NSE氣缸蓋生產(chǎn)線的規(guī)劃與工藝分析

（南京汽車集團(tuán)有限公司，南京210061）

NSE氣缸蓋生產(chǎn)線的規(guī)劃與工藝分析

董正榮
（南京汽車集團(tuán)有限公司，南京210061）

NSE發(fā)動機(jī)氣缸蓋的技術(shù)要求高、加工工藝復(fù)雜，加工節(jié)拍短。對NSE氣缸蓋的工藝規(guī)劃作了詳細(xì)介紹，給出了其工藝流程．并對重點(diǎn)工序的工藝特點(diǎn)作了分析與探討，歸納出該缸蓋生產(chǎn)線的工藝特點(diǎn)及需要改進(jìn)之處。

NSE氣缸蓋 規(guī)劃 工藝 分析 改進(jìn)

1 前言

按照上海汽車對于小排量發(fā)動機(jī)的戰(zhàn)略規(guī)劃，NSE項(xiàng)目建成后，生產(chǎn)的產(chǎn)品覆蓋從1.3 L到1.6 L的多種排量、預(yù)留后續(xù)開發(fā)GDI技術(shù)、進(jìn)排氣VCT、可變進(jìn)氣管VIM、各種橫置應(yīng)用＋保留縱置的可能性、渦輪增壓并留有開發(fā)1.3 L柴油機(jī)的余地。項(xiàng)目一期產(chǎn)能25萬臺/年，并預(yù)留二期42萬臺/年的產(chǎn)能擴(kuò)充能力。氣缸蓋生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃緊緊圍繞這一前提進(jìn)行。

2 工藝規(guī)劃的設(shè)想

NSE氣缸蓋生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃應(yīng)從以下4個(gè)方面考慮[1～4]：

（1）新的生產(chǎn)線符合精益制造工藝原則：在“多品種、大批量、低成本”的指導(dǎo)思想下進(jìn)行規(guī)劃，初期建成機(jī)加工3班/裝配2班、年產(chǎn)25萬臺發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線，并預(yù)留年產(chǎn)42萬臺發(fā)動機(jī)規(guī)劃。其中的輔機(jī)采取一次投資到位的原則，機(jī)加工設(shè)備采取二期增添達(dá)到新產(chǎn)能。

（2）新的生產(chǎn)線符合敏捷柔性生產(chǎn)原則：建成以高速加工中心為主體的機(jī)加工柔性生產(chǎn)線，可進(jìn)行同系列、多品種零件的加工和試切，能夠快速適應(yīng)產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)的修改，可在線外進(jìn)行編程以及刀具、夾具的準(zhǔn)備工作，保證最短的產(chǎn)品換型和最低的變更成本。機(jī)床具有對不同型號產(chǎn)品的自動識別和防錯(cuò)功能。

（3）符合精益自動化原則，滿足人機(jī)工程需要：使用先進(jìn)機(jī)器人/機(jī)械手完成工件輸送和加工定位，不同工序之間的傳輸采用滾道進(jìn)行，其中精加工工序間的傳輸滾道采取區(qū)域滾道以防止損傷工件表面。通過自動傳輸降低勞動強(qiáng)度并提高設(shè)備加工精度、減少人為磕碰傷和混料的幾率。

（4）符合精益平面布置原則：生產(chǎn)線與裝配線垂直布置，且缸蓋下線位置對接缸蓋部裝上線位，保證機(jī)加工件能以最短距離和時(shí)間到達(dá)裝配線。同時(shí)形成產(chǎn)出最大化，物流距離、返修場地、現(xiàn)場作業(yè)等面積最小化。

3 總體規(guī)劃

3.1 平面布置

根據(jù)工藝規(guī)劃的設(shè)想和NSE生產(chǎn)區(qū)域的總體布置，氣缸蓋生產(chǎn)線要在2 760 m2內(nèi)完成包括集中過濾系統(tǒng)、在線三坐標(biāo)儀以及上下料區(qū)及在制品存放區(qū)的布置。經(jīng)過反復(fù)調(diào)研、比較，最終選擇了串行平面布置。

該平面布置方案具有以下工藝特點(diǎn)：

（1）每道機(jī)加工工序都配備多臺平行的CNC高速加工中心等，以滿足生產(chǎn)能力的需求；同時(shí)預(yù)留二期設(shè)備42萬件產(chǎn)量的擴(kuò)建位置。

（2）設(shè)備之間的距離盡量減小，以能保證設(shè)備維修為限。

（3）該生產(chǎn)線通過機(jī)械手輸送裝置連接線內(nèi)各單獨(dú)的加工中心、智能分配加工任務(wù)，并輔以自動輸送線的輸送方式，提高了設(shè)備的柔性；整個(gè)生產(chǎn)線共使用6臺機(jī)械手和1臺手動吊具進(jìn)行零件上下料（包括滲漏測試不合格件的下料）；工件通過自動輸送線和機(jī)械手直接從前道工序輸送到后道工序；機(jī)加工生產(chǎn)線始端緊靠毛坯件入口，末端靠近裝配線入口。

