手、加工中心、摇壁钻床等组成智能生产线[8]，由单件流线加工单元和单件装配加工单元组成的单线流线体系，推进以工位制节拍化流水线生产为核心的精益制造模式，与物流配位系统、制造过程管理、工艺设计管理等高度集成的企业管理层，形成企业高、中二层管理体系。由车间调度人员下达生产指令，经Mes确认，采用拉式生产方式，建立连续作业的流，生产实行准时制。由库房根据Mes指令，将毛坯送至划线平台，划线完成工序后，由机械手传至下一工序，序序相传，实现无缝对接，完成节拍生产，直到产品清洁、检查验收、列单入库、出库装车、准入准出。推动工位化仓储、准时化配送，达到以现场工位为目的的快速响应机制的形成，保障产线高效运行的管理机制、指标体系和评价标准。闲时，工装清理、清洗涂油、入库封存。符合整理、整顿、清扫、清洁、素养5S标准，全员参与改善，全力打造具有典型机车制造特征的智能制造工厂。

现代企业在构筑好产品和业务层面上的硬实力之外，夯实价值创新机制行为规范和提高企业文化等软实力越发重要。在万物互联时代，软实力不仅是产业实现转型的关键，更是企业走出去的“通行证”。企业管理未来走向是数字化时代的要求，数字化时代组织管理的3个关键词是赋能、共生、协同。

8 结语

通过不断创新和实践，此工艺已形成稳定的产品流程。各部分的加工精度和技术参数均满足设计要求，完全实现了国产化，为以后各型号气缸盖的加工流程提供可借鉴的模板。同时，划线创新先进操作法和预后理论也得到推广和诠释。通过精心打磨自己的技能，逐步完善智能化生产体系，大幅提高了生产管理水平和生产效率，实现了企业管理精益化。