南車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)有限公司 （江蘇常州 213102） 虞行國(guó) 許亞英 譚曉麗

柴油機(jī)在現(xiàn)階段各個(gè)領(lǐng)域都在廣泛地應(yīng)用，例如船舶、鐵路、工程機(jī)械及電力等，在遇到戰(zhàn)爭(zhēng)和突發(fā)的災(zāi)害時(shí)期柴油機(jī)更加能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)和作用。由于電力機(jī)車(chē)的發(fā)展，鐵路系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)車(chē)需求有所下降，因此，原來(lái)生產(chǎn)機(jī)車(chē)柴油機(jī)的廠家紛紛轉(zhuǎn)型生產(chǎn)船用發(fā)動(dòng)機(jī)。

在技術(shù)進(jìn)步和綠色環(huán)保的今天，用戶對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)使用的出功功率、油耗、噪聲、機(jī)破等指標(biāo)有更高的要求。這就要求設(shè)計(jì)人員具有符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)思路，制造廠商有先進(jìn)的制造工藝和先進(jìn)高端的加工制造設(shè)備來(lái)迎合市場(chǎng)的需求。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)總成后會(huì)由上千個(gè)零件所組成，但是關(guān)鍵還是五大件，即機(jī)體、曲軸、凸輪軸、連桿和缸頭等。以鐵路內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)為例，圖1是生產(chǎn)線上即將裝車(chē)的鐵路內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的總成外形圖。

圖1 柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體總成

機(jī)體加工難點(diǎn)和加工設(shè)備

柴油機(jī)機(jī)體是一個(gè)典型復(fù)雜的箱體零件，是裝配各個(gè)零部件的基礎(chǔ)件，目前大體有整體鑄造和板材焊接件兩種。各端面上大約有大小螺栓孔上千個(gè)。而V型柴油機(jī)機(jī)體主要精度尺寸體現(xiàn)在三孔即主軸承孔、二側(cè)凸輪軸孔、氣缸孔和這三孔的空間相交尺寸。這些孔徑的精度尺寸直接影響到柴油機(jī)的使用壽命和機(jī)破事件發(fā)生的幾率。對(duì)柴油機(jī)機(jī)體主軸孔和凸輪軸孔的精度有著較高的精度要求，在5m長(zhǎng)9擋孔徑上主軸孔直線度誤差要控制在0.08mm，相鄰誤差要控制在0.035mm，同樣凸輪軸孔直線度誤差要控制在0.10mm，相鄰誤差要控制在0.035mm的精度，因此要嚴(yán)格控制機(jī)體本身的變形、加工時(shí)的工件壓裝和對(duì)機(jī)床本身的加工精度。圖2所示是在加工主軸孔和凸輪軸孔。

圖2 加工主軸孔和凸輪軸孔

加工機(jī)體時(shí)，加工難點(diǎn)就在設(shè)備本身X軸的直線度是否達(dá)到工藝要求，以及Y軸和Z軸運(yùn)行插補(bǔ)程序時(shí)各軸的重復(fù)定位精度指標(biāo)。因?yàn)樵诩庸ぶ鬏S孔和凸輪軸孔時(shí)，都是通過(guò)附件銑頭一擋一擋地進(jìn)行加工的，同時(shí)附件銑頭也有兩項(xiàng)精度會(huì)影響柴油機(jī)機(jī)體的加工精度。附件銑頭的主軸中心線與滑枕主軸中心線的中心偏置以及附件銑頭180°回轉(zhuǎn)中心的偏置精度都應(yīng)該小于0.015mm，所以對(duì)附件銑頭重復(fù)定位精度指標(biāo)要求比較高，如圖3所示。目前，國(guó)產(chǎn)大型龍門(mén)加工中心大部分承擔(dān)柴油機(jī)機(jī)體的粗加工和半精加工，精加工工序全被德國(guó)、日本等國(guó)際品牌進(jìn)口設(shè)備所壟斷，代表性的有瓦得里希科堡、黑根里斯特等品牌。

圖3 附件銑頭主軸與滑枕主軸的安裝及附件銑頭的精度測(cè)量

曲軸加工難點(diǎn)和加工設(shè)備

曲軸（見(jiàn)圖4）是發(fā)動(dòng)機(jī)中承受沖擊載荷、傳遞動(dòng)力的重要零件，在工作中它要承受交變載荷、彎曲和剪切應(yīng)力，對(duì)疲勞、耐磨和強(qiáng)度等性能指標(biāo)都有較高的要求，同時(shí)對(duì)材質(zhì)的毛坯、熱處理工藝等都有嚴(yán)格的要求。

圖4 船用曲軸和機(jī)車(chē)用曲軸

一根5t左右全纖維擠壓曲軸的毛坯到成品需要經(jīng)過(guò)多道工序，工藝為：粗車(chē)主軸頸→粗車(chē)連桿頸→半精車(chē)主軸頸→半精車(chē)連桿頸→精車(chē)主軸頸→精車(chē)連桿頸→粗磨主軸頸→粗磨連桿頸→精磨連桿頸→精磨主軸頸等熱處理、檢查、化驗(yàn)近40道子工序。這種軸類工件在現(xiàn)有的設(shè)備一次加工成形是困難的，因?yàn)閹в衅模员仨氂袃煞N設(shè)備分別來(lái)加工主軸頸和連桿頸（見(jiàn)圖5）。