（4）單臺CNC設(shè)備的故障對系統(tǒng)的開動率影響很小。

（5）由于單臺設(shè)備的節(jié)拍不受限制，故加工工藝過程設(shè)計(jì)相對完美，CNC加工中心的利用率很高，投資相對較少。

（6）生產(chǎn)時(shí)如果對某機(jī)床進(jìn)行調(diào)試，對產(chǎn)量的影響較小。

（7）與串行系統(tǒng)相比，可以通過增加單臺CNC加工中心實(shí)現(xiàn)擴(kuò)能，系統(tǒng)分期投入的靈活性更大。

（8）生產(chǎn)線實(shí)行流水生產(chǎn)，取消了工序之間的儲存場地，并適當(dāng)考慮了毛坯、零件等在制品的堆放場地。規(guī)劃庫存量時(shí)，毛坯為1天，成品零件為4 h。

3.2 工藝框架

對要加工的NSE氣缸蓋進(jìn)行深入細(xì)致的產(chǎn)品分析和工藝研究，并借鑒國內(nèi)外同類產(chǎn)品以及上海大眾、上海通用的規(guī)劃經(jīng)驗(yàn)，制定了如下機(jī)加工工藝的基本框架：

（1）生產(chǎn)節(jié)拍為57 s，設(shè)備開動率為80%。工作天數(shù)為251天，每天保證22 h；輔機(jī)及部分機(jī)加工設(shè)備達(dá)到二期節(jié)拍要求，為41.6 s。

（2）中、小孔的加工、凸輪軸半圓孔、座圈底孔、導(dǎo)管底孔、挺桿孔，攻螺紋及小平面銑削采用CNC高速加工中心。

（3）凸輪軸軸承孔的加工采用多軸數(shù)控專機(jī)，以確保加工精度，減少換刀帶來的時(shí)間損失。

（4）氣缸蓋的氣門座圈錐面和導(dǎo)管孔的粗精加工采用帶回轉(zhuǎn)工作臺的多主軸數(shù)控專機(jī)，以同時(shí)兼顧柔性、精度和加工節(jié)拍。

（5）采用手動上下料方式，同時(shí)在滾道設(shè)計(jì)時(shí)保證實(shí)現(xiàn)半小時(shí)1次上下料。

（6）全部的粗加工工序由10臺雙主軸加工中心完成，所有精加工工序由4臺加工中心和2臺凸輪軸軸承孔專機(jī)、4臺氣門座圈錐面和導(dǎo)管孔加工專機(jī)、1臺燃燒室表面銑削專機(jī)完成。

4 氣缸蓋工藝流程及重點(diǎn)工藝分析

4.1 氣缸蓋加工工藝流程

NSE發(fā)動機(jī)氣缸蓋加工工藝流程如下：

OP10粗銑上平面、前后端面，加工面上的孔；槍鉆主油道孔

OP20粗、精銑進(jìn)氣面，加工面上孔；粗銑下平面，加工面上孔

OP30粗、精銑排氣面，加工面上孔；加工上平面孔；粗加工挺柱孔；加工導(dǎo)管座圈孔

OP40中間清洗

OP50中間泄漏測試

OP60壓裝氣門座圈和導(dǎo)管

OP70精銑下平面

OP80精鏜挺柱孔，上平面螺孔攻絲，加工火花塞孔，精銑上平面

OP80.1精鏜挺柱孔，上平面螺孔攻絲，加工火花塞孔，精銑上平面

OP80.2精加工進(jìn)氣座圈及導(dǎo)管孔

OP80.3精加工排氣座圈及導(dǎo)管孔

OP90中間沖洗

OP100凸輪軸承蓋裝配

OP110精加工凸輪軸孔

OP120精銑前后端面，加工前后端面孔

OP130最終清洗

OP140壓裝堵蓋，裝堵頭，最終泄漏測試。

4.2 粗基準(zhǔn)的選擇和分析

粗基準(zhǔn)是在缸蓋毛坯鑄造時(shí)形成的，要求表面平整、光滑，沒有飛邊、毛刺，同時(shí)到燃燒室基準(zhǔn)點(diǎn)的距離一致性好。NSE氣缸蓋加工的粗基準(zhǔn)選取距燃燒室毛坯面的3 mm左右的3個(gè)定位點(diǎn)（Z1、Z2、Z3)，Z1、Z2、Z3與4個(gè)燃燒室基準(zhǔn)點(diǎn)在同一水平高度、較精銑后的燃燒室面低1 mm。2個(gè)Y限制了Y方向自由度，夾具采用2個(gè)φ10定位面定位；而X方向即工件分中由排氣側(cè)一8×9長方塊定位，為減少定位誤差，X方向定位面依照毛坯的拔模斜度設(shè)計(jì)，即與燃燒室面成91°方向。參見圖1。

