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大功率中速船用发动机机体加工窍门,钻孔和镗孔不再是难题

2020-06-19 13:35

  针对柴油机机体的加工难点进行分析,确定合理的加工方案和工艺流程,通过改进刀具,解决了钻孔和镗孔难题,顺利实现机体加工试制,为柴油机研制打下了基础。

  NY320柴油机是作者公司自主研发的大功率中速船用发动机,填补了我国单缸功率超500kW的中速大功率柴油机空白。机体作为整个柴油机的骨架,是柴油机的关键零部件。柴油机上的运动件、固定件及辅助设备都安装在其内外四周,机体加工质量的优劣将直接影响到柴油机的装配和使用性能。因此,提高机体的加工精度,保证机体加工质量稳定的同时提高生产效率,制定合理的工艺方案尤为重要。

  机体加工路线的确定

  (1)机体图样分析及关键尺寸 NY320柴油机机体毛坯由球墨铸铁QT400-15铸造而成,质量约18t,气缸直列式分布,机体外形尺寸:长×宽×高为5 730mm×1 297.5mm×1 761mm,因柴油机负荷较重,采用机体底面低于曲轴轴线的龙门式设计以提高机体强度。主油道铸造成型,横向支油道深孔需加工获得,所有油道必须进行水压密封试验,检查是否存在铸造缺陷。主轴承盖通过贯穿螺栓,使用专液压拉伸器固定在机体上,需加工贯穿机体座面和顶面的深孔。机体关键部位如主轴孔座面、瓦口面、地脚螺栓面及缸头螺栓孔等区域需进行磁粉或超声波探伤。其主要加工尺寸见表1,要使这些关键尺寸达到图样要求,工艺设计时要坚持基准先行、先面后孔、先粗后精和基准统一的原则,同时充分考虑加工中设备、工装、刀具及装夹的影响。

  表1 机体主要加工部位及尺寸

  

  (2)加工工艺路线 机体作为箱体类薄壁零件,需要在多个面完成铣、镗及钻等工序的加工,工序安排上要避免加工应力引起的机体变形,保证其加工精度不发生变化。首先,将机体加工工序分为粗加工和精加工两个阶段,通过粗加工去除机体毛坯的加工余量,减少精加工中由于热变形引起的加工误差。其次,精加工前对机体进行振动时效处理,进一步释放机体铸造及粗加工切削中产生的残余应力,确保各孔和面的几何公差在精加工时处于稳定状态。

  设备选用方面要结合生产现场实际加工能力,合理选择设备,既能保证零件加工精度,又能提高生产效率。粗加工阶段的工序由于加工尺寸要求不高、毛坯切削量大,安排在普通龙门铣床、镗床进行,既能保证生产进度,又能降低加工成本。精加工阶段由于机体孔、面尺寸及几何公差要求高,工序相对集中,安排在大型龙门数控加工中心或卧式镗铣加工中心进行加工,充分利用加工中心质量稳定且高效的特点,在一次装夹中同时完成多个相关联孔和面的加工,提高加工精度和加工效率。

  综合以上分析,制定NY320机体的加工工艺流程为:划线→粗铣顶底及两侧面→粗刨瓦口→粗铣两端面→粗镗主轴孔、粗铣开挡→粗铣顶面、粗镗凸轮孔→粗镗缸孔→探伤(超探和磁探)→钻底面及主轴螺栓孔→钻横向油孔及两侧面螺孔→机体振动→机体压水→精铣瓦口、缸面→装配主轴承盖→精镗主轴孔、精铣过轮孔面→精镗缸孔→钻缸面各螺孔→钻两端面各孔、镗凸轮孔基准孔→镗凸轮孔、精铣泵孔面、镗泵挺杆孔→三坐标计量→拆主轴承盖→缸头螺栓孔倒角→钳工攻螺纹、去毛刺→清理切屑→打磨主油道→清砂清洗→防锈交出。

  机体主要加工难点分析

  (1)机体主轴螺栓孔及横向油道孔加工 NY320机体的主轴承盖通过螺栓及螺母固定在机体上,主轴螺栓孔贯穿机体接通缸面,从主轴承座面到缸面距离为1 231mm,孔径为φ55mm,中间部位靠近油道处孔径为φ52mm,表面粗糙度值要求Ra=3.2μm。横向油道孔需从两侧面接通,深度尺寸为1 295mm,孔径为φ39mm,如图1所示。

  