圖5 主軸頸和連桿頸的車(chē)加工

針對(duì)主軸頸直徑、連桿頸直徑、連桿頸平行度、圓柱度、表面粗糙度、主軸頸跳動(dòng)等這么多的精度要求，制造質(zhì)量和制造周期滿足不了高速發(fā)展的鐵路和船舶業(yè)，為此一般都選用進(jìn)口的一次夾裝、一次加工成形的車(chē)銑復(fù)合數(shù)控設(shè)備，代表設(shè)備有奧地利WFL等?，F(xiàn)代工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家都把制造高速、高精、車(chē)銑復(fù)合加工機(jī)床作為其重要的發(fā)展目標(biāo)，此類機(jī)床的生產(chǎn)能力和技術(shù)水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志，而且能夠加工出形狀復(fù)雜精度要求的產(chǎn)品（見(jiàn)圖6）。

圖6 數(shù)控車(chē)銑復(fù)合機(jī)床

在選擇同樣采用臺(tái)階切入形式磨削時(shí)，雖然這種磨床設(shè)備經(jīng)過(guò)兩種形式的改進(jìn)（見(jiàn)圖7），還是解決不了一次夾裝同時(shí)磨削主軸頸和連桿頸問(wèn)題，需多次調(diào)整偏心距和分度角度才能完成對(duì)連桿頸的磨削加工。圖7a是早期形式的磨床頭尾架通過(guò)機(jī)械同步軸傳動(dòng)進(jìn)行工作，圖7b是數(shù)控形式的磨床頭尾架達(dá)到同步軸進(jìn)行工作的。但是，要使主軸頸和連桿頸的精度達(dá)到0.03mm，特別是對(duì)多缸機(jī)的多拐連桿頸相互平行度的精度達(dá)到0.02mm是很難保證的。

為了要一次夾裝同時(shí)磨削主軸頸和連桿頸又保證磨削精度，目前在進(jìn)口大型磨床設(shè)備上也采用了新的磨削工藝即隨動(dòng)磨削或者叫跟蹤磨削。代表設(shè)備制造廠為EMG公司。為提高大型曲軸切點(diǎn)跟蹤磨削的工件輪廓精度為目標(biāo)，克服曲軸扭轉(zhuǎn)變形對(duì)連桿頸形位精度的影響、高精度高響應(yīng)特性的砂輪架進(jìn)給系統(tǒng)以及切點(diǎn)跟蹤磨削運(yùn)動(dòng)軌跡誤差控制，砂輪架進(jìn)給系統(tǒng)是切點(diǎn)跟蹤磨削的關(guān)鍵部件，它對(duì)保證連桿頸磨削的輪廓精度起著至關(guān)重要的作用。這也是考核設(shè)備好壞的關(guān)鍵項(xiàng)（見(jiàn)圖8）。

圖7

圖8 數(shù)控隨動(dòng)跟蹤磨床

大型曲軸質(zhì)量大，具有很大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，故其回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)需要很大的驅(qū)動(dòng)力矩；另一方面大型曲軸長(zhǎng)徑比大，曲拐的空間分布情況復(fù)雜，曲軸整體抗扭剛度較低，因此曲軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，切點(diǎn)跟蹤磨削中曲軸的扭轉(zhuǎn)變形會(huì)對(duì)連桿頸造成形位誤差，這就需要設(shè)備的頭架尾架在同步上下功夫，做到旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分度上分秒不差。所以頭架和尾架的同步技術(shù)水平?jīng)Q定曲軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的扭轉(zhuǎn)變形以及影響各連桿頸平行度的精度，砂輪架進(jìn)給系統(tǒng)以及切點(diǎn)跟蹤磨削運(yùn)動(dòng)軌跡誤差決定主軸頸和連桿頸圓度精度。

連桿加工難點(diǎn)和加工設(shè)備

柴油機(jī)作功的力就是通過(guò)連桿傳遞到曲軸上，連桿是聯(lián)接活塞與曲軸的關(guān)鍵零件，兩頭有大小孔之分，小孔聯(lián)接活塞，大孔通過(guò)哈夫設(shè)計(jì)組成連桿體和連桿蓋聯(lián)接安裝在曲軸連桿頸上（見(jiàn)圖9）。

圖9 柴油機(jī)連桿

連桿在工作時(shí)工況是十分惡劣的，特別是聯(lián)接曲軸的大孔部分的連桿體和連桿蓋要承受曲軸360°旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)它們的拉力和推力，在這兩個(gè)作用力下，會(huì)造成除了4個(gè)連桿螺栓通過(guò)扭力扳手的壓緊外，還會(huì)造成連桿體與連桿蓋的軸向以及徑向的連接平面位移。這種現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生孔與軸配合間隙的變化，導(dǎo)致連桿粘瓦形成機(jī)破事故。為此它們的聯(lián)接在平面內(nèi)除了有定位銷(xiāo)釘及連桿螺栓外徑和連桿有配合公差克服軸向位移外，在克服徑向位移上也采取一定的安裝工藝，一種是采用凹凸槽相配的辦法，另一種是采用鼠牙齒結(jié)構(gòu)的形式（見(jiàn)圖10）。鼠牙齒的形狀是通過(guò)磨床加工而得到的，這些具有代表性的設(shè)備有保寧、法力圖、ELB的機(jī)床。這種緊密結(jié)合就很好地解決了位移的產(chǎn)生。