圖1 粗基準(zhǔn)定位示意圖

為了避免在大批量生產(chǎn)中出現(xiàn)定位面缺陷等原因引起定位不穩(wěn)或不準(zhǔn)，造成設(shè)備、刀具的異常損壞，加工中心設(shè)計(jì)了專門的水檢系統(tǒng)進(jìn)行檢測，并對定位不穩(wěn)件進(jìn)行報(bào)警、停機(jī)。在夾具的6個(gè)定位面都有水檢孔，檢測用的水來自精過濾后的切削液。檢測原理是通過測量定位面附近水壓的壓降判斷定位是否到位。壓降值與定位到位否的關(guān)系需要經(jīng)過摸索確定。在NSE生產(chǎn)線，設(shè)置為30 kPa。為了區(qū)分清楚定位報(bào)警位置，機(jī)床設(shè)置了2套水檢系統(tǒng)，一套用于檢測Z1、Z2、Z3定位，另一套檢測其余三個(gè)定位點(diǎn)。

4.3 燃燒室容積加工工藝分析

NSE發(fā)動機(jī)燃燒室在氣缸蓋上，而燃燒室容積對發(fā)動機(jī)的性能有直接影響，這就對氣缸蓋燃燒室表面的加工提出了較高的要求。產(chǎn)品設(shè)計(jì)對于燃燒室容積的要求是29.45～32.22 cm3，反映在尺寸上是要控制成品尺寸：4個(gè)燃燒室基準(zhǔn)點(diǎn)（擠氣點(diǎn)）到燃燒室面精銑后的尺寸控制在1±0.33。為了保證這一加工精度，在工藝中做了細(xì)致的安排。

1）考慮到節(jié)拍的要求和精益制造的因素，本次規(guī)劃沒有采取精銑燃燒室面前自動全檢擠氣點(diǎn)位置、通過計(jì)算來調(diào)整工件角度及切削量以保證1± 0.33的尺寸的做法。本次工藝設(shè)計(jì)采取了工序保證法，即：

（1）毛坯保證4個(gè)擠氣點(diǎn)到Z基準(zhǔn)的公差在±0.25（在OP10加工前使用Marposs探測頭100%檢查）；

（2）OP10以擠氣點(diǎn)位置的平均值為基準(zhǔn)粗銑上平面公差在±0.25；

（3）OP20以粗銑過的上平面為基準(zhǔn)粗銑下平面公差在±0.05；

（4）OP20以粗銑過的上平面為基準(zhǔn)，在檢測燃燒室面位置后精銑下平面余量0.5 mm，公差在±0.02。

整個(gè)加工過程的公差，即4個(gè)燃燒室基準(zhǔn)點(diǎn)（擠氣點(diǎn)）到燃燒室面精銑后的尺寸公差要求參見圖2。

根據(jù)以上分析，按照以下公式，可以得到尺寸公差為±0.33，滿足圖紙要求：

2）OP10、OP20工序的加工采用了6臺德國GROB公司的G323雙主軸加工中心，參見圖3。該加工中心特點(diǎn)是：（1）每臺機(jī)床帶2個(gè)獨(dú)立主軸、2副夾具，節(jié)省了投資和設(shè)備空間，特別適應(yīng)于大批量生產(chǎn)；（2）機(jī)床帶A軸，可同時(shí)帶動2副夾具轉(zhuǎn)動相同角度；（3）每個(gè)主軸帶獨(dú)立的刀庫，刀庫位置靠近主軸，節(jié)省換刀時(shí)間，Chip-to-chip時(shí)間僅3.5 s；（4）每個(gè)機(jī)床帶有2個(gè)獨(dú)立的主軸滑臺，每個(gè)主軸可沿Z軸方向獨(dú)立運(yùn)動；（5）兩主軸在X、Y軸方向隨動。

根據(jù)設(shè)備以上的特點(diǎn)，考慮到OP10同時(shí)要加工氣缸蓋前段面主油道孔，為保證主油道孔的加工精度，在OP10以2個(gè)工件共8個(gè)擠氣點(diǎn)位置的平均值作為加工上平面時(shí)的基準(zhǔn)位置。

4.4 氣門導(dǎo)管、座圈壓入工藝分析

1）從節(jié)能、降本的角度考慮，NSE氣缸蓋座圈導(dǎo)管采用了常溫自動壓入方式。為防止座圈、導(dǎo)管在壓入過程中產(chǎn)生切邊、座圈壓裝不到位或壓入后傾斜，選用了帶有8套Kistler壓力及位移傳感器的壓裝頭（座圈壓裝動力頭部分和導(dǎo)管壓裝動力頭部分各安裝4套壓力傳感器和4套位移傳感器），并通過4套Kistler Pmf-PA400 Type 4733進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，反饋各工位零件壓裝的質(zhì)量狀況。對經(jīng)常出現(xiàn)漏壓、壓裝不到位、壓廢（工件尺寸超差、壓裝件在壓頭上定位不準(zhǔn)）壓斜等事故，能及時(shí)檢測報(bào)警，防止不合格件流到下道工序中去。

