柴油机设计与制造 Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－０６１４．２０１０．０２．０１０ ２０１０年第２期第１６卷（总第１３１期） 缸盖喷油器孔加工的解决方案 程权，王秋冰 （上海柴油机股份有限公司，上海２００４３８） 摘要介绍了１１ＣＢ柴油机缸盖喷油器孔的结构特点和加工要求，分析了加工工艺，重点阐 述了夹具设计过程，提供了加工的解决方案。 关键词：缸盖喷油器孔加工工艺夹具 Ａ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｏ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｏｆ Ｉｎｊｅｃｔｏｒ Ｂｏｒｅ ｉｎ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ Ｈｅａｄ Ｃｈｅｎｇ Ｑｕａｎ，Ｗａｎｇ Ｑｉｕｂｉｎｇ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００４３８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｅａｔｕｒｅ ａｎｄ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｊｅｃｔｏｒ ｂｏｒｅ ｉｎ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｈｅａｄ ｏｆ ｌ １ ＣＢ ｅｎｇｉｎｅ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｎ ｆｉｘｔｕｒｅ ｄｅｓｉｎ．Ａ ｓｏｌｇｕｔｉｏｎ ｔｏ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｒｅ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｈｅａｄ，ｉｎｊｅｃｔｏｒ ｂｏｒｅ，ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｆｉｘｔｕｒｅ １前言 。 与直径比为ｌ０多倍，属深孔加工，加工时刀具的 喷油器孔位于柴油机缸盖之上，其加工质量的 好坏直接影响喷油器安装的配合精度和位置精度， 从而影响柴油机的性能和可靠性。本文以上柴公司 的ｌ １ＣＢ系列柴油机缸盖喷油器孔的加工为例，介 绍其加工工艺和夹具的设计和改进过程。 ２喷油器孔的结构特点和技术要求 １ １ＣＢ柴油机的喷油器孔的轴线相互平行，与 缸盖设计基准形成空间复合斜孑Ｌ，精度要求高，其 加工的技术难点是要保证空间角度精度和孔的座标 位置精度，在工件的定位，空间角度、尺寸的计 刚性差，排屑困难。缸盖材料为灰口铸铁，铸件的 喷油器孔处未铸出铸孔，为实心加工。 喷油器孔的技术要求： （１）ｄ、Ｄ１、Ｄ三级 算，夹具的设计制造等都比较复杂、难度大。为保 证加工质量和提高效率，根据喷油器孔的结构特点 和技术要求，对加工工艺方案、机床、刀具的选 型，夹具的设计制造等进行综合分析和优化，把复 杂的技术问题转化为简单的技术问题的合成，为喷 油器孔的加工提供了合理有效的解决方案。 ｌ １ＣＢ柴油机缸盖６个喷油器孔成直线均匀布 置，每个孔由３个阶梯孔组成同轴孔，如图ｌ所 示。底部的ｄ孔直径小，与其他２个孔相比，Ｄ和 Ｄ１两孔直径是ｄ孔的２—３倍，而ｄ孔的加工深度 来稿日期：２００９—０９－２５ 图１缸盖喷油器孔 作者简介：程权（１９６４一），男，高级工程师，主要研究方向为工装技术和应用。 阶梯孔的尺寸公差和形状公差； （２）ｄ、Ｄ孔的同 准、较小的端面作止推基准。 轴度和与内肩面的垂直度公差，孔对设计基准的位 ４．２设计方案 置精度； （３）孔和内肩面的表面粗糙度。 在立式机床上加工喷油器孔有两种方案，第一 ３加工方法 种方案是工件在夹具中相对机床工作台面旋转一个 根据喷油器孑Ｌ的结构特点和技术要求分析，加 角度安装，这样可以把空间复合孔转化为角度 工时主要解决以下三方面的问题：一是空间复合孔 为６的单斜孔加工，见图３；第二种方案为进行 的位置要求，二是深孔ｄ的加工质量，三是如何提 空间几何角度尺寸的换算，把空间复合孔轴线转化 高加工效率。