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【摘 要】针对240型整体铸造机体缸头螺纹孔加工时存在的工件毛坯硬度大、形位公差和精度要求高等问题，采用一系列改进办法，保证了机体缸头螺纹孔的高质量加工，且提高了生产效率。
【关键词】柴油机机体;缸头螺纹孔;加工方法;改进
16V240ZJF型柴油机机体是大连机辆公司自主开发的专利产品，它是D型内燃机车和船用柴油机的主体部分。該机体的整铸毛坯材质为球墨铸铁，体积大，形状复杂，设计要求精度高，加工难度大。在使用加长麻花钻和扩孔钻加工缸头螺纹孔时，由于麻花钻刚性不好、材料组织不均匀等因素造成底孔加工轨迹偏移，扩孔钻无法修正，使缸头螺纹孔达不到图纸的技术要求。所以为保证质量，提高效率，对螺纹孔的加工方法进行了改进。
1 加工方案分析
机体上端V形平面气缸孔周围，均匀分布6个深度为150mm的M36*3精密螺纹孔，用于旋入双头螺栓固定气缸盖和气缸套。
在加工缸头螺纹孔时，传统的加工工艺是：第一步，用φ32加长麻花钻钻底孔至150mm深;第二步，用φ38麻花钻钻孔至70mm深;第三步，用φ33扩孔钻扩底孔至147 mm深;第四步，攻M36×3-6H螺纹至138mm深。
从螺纹底孔的加工分析，底孔的大小、孔壁粗糙度、直线度、位置度等等都将会影响到螺纹的最终加工精度。如前道工序加工的底孔位置尺寸偏离量偏大，导致后道工序加工的螺纹刀具与底孔不重合，螺纹刀具的导向性下降，易造成丝锥折断、夹刀等等。
用麻花钻钻孔切削速度低，并且在钻孔过程中由于孔太深需要反复排屑，造成生产效率低。螺纹孔数量庞大（6x16）造成数控程序十分烦琐，而且容易出错，并且程序的通用性不强。
利用复合浅孔钻代替麻花钻和扩孔钻，一次完成螺纹底孔的加工，复合加工是提高加工效率的一个非常有效的手段，该刀具具有高压冷却润滑系统，可将上述钻扩三道工序简化为一次连续走刀完成相当深度的高精度和低表面粗糙度的孔加工。但如果采用复合浅孔钻，由于钻削动作变得相对复杂和连续，就必须修改加工中心机床的加工程序，采用宏程序编制主程序和钻削循环CYCLE830，使用变量R参数给循环提供参数。通过修改R参数来增强数控程序的通用性。
2 改进后的加工方法
2.1 编写加工中心机床钻削加工程序
2.1.1 编写带有保护功能的主程序
在程序编制中，采用了宏程序编制主程序。宏程序是程序编制的高级形式，具有很强的通用性，并且简单易读，只需针对各项加工参数所对应的自变量赋值做出个别调整，就能迅速的将程序调整到其他型号柴油机机体缸头螺纹孔的加工。主程序中部分参数如下：
该主程序将螺纹孔的坐标尺寸用最短的程序段表示出来，从生产实际情况反映，编写的程序相对比较简洁，具有很好的易读性和易修改性。在主程序中编制了检验坐标值语句，如果其中某一数值在编辑过程中输入了一个错误的数值，则产生一个故障信息，并且中断该程序的执行，大大降低了机床碰撞和加工错误的可能性。
2.1.2 程序运行前的模拟测试
为了使编制的程序能安全运行，在机床中对编制的主程序和钻削循环进行模拟。首先，设定模拟相关参数，然后，对程序进行模拟，检验坐标值是否正确，刀具运行的轨迹是否合理，如果R参数输入错误，模拟软件会及时报警，提示报警信息，编程员就能根据信息查找故障并做出修改。
2.2 改进螺纹底孔的钻削刀具和加工工艺
2.2.1 复合浅孔钻的改进
根据图纸要求德国刀具商提供的标准复合浅孔钻参数如下：刀体直径为30mm，刀杆总长230mm，排屑槽为10°螺旋槽。切削参数为 n=960r/min，F=220mm/min（f=0.229mm/r）切削速度为99.475m/min，但是在试切过程中因刀体直径明显小于底孔直径、刀杆长排屑不畅，切削刀尖的切削阻力经由刀杆传递到主轴，使刀杆承受弯曲力矩，最终刀杆产生挠曲，造成加工尺寸的误差和切削颤动，影响螺纹底孔的质量。
根据多年的用刀经验，向刀具供应商提出了刀具的改进方案，将φ33mm与φ38mm之间的刀体直径改成略小于φ33底孔，刀杆总长改为190mm，排屑槽改为直槽，改进后的刀具排屑顺畅，减少了刀杆所承受的力矩和切削阻力，防止及消除了刀杆的挠曲和颤动的发生。
2.2.2 复合浅孔钻的切削参数的设定