圖2 燃燒室尺寸保證公差分析

圖3 Grob公司的G323加工中心

工件通過機(jī)械手從傳輸滾道抓取到壓裝位置進(jìn)行離線壓裝。使用機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)在于傳輸速度快、壓裝位置（包括角度）可以通過程序調(diào)整，同時(shí)，也能很快適應(yīng)產(chǎn)品變型。在座圈壓入過程中，有頂桿頂住氣門彈簧底座位置，用于抵消壓入力，防止工件變形。

2）NSE氣缸蓋座圈的過盈量進(jìn)、排氣均在0.06～0.098 mm，氣門導(dǎo)管的過盈量在0.025～0.075 mm。為了保證和監(jiān)控壓入質(zhì)量，具體采取的措施是：（1）工件在進(jìn)入壓裝前設(shè)備自動對所有座圈底孔、導(dǎo)管底孔噴潤滑油，油量根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，以不滴油為上限；（2）座圈壓入導(dǎo)向部分采用較大圓弧，以便于座圈進(jìn)入時(shí)定位；而低溫壓入的座圈導(dǎo)向部位一般采用45°倒角。

圖4 不同壓入形式的座圈導(dǎo)向部分對比

3）使用壓力－位移監(jiān)控壓入過程狀態(tài)。

以座圈的壓入控制為例，座圈壓入狀況通過控制器監(jiān)控。座圈未進(jìn)入座圈孔時(shí)壓入力為零，進(jìn)入座圈孔時(shí)壓入力增大。進(jìn)入座圈孔后向前推進(jìn)過程中壓力基本保持平穩(wěn)，壓入力應(yīng)在控制范圍內(nèi)。座圈壓入到底時(shí)壓力升高，行程基本不變，到底后的行程與壓力應(yīng)在設(shè)定的控制范圍內(nèi)。

設(shè)定值需要根據(jù)一定的樣本試裝數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，并在正式生產(chǎn)過程中不斷優(yōu)化。在試裝試驗(yàn)期間，可以通過解剖樣品缸蓋的形式來判斷壓裝效果。解剖后主要考察的項(xiàng)目是：座圈是否壓入到底，與底孔底部無間隙；座圈底孔是否完好，有無切邊現(xiàn)象；座圈底孔的直徑變化量是否過大以及座圈本身是否有壓傷等。經(jīng)過一系列的試裝，NSE氣缸蓋壓裝參數(shù)得以確認(rèn)。其中座圈底孔的直徑變化量在0.1～5.7 μm，為可接受范圍。

4.5 氣缸蓋座圈錐面與導(dǎo)管孔組合加工

氣缸蓋的氣門座圈錐面和導(dǎo)管孔的精加工是氣缸蓋加工中的關(guān)鍵工序，對發(fā)動機(jī)氣缸密封性、配氣機(jī)構(gòu)的工作可靠性十分重要。保證氣門座圈凡爾線面對導(dǎo)管孔的跳動和凡爾線密封性要求一直是氣缸蓋加工中最大的工藝難點(diǎn)，傳統(tǒng)工藝很難穩(wěn)定達(dá)到這一精度要求。同時(shí)該工序要求的節(jié)拍在41.6 s，加工1個(gè)孔的節(jié)拍低于5 s，從看節(jié)拍上考慮使用專機(jī)是較合適的選擇。但由于該缸蓋氣門座圈面為3個(gè)角度組成，同時(shí)該缸蓋為系列產(chǎn)品、座圈孔會出現(xiàn)變型，從這個(gè)角度考慮，數(shù)控設(shè)備又是較佳選擇。以上各個(gè)方面的要求，為設(shè)備、刀具選型帶來極大挑戰(zhàn)。

1）氣門座圈錐面和導(dǎo)管孔的具體要求

氣門座圈凡爾線面對導(dǎo)管孔的跳動不大于0.04 mm，氣門座圈面為3個(gè)角度組成，分別為150°、90°和60°。其中的90°為凡爾線所在面，角度公差帶寬30′，粗糙度Ra1.6。導(dǎo)管孔直徑Φ6+0.025，粗糙度Ra0.2～1.6。氣門座圈氣門導(dǎo)管材質(zhì)為粉末冶金，排氣門座圈硬度較高，為HRA66～76，進(jìn)氣門座圈為HRB75～105、氣門導(dǎo)管為HRB60～90，硬度較低。這類材料對刀具要求很高。

