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

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5730mm×1297.5mm×1761mm，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1231mm，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1295mm，孔径为φ39mm，如图1所示。图1

机体深孔加工示意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