  以上两种孔是长径比>5的深孔且对于位置度及孔径有较高要求。深孔加工中一般采用枪钻,但由于该机型每挡都要加工主轴螺栓孔及横向油道深孔,枪钻切削速度慢、效率不高,生产进度可能无法保证。同时,现场没有枪钻刃磨设备,枪钻的返修、刃磨难度大。在实际加工中,通过现场工艺试验,我们决定采取深孔铲钻加工方案。深孔铲钻由钢制的刀杆和可换刀片组成,加工效率比枪钻高。刀杆采用侧固柄,冷却水通过刀杆内部孔直接冷却刀片。刀片采用中间定心双刃切削的对称结构,通过螺钉固定在刀杆上,在一定范围内通过更换刀片满足不同尺寸孔的加工要求。φ55mm及φ39mm孔孔径要求不高,使用常规刀片加工即可。φ52mm孔则需使用精磨刀片加工,其加工孔的尺寸精度可以控制在0.05mm以内,同时通过刀片侧面修光刃带的挤压,加工孔壁的表面粗糙度值可以达到Ra=1.6μm,满足图样尺寸及表面质量要求。

  钻孔时由两侧面向中心对接深孔,设备上我们选用PAMA卧式数控镗铣床,利用旋转工作台保证一次装夹完成两侧深孔的接通,其内冷压力也满足深孔排屑的要求。加工中,根据工艺试验验证的切削参数,先使用较短的铲钻加工,保证孔位置度的同时作为深孔的引导孔,然后依据钻深依次更换不同长度规格的铲钻,最终将孔深尺寸加工到位,并使用自制通止规检测通过性及尺寸是否合格。

  (2)缸头螺栓孔的加工与检测机体缸头螺栓孔(见图2)的螺纹部分距离缸面395mm,螺纹长度约110mm。加工过程中出现了部分螺纹孔靠近出口处无螺纹的现象。分析原因时发现,由于刀杆强度不够且缸头螺栓孔出口处毛坯铸造面不平整,使得底孔钻通时刀片两侧受力不均衡,导致出口处底孔钻偏,因底孔孔径增大造成攻螺纹后无螺纹牙型。为了避免此问题,在钻螺纹底孔时首先使用φ45mm铲钻加工螺纹底孔,距钻穿还有20mm时,换普通φ42mm加长麻花钻头钻通,然后再使用φ45mm铲钻扩孔接通,修正钻偏误差。经过多台机体加工验证,这种加工方法能够很好地保证螺纹底孔质量,从而确保缸头螺栓孔螺纹的加工稳定性。检测方面,由于螺纹孔位置过深,制做了专用的M48×3加长螺纹塞规用于螺纹孔的检查与质量控制。

  图2 缸头螺栓孔加工

  (3)主轴孔同轴度控制及端面加工 NY320机体主轴孔孔径为φ302mm,机体按机型不同最多有10挡。图样要求全长同轴度≤0.1mm,相邻同轴度≤0.05mm。两端面对主轴孔轴线的垂直度要求为0.08mm,止推面对主轴轴线轴向圆跳动要求为0.03mm,过轮孔面对主轴孔A-C轴线的垂直度要求为0.03mm。加工过程中为了满足图样要求,选择在数控龙门镗铣加工中心进行加工。利用机床不同的加工附件,在机体仰放方位一次装夹的同时完成精镗主轴孔和精铣各面的加工,减少重复装夹与找正,有利于保证孔和面的几何公差要求。同时,装夹过程中压紧力不宜过大,避免机体变形导致松开压板后影响主轴孔同轴度。加工过程中,为了避免设备精度对主轴孔同轴度的影响,机体首台加工精镗主轴孔时需按半精镗孔→准直仪计量→修正补偿参数→精镗孔工序进行。通过参照准直仪计量结果,修正机床每挡精镗孔时的精确定位参数,起到调整机体主轴孔全长及相邻同轴度的作用,使得实际加工得到的机体主轴孔同轴度为最优值。

  (4)机体缸孔加工 机体缸孔(见图3)分为上缸孔φ402H7mm和下缸孔φ370H7mm,其上、下缸孔轴线对主轴孔轴线A-B的垂直度要求≤0.1mm。若使用卧式数控镗铣床主轴加工缸孔,由于上、下缸孔需分开镗孔,对机床重复定位精度要求高,生产效率低。同时主轴伸出长度过长对缸孔轴线会产生影响。因此,考虑制作组合镗刀在数控龙门加工中心加工缸孔。加工过程中,首先试镗缸孔,然后使用加长找正杆测量加工缸孔中心与机体主轴中心的偏差,进行机床零点修正,减少附件及找正误差,然后使用组合缸孔镗刀同时进行上缸孔和下缸孔的加工,保证上下缸孔轴线对主轴轴线的垂直度要求。减少换刀辅助时间,提高加工效率。缸孔φ465mm沉台面可使用铣刀盘通过铣圆加工的方法,合理选用切削参数,来满足图样要求。

  

  图3 组合镗刀及缸孔加工

  结语

  通过对机体加工工艺的分析,确定了工艺难点,通过合理的加工方案及工艺流程,改进刀具,顺利实现机体加工试制,机体主要尺寸的三坐标计量结果满足图样要求,为柴油机研制成功打下了基础,也为今后其他大功率中速柴油机机体加工积累了经验。

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发布时间:2019-11-01 00:00:00

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