2）加工設(shè)備的選型。綜合考慮加工精度、節(jié)拍和柔性，選用了4臺Grob G303雙主軸數(shù)控專機(jī)作為本工序的加工設(shè)備。4臺設(shè)備面對面布置組成了2個(gè)加工單元，每個(gè)加工單元的2臺設(shè)備分別加工進(jìn)氣側(cè)孔和排氣側(cè)孔。加工單元內(nèi)的2臺設(shè)備間工件的傳輸通過回轉(zhuǎn)工作臺進(jìn)行。每臺機(jī)床同時(shí)加工1個(gè)工件。通過雙主軸、回轉(zhuǎn)工作臺交換結(jié)構(gòu)以及可以實(shí)現(xiàn)的數(shù)控插補(bǔ)功能，滿足了規(guī)劃要求的加工節(jié)拍和柔性。

3）加工刀具以及組合加工方案

氣門座圈錐面和導(dǎo)管孔的精加工在國內(nèi)外較多地在專機(jī)上進(jìn)行加工，采取的加工形式很多。本次項(xiàng)目采用了較為成熟的Mapal雙層套裝主軸專用刀具，在同一軸線上鍵座圈錐面和槍鉸導(dǎo)管孔。同時(shí)為兼顧敏捷、柔性的生產(chǎn)理念，采用伺服電機(jī)進(jìn)行變速以解決座圈錐面和導(dǎo)管孔加工切削速度不一樣的問題，采用了坐標(biāo)軸伺服控制來實(shí)現(xiàn)氣門座圈面不同角度、不同直徑大小的組合加工。圖5為Mapal導(dǎo)管座圈專用刀具，導(dǎo)管孔鉸刀由刀體中心部位穿出進(jìn)行加工。

4）導(dǎo)管座圈孔的加工流程

（1）主軸進(jìn)給、同時(shí)刀體3、4同時(shí)沿著89.75°的刀具本體1滑動，通過2個(gè)方向的復(fù)合運(yùn)動，半精鏜刀體4上的刀片7開始半精加工最外沿座圈150°面。主軸進(jìn)給0.1 mm后，精鏜刀體3上的刀片7開始精加工最外沿座圈150°面。

（2）精鏜刀體3上的刀片7加工到150°與90°的交接處時(shí)，主軸進(jìn)給停止，刀體3、4繼續(xù)沿著89.75°的刀具本體1滑動。刀體3、4上的刀片分別進(jìn)行90°面的半精、精鏜。

（3）精鏜刀體3上的刀片7加工到90°與60°的交接處時(shí)，主軸又開始進(jìn)給運(yùn)動、同時(shí)刀體3、4同時(shí)沿著89.75°的刀具本體1滑動，通過2個(gè)方向的復(fù)合運(yùn)動，半精鏜刀體4上的刀片7開始半精加工最內(nèi)沿座圈60°面、同時(shí)精鏜刀體3上的刀片7開始精加工最內(nèi)沿座圈60°面。

（4）精鏜刀體3上的刀片7精加工最內(nèi)沿座圈60°面完成后，3、4同時(shí)停止滑動、主軸進(jìn)給停止。同時(shí)，導(dǎo)管孔槍鉸刀開始進(jìn)給，精鏜導(dǎo)管孔。

（5）精鏜導(dǎo)管孔完成后，槍鉸刀退回原位，主軸退回、體3、4回位，加工循環(huán)結(jié)束。

座圈面和導(dǎo)管孔的半精、精加工由于涉及到的項(xiàng)目多、關(guān)聯(lián)多、難度較大。經(jīng)過多次試驗(yàn)和調(diào)整后，采用表1所示切削參數(shù)，并減少精加工余量至0.1 mm（在Z向的余量差異），基本取得預(yù)期的效果。

圖5 Mapal導(dǎo)管座圈加工專用刀具

表1 座圈錐面和導(dǎo)管孔切削參數(shù)

零件的加工質(zhì)量經(jīng)過嚴(yán)格的能力測試，顯示質(zhì)量穩(wěn)定，能力充足。具體結(jié)果可見表2。

4.6 氣缸蓋凸輪軸孔工藝難點(diǎn)分析

凸輪軸孔的加工是缸蓋加工中的一個(gè)難點(diǎn)，主要表現(xiàn)為對凸輪軸孔的直徑、同軸度、圓度、表面粗糙度各方面的要求比較高。同時(shí)，凸輪軸孔的加工長徑比達(dá)到10～20倍左右，屬于細(xì)長孔加工，工藝性差。傳統(tǒng)的加工方式是采用專機(jī)加工缸蓋凸輪軸孔，其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)為：工裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜、柔性差、設(shè)備投入成本高。近年來，隨著高速加工中心和刀具制造技術(shù)的飛速發(fā)展，采用高速加工中心加工鋁合金缸蓋凸輪軸孔已變得非常普遍，且加工技術(shù)越來越為成熟。采用高速加工中心除設(shè)備具有極好的柔性之外，還具有以下兩個(gè)優(yōu)勢：