加工方法的选择既要保证产品质量， 为机床座标系中分别与运动方向一致的２个平面内 又要满足提高生产效率和降低加工成本的要求。在 的２个单斜孑Ｌ轴线的合成，具体就是把缸盖喷油器 卧式机床上加工空间复合孔时，可利用工作台旋转 孔的 和６角转化为安装在机床上夹具的 和 一个相应的角度，使空间复合孑Ｌ转化为单斜孔，可 Ｂ角，见图４。根据缸盖喷油器孔的尺寸和角度， 简化加工的复杂程度。但卧式机床比立式机床价格 第二种方案所需的机床加工的范围小、行程短、节 高，占地面积大，从生产成本的角度来考虑，选择 拍时间少，为降低成本，因此选用第二种加工方 在立式机床上加工。 案。 根据缸盖多品种和小批量的情况，确定的加工 方法为：在立式加工中心机床上一次定位装夹，用 钻、扩、铰等方法完成６个喷油器孔的全部加工。 （１）钻孔：首先加工出中 ｔｉ，￣Ｌ作为后道加工的 导向，再钻Ｄｌ孔，切除大部分余量，然后再钻ｄ 孔。这样安排可以大幅减少深孔ｄ的切削长度，方 便排屑，保证三级阶梯孑Ｌ的同轴度和提高切削效率。 （２）扩孑Ｌ：扩孔主要是修正钻孔时的位置度偏 差，提高三级阶梯孔的同轴度，为精加工铰孔留 Ｏ．３～０．５ ｍｍ的加工余量。 Ｃ．Ｃ放大 （３）铰孔：铰孔是最终精加工，为了保证喷油 Ｄ 器孑Ｌ的同轴度、尺寸精度和表面粗糙度，要求铰刀 精度高、径向跳动小，同轴度高。 为提高加工质量和效率，除中心钻外，ｄ孔和 Ｄｌ孔的钻孔、扩孔、铰孔的刀具全部采用带内冷 的整体硬质合金材料刀具，扩孑Ｌ、铰孔所用刀具采 用了三级复合刀具结构，可以在一次进给中完成喷 油器孔的半精加工和精加工，如图２所示。这两项 措施提高了切削参数和加工效率，保证了同轴度的 图３夹具方案１ 要求，实现了较高的加工性价比。 ４．３定位机构 为使缸盖在夹具中实现正确稳定的定位，定位 支承块需分布在３个相互垂直的平面上，分别与缸 图２整体硬质合金复合刀具 盖的定位基准相接触，完全缸盖的６个自由 ４夹具的设计与制造 度。如图４所示，在夹具大平面上的多个支承块 ４．１定位基准 ＃ｌ０共面组成主定位平面，缸盖３个自由度， 工件在夹具中的定位是使同一工序中的批量工 夹具侧向＃ｌ、＃２支承块共面缸盖２个自由度， 件都能在夹具中占据正确的位置。缸盖是箱体类零 支承块＃３布置在夹具的右端１个自由度。 件，需要经过多道工序、多次装夹和加工，必须采 ４．４夹紧装置 用统一基准。根据缸盖零件的结构特点，选用面积 夹紧装置是将工件在夹具中夹紧夹牢，由夹紧 较大的底面作主定位基准、较长的侧面作导向基 力的作用方向、作用点和力的大小三个因素施加在 动换向转阀＃１、＃２安装在夹具液压底板上。转阀 ＃１连接、控制一个端面和两个侧面夹紧油缸的夹 紧和松开，在两个侧向夹紧液压油路中配置一个节 端向夹紧油缸 侧向夹紧油缸 流阎 主夹紧油缸 图４夹具方案２ ｌ＾－Ｉ Ｉｌ ｌ 工件上。在加工过程中，工件受到切削力、重力等 外力作用，夹紧装置使工件保持在由定位确定的正 确位置上。在加工过程中，夹具的主定位平面相对 机床工作台面是一个空间复合斜面，切削力与缸盖 图５液压原理图 的重力方向一致，它们的分力均与３个定位支承面 垂直，方向为离开定位面。为操作方便，提高效 率，夹具采用液压夹紧机构，三个方向夹紧力分别 单独作用，方向与定位支承面垂直与切削力的分力 相反，使缸盖在加工中３个定位基准面分别与夹具 定位支承面可靠接触并保持有一定的压力，保证夹 紧稳定可靠。夹紧力的作用点如图４所示，＃５、＃７ 为侧向夹紧油缸，＃９为端面夹紧油缸，样ｌｌ、＃１２ 流阀调节流量，使侧向夹紧油缸的速度小于端向夹 紧油缸，实现先端面再侧面定位夹紧的顺序；转阀 群２连接、控制两个主夹紧油缸的同步夹紧和松开。 通过操作转阀＃ｌ、＃２的先后可实现定位夹紧的顺 序要求。 ４．６夹具的制造 夹具制造的主要技术难点是要保证夹具体的加 工质量，由于夹具体的上平面和底平面分别是方向 不一致的两个斜面，无法利用其中一个面为基准加 工另外一面。根据夹具体的结构，其６个面之间角 度关系的特点是：侧面和端面相互垂直，同时侧面 为主夹紧油缸，夹紧力的大小由选用油缸直径和液 压系统压力确定，其中主夹紧油缸的直径比侧向、 端向三个油缸大，夹紧力最大。 ４．