按照刀具供应商提供的切削参数加工螺纹孔时，出现了刀具使用寿命短的问题。对毛坯的铸造质量（硬度、杂质、缩孔等），刀具的材质及切削产生热量的原因进行了分析，发现在复合钻切削过程中，由于切削温度的骤然升高，会直接影响到刀具寿命。
从切削加工的理论推理：切削速度Vc的影响最大，Vc增加一倍，切削温度约增加32﹪;进给量f影响其次，f增加一倍，切削温度约增加18﹪;Vc增加使摩擦生热增多，f增加因切削变形增加较少，故热量增加不多。此外，使刀面与切屑接触面积增大，改善了散热条件。根据这一理论分析，使用逆向思维推理，采用降低复合钻加工中的切削速度Vc，提高加工的进给量f，就可以降低复合钻加工中的热量。
在实际操作中，将切削参数设定为n=800r/min，F=276mm/min（相当于f=0.345mm/r），切削速度为82.896m/min，为了保证位置精度，又将进给量由原来恒定的0.345mm/r改为在开始15 mm阶段减小为0.12mm/r，然后再加大到0.345mm/r。经过生产测试表明，刀片的耐用度有了很大提高。
2.3 切削液的合理使用
钻孔时使用MCT_1型冷却液，按9%的配比量进行配制，为了提高底孔的加工质量和刀具寿命，必须使用内冷却液，使切削液及时渗透到刀刃上，消除由于变形及摩擦所产生的热量，抑制积屑瘤的生成，减少刀刃及支撑的摩擦磨损，保证刀具在切削区的高温下保持良好的润滑状态，使切屑能顺利排出，进一步降低工件的加工表面粗糙度值。
在攻丝时使用与MCT_1型冷却液同一个公司生产的MCT_3型极压切削油，该切削油不仅抗挤压性能好，而且具有溶水性的特点，在完成攻丝后所产生的余油可以弥补机床冷却液中切削油的损失量，防锈性能好，且对机床不会造成污染，可实现清洁生产。
3 结语
综上所述，由于采用了宏程序编制主程序，提高程序的通用性，对复合浅孔钻的改进和切削参数的设定等方法，加工整台机体缸头螺纹孔可减少加工时间达6.1小时，且完全保证图纸规定的尺寸、精度和各项技术要求。
参考文献：
[1] 许伟达.机加工生产线操作技法与实例[M].上海：上海科学技术出版社，2008.
[2] 杜军.轻松掌握SIEMENS数控系统参数编程[M].北京：化学工业出版社，2013.
（作者单位：中车大连机车车辆有限公司柴油机公司）
【关键词】柴油机机体;缸头螺纹孔;加工方法;改进
16V240ZJF型柴油机机体是大连机辆公司自主开发的专利产品，它是D型内燃机车和船用柴油机的主体部分。該机体的整铸毛坯材质为球墨铸铁，体积大，形状复杂，设计要求精度高，加工难度大。在使用加长麻花钻和扩孔钻加工缸头螺纹孔时，由于麻花钻刚性不好、材料组织不均匀等因素造成底孔加工轨迹偏移，扩孔钻无法修正，使缸头螺纹孔达不到图纸的技术要求。所以为保证质量，提高效率，对螺纹孔的加工方法进行了改进。
1 加工方案分析
机体上端V形平面气缸孔周围，均匀分布6个深度为150mm的M36*3精密螺纹孔，用于旋入双头螺栓固定气缸盖和气缸套。
在加工缸头螺纹孔时，传统的加工工艺是：第一步，用φ32加长麻花钻钻底孔至150mm深;第二步，用φ38麻花钻钻孔至70mm深;第三步，用φ33扩孔钻扩底孔至147 mm深;第四步，攻M36×3-6H螺纹至138mm深。
从螺纹底孔的加工分析，底孔的大小、孔壁粗糙度、直线度、位置度等等都将会影响到螺纹的最终加工精度。如前道工序加工的底孔位置尺寸偏离量偏大，导致后道工序加工的螺纹刀具与底孔不重合，螺纹刀具的导向性下降，易造成丝锥折断、夹刀等等。
用麻花钻钻孔切削速度低，并且在钻孔过程中由于孔太深需要反复排屑，造成生产效率低。螺纹孔数量庞大（6x16）造成数控程序十分烦琐，而且容易出错，并且程序的通用性不强。
利用复合浅孔钻代替麻花钻和扩孔钻，一次完成螺纹底孔的加工，复合加工是提高加工效率的一个非常有效的手段，该刀具具有高压冷却润滑系统，可将上述钻扩三道工序简化为一次连续走刀完成相当深度的高精度和低表面粗糙度的孔加工。但如果采用复合浅孔钻，由于钻削动作变得相对复杂和连续，就必须修改加工中心机床的加工程序，采用宏程序编制主程序和钻削循环CYCLE830，使用变量R参数给循环提供参数。通过修改R参数来增强数控程序的通用性。
2 改进后的加工方法