（1）有利于整體加工精度的保證：在半精、精加工中心加工凸輪軸孔過程中工件不需要變換夾具、不需要進(jìn)行二次裝夾。這樣可以保證凸輪軸孔半精、精鏜的位置重合度及凸輪軸孔的同軸度。

表2 座圈錐面和導(dǎo)管孔關(guān)鍵參數(shù)的能力狀況

（2）有利于生產(chǎn)線整線的節(jié)拍平衡：在專機(jī)加工凸輪軸孔時(shí)，該工序的節(jié)拍一旦確定，是無法和整線進(jìn)行進(jìn)一步平衡的；采用加工中心則可以根據(jù)節(jié)拍平衡的需要，增加或減少相關(guān)的加工內(nèi)容和其他工序，進(jìn)行進(jìn)一步的整線節(jié)拍平衡，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

4.6.1 加工凸輪軸孔的工藝要求

由于考慮排放、噪音、油耗等性能的要求，NSE缸蓋凸輪軸孔結(jié)構(gòu)采用體蓋分裝式雙凸輪軸孔結(jié)構(gòu)。其中由于VCT結(jié)構(gòu)的需要，第1檔凸輪軸孔較2、3、4、5檔直徑大3.42 mm。對于采用該結(jié)構(gòu)凸輪軸孔產(chǎn)品的具體要求參見圖6。

5檔凸輪軸孔加工長度在380 mm，凸輪軸孔的加工長徑比達(dá)到16倍左右，屬于典型的細(xì)長孔加工，工藝性差。

4.6.2 加工設(shè)備選型

綜合考慮節(jié)拍平衡和柔性，以及本缸蓋第1檔凸輪軸孔與2、3、4、5檔凸輪軸孔大小不同等產(chǎn)品特點(diǎn)，本生產(chǎn)線選用了2臺Grob 323柔性專機(jī)作為加工設(shè)備，每臺設(shè)備帶有3根主軸。每根主軸配備不同的Mapal專用精密鏜刀，用于不同的加工工步內(nèi)容的加工，刀具與主軸使用HSK轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行聯(lián)結(jié)。3根主軸固定于同一個(gè)動力頭上，通過十字滑臺可以做Z、X方向運(yùn)動；而夾具可以做Y方向的上下移動以及W的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。這類設(shè)備由于使用了多主軸結(jié)構(gòu)，在加工過程中不需要做刀具更換，解決了傳統(tǒng)加工中心長刀具更換中的難題，節(jié)省了加工時(shí)間。同時(shí)，由于對所有軸的運(yùn)動采用了數(shù)字控制，并能實(shí)現(xiàn)四軸聯(lián)動，該機(jī)床又具備了加工中心的所有優(yōu)點(diǎn)，參見圖7。

圖6 凸輪軸孔產(chǎn)品的具體要求

4.6.3 加工流程

凸輪軸孔的加工流程為：

（1）主軸1上刀具T11001半精鏜進(jìn)氣凸輪軸孔上的第1#、2#軸承孔。

圖7 凸輪軸孔加工設(shè)備

（2）刀具T11001退出并移動到排氣凸輪軸孔位置，半精鏜排氣凸輪軸孔上的第1#、2#軸承孔。

（3）移動到主軸2的進(jìn)氣凸輪軸加工位置，主軸2上刀具T11002半精鏜進(jìn)氣凸輪軸孔上的第3#、4#、5#軸承孔，在半精鏜5#軸承孔的同時(shí)精鏜2#軸承孔。

（4）移動到主軸2的排氣凸輪軸加工位置，主軸2上刀具T11002半精鏜進(jìn)氣凸輪軸孔上的第3#、4#、5#軸承孔，在半精鏜5#軸承孔的同時(shí)精鏜2#軸承孔。

（5）移動到主軸3的進(jìn)氣凸輪軸加工位置，主軸3上刀具T11003精鏜進(jìn)氣凸輪軸孔上的第3#、4#、5#軸承孔，在精鏜5#軸承孔的同時(shí)精鏜1#軸承孔。鏜刀上帶有3個(gè)硬質(zhì)合金支撐導(dǎo)條，用于加工凸輪軸孔時(shí)的定位。在加工3#軸承孔時(shí)，以在主軸2上精鏜的2#軸承孔作為導(dǎo)向，后續(xù)孔加工則以前面已經(jīng)精加工的孔作為導(dǎo)向。如圖8所示。