５液压系统 与上平面垂直，端面与底平面垂直，侧面面积较 大，可以选择以侧面为基准加工上平面。因为夹具 是单件生产，可以采用调整试切法加工，工艺上安 由于夹紧装置采用三个方向单独夹紧，为使缸 盖与各定位面接触并保持夹紧状态，实现完全定位 要求，需要确定夹紧顺序，保证先端面再侧面定位 夹紧，最后进行主定位面的定位夹紧，夹具液压系 统如图５所示。 排的加工顺序为：粗加工在龙门刨上进行，先校正 毛坯划线，自为基准，刨出底平面，再以底平面为 基准加工端面；然后在卧镗上以底平面和端面为基 准搭角铁，通过工作台面转一个（９０。＋口）角度 机床液压油路连接到夹具液压底板上，２个手 加工侧面，最后根据侧面为基准通过工作台面转一 斜面 个 角度加工上平面。在精加工时，先加工出底 面为精基准，然后再制造一个角度为 的斜铁， 如图６，把夹具体安装在斜铁上成为一个整体零 件，可以把夹具体转化为上平面角度为 的单斜 面的零件加工，通过在侧面上打３个工艺基准孔作 为测量基准来保证上平面的加工角度 。 ５结束语 随着企业对生产成本控制要求的不断提高，需 要从技术的角度对加工过程进行优化和改进，通过 改进加工技术和方法来降低单工序的加工成本。本 图６加工夹具体基准孔示意图 文通过对缸盖喷油器孔加工方法的分析和优化，采 用合理有效的措施，保证了质量，提高了加工的性 价比，满足了生产的需要。 （上接第４页）一个角度，分别取ｒ与该角度余弦、 粗加工工序后，按几何定心方式又显现了加工余量 正弦的乘积，即可获得确切的动力头沿水平、垂直 比较均匀的优点，而采用质量定心有时候就会遇到 方向的调整量ｘ、Ｙ，从而完成了预调操作ｆ３＿。注 这方面的问题，且受毛坯质量的影响较大。 意，上述ｌＩ缶界值１００ ｇ・ｃｍ只是针对某型发动机曲 （３）表明，无论执行哪一种曲轴定心工艺，毛 轴加工而内部设定的，其不平衡量允值为２５ ｇ・ 坯质量带来的影响都是很大的。前面曾介绍过的通 ｃｍ，不同情况下应根据经验自定。 过抽检、分析样本，对打孔动力头位置进行微调的 在经过了以上的预检、预调步骤后，可确保终 补偿措施，其实就是弥补毛坯的系统性缺陷的一种 平衡时的一次合格率超过９０％，二次不合格率基 方式。不过，这里提到的毛坯必须是同一批次的。 本就降为零。 （４）若从经济性考虑，采用质量定心工艺由于 上述这种反馈补偿性质的调整操作，其实一样 占用设备多，而专用质量定心设备的价格又极其昂 适用于几何定心过程。一般来说，当生产线的运行 贵，因此完全无法与几何定心工艺抗衡。后者的工 水平达到上一节中图４、图５的状态时，并不会实 艺集中度高，从图２可见，铣两端面和打中心孔是 施这一操作。而对于小排量（１．６Ｌ及以下）发动机 在一台机床上完成的，不但占据空间少，而且投资 曲轴的铸铁毛坯来讲，偶然出现终平衡不合格率过 更是省了很多。 高时，就会采取类似上面的针对性措施，即抽取、 综合以上这一切，对近ｌ０年来在曲轴加工过 检测若干根粗加工后工件的初始不平衡量 ，据 程中，无论国内还是国外，几何定心工艺逐渐成为 此来调整第一道工序机床打中心孔的动力头位置。 主流就可以理解了。不可否认，质量定心工艺的优 当然，必须注意的一点是实施这项操作前后的毛坯 越性决定了它仍将占有相当的份额，除了沿用多年 是同一批次的，否则就失去了意义。 前建成的老线外，还有不少近年来建成的新线。但 ４小结 调研也表明，其中主要是排量较大的汽油机或多缸 对于前面的表述、分析做一个归纳，有以下几 柴油机，且往往用的是铸钢毛坯，另一个要素是企 点可供参考： 业在规划中列入了这笔投资的可能性。 （１）从技术角度进行比较，相比几何定心工 艺，执行质量定心的最大优点是其工艺特点保证了 参考文献 进入“终平衡”前的初始不平衡量Ｕ２较小，从而 １顾永生主编．现代轿车先进制造工艺【Ｍ】．上海： 减少了去重量，缩短了终平衡时间，提高了一次合 上海交通大学出版社，１９９８． 格率。由于过度的修正（去重）会恶化发动机内部 ２李海国．曲轴制造技术演变及敏捷柔性生产线方 的质量补偿，影响其功能，因此这样通过采取“减 案初探Ｕ１．汽车制造业，２００６（１０）． 少去重量”的措施，会产生很好的效果。 ３朱正德．曲轴动平衡机的能力验证Ｕ】．汽车技术， （２）一方面，同样是由工艺特征决定，在进入 ２００７（１ １１．