2.1 编写加工中心机床钻削加工程序
2.1.1 编写带有保护功能的主程序
在程序编制中，采用了宏程序编制主程序。宏程序是程序编制的高级形式，具有很强的通用性，并且简单易读，只需针对各项加工参数所对应的自变量赋值做出个别调整，就能迅速的将程序调整到其他型号柴油机机体缸头螺纹孔的加工。主程序中部分参数如下：
该主程序将螺纹孔的坐标尺寸用最短的程序段表示出来，从生产实际情况反映，编写的程序相对比较简洁，具有很好的易读性和易修改性。在主程序中编制了检验坐标值语句，如果其中某一数值在编辑过程中输入了一个错误的数值，则产生一个故障信息，并且中断该程序的执行，大大降低了机床碰撞和加工错误的可能性。
2.1.2 程序运行前的模拟测试
为了使编制的程序能安全运行，在机床中对编制的主程序和钻削循环进行模拟。首先，设定模拟相关参数，然后，对程序进行模拟，检验坐标值是否正确，刀具运行的轨迹是否合理，如果R参数输入错误，模拟软件会及时报警，提示报警信息，编程员就能根据信息查找故障并做出修改。
2.2 改进螺纹底孔的钻削刀具和加工工艺
2.2.1 复合浅孔钻的改进
根据图纸要求德国刀具商提供的标准复合浅孔钻参数如下：刀体直径为30mm，刀杆总长230mm，排屑槽为10°螺旋槽。切削参数为 n=960r/min，F=220mm/min（f=0.229mm/r）切削速度为99.475m/min，但是在试切过程中因刀体直径明显小于底孔直径、刀杆长排屑不畅，切削刀尖的切削阻力经由刀杆传递到主轴，使刀杆承受弯曲力矩，最终刀杆产生挠曲，造成加工尺寸的误差和切削颤动，影响螺纹底孔的质量。
根据多年的用刀经验，向刀具供应商提出了刀具的改进方案，将φ33mm与φ38mm之间的刀体直径改成略小于φ33底孔，刀杆总长改为190mm，排屑槽改为直槽，改进后的刀具排屑顺畅，减少了刀杆所承受的力矩和切削阻力，防止及消除了刀杆的挠曲和颤动的发生。
2.2.2 复合浅孔钻的切削参数的设定
按照刀具供应商提供的切削参数加工螺纹孔时，出现了刀具使用寿命短的问题。对毛坯的铸造质量（硬度、杂质、缩孔等），刀具的材质及切削产生热量的原因进行了分析，发现在复合钻切削过程中，由于切削温度的骤然升高，会直接影响到刀具寿命。
从切削加工的理论推理：切削速度Vc的影响最大，Vc增加一倍，切削温度约增加32﹪;进给量f影响其次，f增加一倍，切削温度约增加18﹪;Vc增加使摩擦生热增多，f增加因切削变形增加较少，故热量增加不多。此外，使刀面与切屑接触面积增大，改善了散热条件。根据这一理论分析，使用逆向思维推理，采用降低复合钻加工中的切削速度Vc，提高加工的进给量f，就可以降低复合钻加工中的热量。
在实际操作中，将切削参数设定为n=800r/min，F=276mm/min（相当于f=0.345mm/r），切削速度为82.896m/min，为了保证位置精度，又将进给量由原来恒定的0.345mm/r改为在开始15 mm阶段减小为0.12mm/r，然后再加大到0.345mm/r。经过生产测试表明，刀片的耐用度有了很大提高。
2.3 切削液的合理使用
钻孔时使用MCT_1型冷却液，按9%的配比量进行配制，为了提高底孔的加工质量和刀具寿命，必须使用内冷却液，使切削液及时渗透到刀刃上，消除由于变形及摩擦所产生的热量，抑制积屑瘤的生成，减少刀刃及支撑的摩擦磨损，保证刀具在切削区的高温下保持良好的润滑状态，使切屑能顺利排出，进一步降低工件的加工表面粗糙度值。
在攻丝时使用与MCT_1型冷却液同一个公司生产的MCT_3型极压切削油，该切削油不仅抗挤压性能好，而且具有溶水性的特点，在完成攻丝后所产生的余油可以弥补机床冷却液中切削油的损失量，防锈性能好，且对机床不会造成污染，可实现清洁生产。
3 结语
综上所述，由于采用了宏程序编制主程序，提高程序的通用性，对复合浅孔钻的改进和切削参数的设定等方法，加工整台机体缸头螺纹孔可减少加工时间达6.1小时，且完全保证图纸规定的尺寸、精度和各项技术要求。
参考文献：
[1] 许伟达.机加工生产线操作技法与实例[M].上海：上海科学技术出版社，2008.
[2] 杜军.轻松掌握SIEMENS数控系统参数编程[M].北京：化学工业出版社，2013.
（作者单位：中车大连机车车辆有限公司柴油机公司）