圖10 鼠牙齒結(jié)構(gòu)聯(lián)接的連桿

該結(jié)構(gòu)的連桿對(duì)加工設(shè)備有較高的要求，方法屬于大磨削量緩進(jìn)給蠕動(dòng)加工，砂輪的修正采用整體的金剛石滾輪修正器，修正器本身的精度決定砂輪的精度也最終決定產(chǎn)品的精度，設(shè)備如圖11所示。

連桿在磨削前端面是平面形狀，在專用夾具的夾持下，經(jīng)過(guò)二次磨削即成形（見(jiàn)圖12）。

圖12 未磨削前的連桿和連桿夾具

這種大磨削量緩進(jìn)給磨削方法容易產(chǎn)生鼠牙齒表面的燒傷以及裂紋，為了防止不良現(xiàn)象的產(chǎn)生可以使用大流量冷卻泵來(lái)帶走熱量和沖洗工件以及砂輪表面，同時(shí)為提高表面粗糙度就需要選擇合適的切削液和加工參數(shù)。

缸頭加工難點(diǎn)和加工設(shè)備

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭是典型的箱體零件，在這種型號(hào)缸頭里裝有4個(gè)閥門(mén)，即進(jìn)排氣門(mén)（見(jiàn)圖13）。要求氣門(mén)芯即氣閥在凸輪軸的作用下閥門(mén)閥面開(kāi)啟關(guān)閉密封性能及接觸面良好，而且閥桿孔長(zhǎng)度較長(zhǎng)，又要與閥桿閥門(mén)保持同心度，這就要求加工的設(shè)備具有：工作臺(tái)B軸回轉(zhuǎn)精度誤差＜6s，主軸中心線要與工作臺(tái)保持較好的平行度，使加工的產(chǎn)品能夠達(dá)到工藝要求。具有代表性的設(shè)備有DMG、MAKINO、OKUMA品牌等。根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)最好選用正T形床身的臥式加工中心，這樣可以防止因立柱長(zhǎng)時(shí)間作Y軸向運(yùn)行造成主軸中心線變化而影響同軸度，發(fā)生密封性能差和閥桿斷裂的現(xiàn)象，降低了燃燒室的爆發(fā)力和柴油機(jī)的功率。

圖13 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭裝置總成和部件加工

柴油機(jī)凸輪軸加工難點(diǎn)和加工設(shè)備

凸輪軸裝置是柴油機(jī)的一個(gè)主要控制系統(tǒng)，它對(duì)凸輪的曲線升程以及各凸輪間的夾角都有嚴(yán)格的數(shù)值要求（見(jiàn)圖14）。

圖14 凸輪軸磨床在加工產(chǎn)品

凸輪軸磨床也隨著產(chǎn)品精度要求的提高而不斷地升級(jí)，而不是采用靠模來(lái)控制頭尾架的轉(zhuǎn)速。從數(shù)控系統(tǒng)適應(yīng)凸輪軸加工的特性、機(jī)械傳動(dòng)鏈的優(yōu)化都顛覆了原來(lái)的設(shè)計(jì)以及加工手法和工藝。特別是磨削凸輪曲面時(shí)，砂輪與工件的切點(diǎn)隨著凸輪曲面直徑變化，要求凸輪軸磨床的頭尾架轉(zhuǎn)速與砂輪線速度匹配，達(dá)到表面粗糙度一致。磨削的方法是采用隨動(dòng)跟蹤磨削（見(jiàn)圖15）。

圖15 凸輪軸磨床的靠模

全數(shù)控凸輪軸磨床具有代表性的機(jī)床廠有斯來(lái)福臨旗下的磨床制造廠。

結(jié)語(yǔ)

柴油機(jī)車(chē)在鐵路運(yùn)輸中正逐漸被電力機(jī)車(chē)代替，為了生存，企業(yè)應(yīng)該積極轉(zhuǎn)型。2013年8月，國(guó)務(wù)院下發(fā)了《船舶工業(yè)加快結(jié)構(gòu)調(diào)整促進(jìn)轉(zhuǎn)型升級(jí)實(shí)施方案（2013～2015年）》，我國(guó)要大力培育中高速柴油機(jī)、小缸徑低速柴油機(jī)、甲板機(jī)械等優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品自有品牌，這給生產(chǎn)大型柴油機(jī)的機(jī)車(chē)廠帶來(lái)了機(jī)遇。機(jī)車(chē)廠有生產(chǎn)中高速柴油機(jī)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，有先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，積極介入船舶中高速柴油機(jī)市場(chǎng)，一定會(huì)有很大的收獲。