高镍铸铁排气管加工工艺研究

吴雁玲，常 鹏，申 帅，于 乐

（1.中国北方发动机研究所机械制造厂，山西 大同 037000；2.中国北方发动机研究所质量安全处，山西 大同 037000）

引言

中国北方发动机研究所传统的X 系列及部分Y系列的排气管材料为中硅铁素体铸铁，此种材料耐热性能不佳，因此Y 系列竞标机的排气管采用了高镍球墨铸铁材料，且结构更为复杂，对空间尺寸要求更高。为了保证竞标机试验和后期定型的顺利进行，针对新材料的加工成为了此次课题研究的重点[1]。

1 现状分析

采用常规工艺路线难以保证精度，加工难度较大，因此列出了以下4 点存在的主要问题及可能的原因来进行工艺攻关，以保证试制过程。

1）材料变化：镍基[2]材料与传统中硅材料存在差异，高镍球墨铸铁材料中镍元素含量由普通铸铁的1%左右提高到34%～36%，硬度更高，且黏性大，对此普通的硬质合金刀不适用，刀具材质需要重新选择。

2）结构变化：排气管气口处T 型外圆形状特殊，倒角处是密封面，光洁度要求较高，且该处与法兰空间很小，因此需要特制形状的刀具加工，以避免伤到法兰背面。

3）特殊的结构导致传统排气管的工艺流程、加工工装及压紧方式并不适用于110 系列竞标机排气管，因此需要制定更合理的工艺路线指导110 系列排气管的加工过程。

4）材料不同，切削参数[3]的选用也需要改变：粗镗、精镗气孔需要更加适宜的转速、进给量及切削深度。

2 课题目标

通过对110 系列竞标机排气管的加工工艺研究，从刀具的材料、形状，加工时切削参数的选择，以及工装设计、装卡方式、工艺流程等方面改进，保证零件的空间尺寸及加工精度，同时加工效率、成品率得到一定提高，为高功率密度柴油机的研制提供保证，同时为今后的批量生产作准备。

3 课题开展情况

针对存在的4 个主要问题展开了研究试验，过程阐述如下：

1）传统加工铸铁材质零件的刀具选用普通硬质合金刀，由于高镍球墨铸铁材质偏硬，黏性大，加工时刀片容易断裂并发生黏刀现象，经过研究选用，制定了一套针对铣面、镗孔、攻丝、倒角、倒圆弧用的特殊刀具来加工，详见表1。选用此类刀具加工高镍排气管，刀具磨损量很小，没有发生断刀及黏刀现象，保证了加工精度及表面光洁度。

表1 选用刀具明细

2）针对特殊管口的加工。下页图1 为右后段排气管的示意图。可以看到左端管口T 型外圆与下端法兰距离很小，最小处不足10 mm，普通刀柄难以探入，因此针对本次试制加工，定制了特殊形状尺寸的倒角刀镗外圆倒角，刀具示意图见下页图2。加工后管口表面光洁度达到1.6，试装时T 型管口可以与波纹管很好地贴合并密封，气压试验保证压力0.3 MPa，时间3 min 无渗漏现象。

图1 右后段排气管的示意图（单位：mm）

图2 刀具示意图（单位：mm）

3）110 系列竞标机中有两类较为典型的排气管，一种以左后段排气管为例，由图3 可见，该零件几个管口的空间角度多，加工时空间尺寸靠常规工艺方法难以保证，针对此类零件，制定了工艺路线：首先对毛坯划线，检查各部位尺寸，这一步需充分考虑各个管口空间位置；然后铣三处法兰面，并钻法兰上孔，以此作为后续加工的基准面和定位孔；最后镗各个气孔，此工序需制作专用角度工装以保证空间尺寸，图4 即为专用角度工装及装卡方式。另一类以左排烟管为例（见图5）。该排气管总长410 mm，空间尺寸跨度大，强度低，加工时位置不易固定，因此需要增加零件的刚度，制作专用的定位弯板。以左端气口定位，找正零件，并在管壁上找3 个定位点压紧，再加工右端管口及螺纹凸台。下页图6 为专用工装及装卡方式。

图3 排气管示意图（单位：mm）

图4 专用角度工装及装卡方式

图5 左排烟管示意图（单位：mm）

图6 左排烟管专用工装及装夹方式

4）本轮试制排气管，在卧式加工中心BTD-200QF和立式加工中心LV-80 上进行，用定制的特殊刀具，镗气孔选用转速800 r/min，进给量120 mm/r，切削深度1 mm，钻孔选用转速600 r/min，进给量150 mm/r。此切削要素参数的选择，相比较传统刀具，切削量增加了30%，切削速度提高了近50%，在保证成品率的前提下，大幅度提高了生产效率。

4 研究成果

1）针对110 系列10 缸竞标机中排气管的特殊材料，从刀具的材料、形状，加工时切削参数的选择，以及工装设计、装卡方式、工艺流程等方面进行了有效改善，使得加工效率提高了近50%，成品率达到100%。

2）将此举措推广到2020 年加工110 系列12 缸机的高镍排气管中，没有发生质量问题，为高功率密度柴油机的顺利竞标提供强有力的保障。