（6）以與（5）相同的流程加工排氣凸輪軸孔。

4.6.4 凸輪軸孔加工工藝難點(diǎn)分析

本工序所采用的Mapal精鏜刀雖然在國內(nèi)外的缸蓋凸輪軸孔加工中已經(jīng)是一個(gè)較為成熟的產(chǎn)品，但是由于本產(chǎn)品獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，對加工精度帶來較大的沖擊。本產(chǎn)品對加工帶來影響的結(jié)構(gòu)主要有：（1）第1檔凸輪軸孔較后續(xù)各孔直徑大，不能沿襲常規(guī)做法將第1檔作為精加工其余凸輪軸孔的自導(dǎo)向孔；（2）凸輪軸孔中有進(jìn)油槽及較大的回油口，造成了凸輪軸孔不連續(xù)，刀具斷續(xù)切削，給刀片帶來沖擊。同時(shí)在加工過程中不易形成油膜，不利于刀具的導(dǎo)向。

在本工序的調(diào)試、能力測試及試生產(chǎn)過程中，凸輪軸孔的加工質(zhì)量出現(xiàn)了一系列的問題，這些問題，需要從刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化、切削液、加工參數(shù)、加工流程刀、刀具調(diào)整等多方面系統(tǒng)的考慮和解決。

圖8 主軸3上刀具T11003精鏜排氣凸輪軸孔示意圖

1）凸輪軸孔表面劃痕

在第2-5檔凸輪軸承孔的加工面上有較深的可見劃痕，表面粗糙度差，如圖9所示。

圖9 凸輪軸孔劃痕缺陷

造成軸承孔劃痕的主要原因有以下兩個(gè)原因：（1）由于冷卻潤滑不充分造成鋁屑在硬質(zhì)合金導(dǎo)條上堆積，堆積的鋁屑刮傷了表面；（2）由集中冷卻液系統(tǒng)提供的冷卻液不適用于使用帶導(dǎo)條刀具加工鋁件。

針對這類情況，應(yīng)對措施則通過以下措施來減少摩擦阻力、提高潤滑效率：

（1）通過將精鏜刀T11003上第1凸輪軸孔Φ28.010附近區(qū)域的導(dǎo)向條尺寸減少來減少該檔在加工過程中帶來的磨擦力，該導(dǎo)向條將不再發(fā)揮導(dǎo)向作用，僅用來作為調(diào)刀基準(zhǔn)。

（2）堵住Φ28.010上原有4個(gè)冷卻水孔中的2個(gè)。

（3）磨小在第2凸輪軸孔發(fā)揮導(dǎo)向作用部分的導(dǎo)向條的尺寸，來降低在第2凸輪軸孔上產(chǎn)生的導(dǎo)向摩擦力。理論上導(dǎo)條不應(yīng)與軸頸產(chǎn)生硬接觸，在刀具高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在孔和導(dǎo)條之間產(chǎn)生一層油膜，刀具的位置由凸輪軸孔、油膜及刀具三者發(fā)生作用。加工鋁件時(shí)，導(dǎo)條與刀尖的高度差在2-6 μm調(diào)整，參見圖10。

圖10 導(dǎo)條與刀具調(diào)整尺寸關(guān)系示意圖

（4）封堵在第2凸輪軸孔發(fā)揮導(dǎo)向作用部分的導(dǎo)向條的排水口。

（5）增加作用在第3、4軸頸處的導(dǎo)向條的潤滑口。

2）凸輪軸孔表面拉痕

在第2-5凸輪軸承孔上偶爾會出現(xiàn)軸向方向的拉痕，在第2-5凸輪軸承孔上偶爾會出現(xiàn)徑向方向的拉痕，如圖11所示。其主要原因?yàn)椋?/p>

（1）一部分軸向拉痕是硬質(zhì)合金導(dǎo)條上所帶鋁屑、毛刺在刀具退回過程中拉出的。

（2）一部分軸向拉痕是PCD刀片本身產(chǎn)生。

（3）徑向方向的拉痕與凸輪軸孔不連續(xù)、刀具切削到毛坯位置時(shí)對刀具產(chǎn)生的沖擊以及半精、精加工的尺寸匹配相關(guān)。

圖11 凸輪軸孔拉痕缺陷

通過以下措施來消除兩個(gè)方向的劃痕：

（1）更換新的刀片（注意：加工鋁件的Mapal WP刀片后錐要在0.01～0.015 μm）

（2）拋光PCD（刀片附近區(qū)域支撐）和硬質(zhì)合金的導(dǎo)向條。

（3）將刀具的關(guān)鍵區(qū)域倒園。

（4）改變退倒時(shí)刀片的位置（退刀過程中刀具是停止旋轉(zhuǎn)的），綜合考慮避開凸輪軸端口區(qū)及重力的影響，將退刀刀具方向調(diào)整為進(jìn)氣沿83°方向、排氣沿263°方向退出。

（5）確保精鏜后的去毛刺刷能夠有效工作，去毛刺刷的作用能夠減低刀痕狀況。

（6）根據(jù)工藝要求同步調(diào)整半精鏜刀具（為精鏜加工定位孔）的尺寸（半精鏜刀加工的定位孔應(yīng)該在直徑方向較精鏜刀大1～2 μm。

（7）在刀具退回行程中，關(guān)閉冷卻液。

（8）在Z軸方向刀具的最終工進(jìn)位置增加1 s的保持時(shí)間。

（9）降低冷卻液壓力，其中半精鏜由5 MPa減少到1 MPa，精鏜由5 MPa減少到2.5 MPa。

（10）精鏜刀以塊進(jìn)速度（F2000）進(jìn)入半精鏜刀具加工的導(dǎo)向孔，以減少對導(dǎo)向孔入口造成的損傷。

5 生產(chǎn)線需要改進(jìn)之處

該生產(chǎn)線在規(guī)劃實(shí)施及生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)了一些需要改進(jìn)之處。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）在首道工序規(guī)劃時(shí)，沒有充分認(rèn)識到國內(nèi)缸蓋毛坯的鑄造水平。在正常的生產(chǎn)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)由于毛坯不合格造成的設(shè)備報(bào)警和停線，造成了設(shè)備開動率的嚴(yán)重不足。比較好的處理方式是在OP10工序前增加OP05工序（可以在線頭，也可以在毛坯廠或其它工廠），先對毛坯定位基準(zhǔn)進(jìn)行修整，以減少工時(shí)損失和毛坯損失。

（2）對去毛刺工序的考慮不足。整條生產(chǎn)線可以實(shí)現(xiàn)全自動傳輸，工序和布置比較緊湊。初始規(guī)劃是經(jīng)過合理的工序安排和在設(shè)備上增加去毛刺工序，可以解決缸蓋毛刺問題。但實(shí)際上受毛坯外形質(zhì)量、毛坯材質(zhì)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等多方面因素的影響，在加工完成后還有很多不可接受的毛刺存在。這些毛刺需要人工去除，要在生產(chǎn)線中布置人工工位，需要對現(xiàn)有生產(chǎn)線做較大調(diào)整。

（3）追溯系統(tǒng)不完善。本次規(guī)劃采用了大量的平行設(shè)備，在規(guī)劃中采取了機(jī)加工標(biāo)記的方法，進(jìn)行不同設(shè)備、主軸的識別。但是由于加工過程中會出現(xiàn)工件中途下線的情況，由于沒有精確追溯系統(tǒng)，生產(chǎn)線無法做到加工時(shí)間的追溯。

6 結(jié)束語

綜上所述，NSE缸蓋生產(chǎn)線在早期規(guī)劃中就貫徹“精益”理念，吸取國內(nèi)外發(fā)動機(jī)缸蓋規(guī)劃中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在規(guī)劃過程中大膽、積極、穩(wěn)妥的引進(jìn)新技術(shù)、新工藝。關(guān)鍵的加工工藝和設(shè)備已達(dá)到國際先進(jìn)水平，在國內(nèi)同行業(yè)中處于領(lǐng)先地位。NSE發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線試生產(chǎn)結(jié)果表明：各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)、工藝方案、產(chǎn)品質(zhì)量、物流設(shè)計(jì)、員工的勞動強(qiáng)度、運(yùn)行成本等基本達(dá)到預(yù)期的規(guī)劃要求。當(dāng)然，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中也發(fā)現(xiàn)了許多規(guī)劃不完善和不合理的方面，有些已經(jīng)優(yōu)化和整改，我們將在后續(xù)的工作中不斷優(yōu)化和持續(xù)改進(jìn)，使NSE缸蓋生產(chǎn)線成為真正的“精益”生產(chǎn)線，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益的提高奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1王兆慧.EA113發(fā)動機(jī)5氣門缸蓋加工工藝分析[J].汽車技術(shù)，2000（3）：14-15.

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3蔣偉群，張宗杰.氣缸蓋座圈錐面與導(dǎo)管孔組合加工工藝研究[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2004（1）：39-41.

4毛向群.5氣門缸蓋生產(chǎn)線的規(guī)劃與應(yīng)用[J].汽車制造業(yè)，2004（2）：26-28.

Planning and Process Analysis of Machining Line of Cylinder Head of NSE Engine

Dong Zhengrong
（Nanjing Automobile(Group)Corporaton,Nanjing 430070,China）

The cylinder head of NSE engine is newly devolped by SAIC It has high technical requirement,requires complicated machining process and short cycle time.This article makes a detailed introduction on this cylinder head and its main technical requirenrents,and provides its production flow, making analysis and discussion on process features of key process,summarizing process features of this cylinder head and it's defects that needs to be improved.

NSE cylinder head,planning,process,analysis,improvement

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.01.009

來稿日期：2010-09-02

董正榮（1975-），男，高級工程師，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造工藝。