汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體缸孔雙軸精鏜加工工藝*

肖鐵忠 羅 靜 龔文均 詹 捷 趙 勇

(重慶理工大學(xué)汽車(chē)零部件制造與檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400054)

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)的五大部件之一，是汽車(chē)的心臟，直接決定汽車(chē)的性能，所以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求較高。汽缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，在汽缸體缸孔的加工過(guò)程中，精鏜涉及到的尺寸精度與形位誤差將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能［1］。過(guò)去，由于我們國(guó)家沒(méi)有掌握缸孔精鏜專(zhuān)用機(jī)床與加工中心的核心技術(shù)，而不得不從國(guó)外購(gòu)買(mǎi)這種用于加工汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體缸孔的專(zhuān)用鏜床及加工中心，因?yàn)榧夹g(shù)壟斷，這些機(jī)床的價(jià)格往往非常昂貴。十幾年來(lái)，通過(guò)各機(jī)床廠商、汽車(chē)企業(yè)與各高校的共同努力，取得了一定的進(jìn)步，但是由于工藝、技術(shù)等問(wèn)題，研制的機(jī)床并不盡如人意［2－3］。通過(guò)多年的研究試制，我們實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)人員在汽缸體缸孔加工技術(shù)上取得了較大的進(jìn)展，開(kāi)發(fā)研制的精鏜缸孔雙軸精密鏜床處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，完全可以替代這類(lèi)機(jī)床的進(jìn)口。

1 主要參數(shù)及技術(shù)難點(diǎn)分析

1.1 主要參數(shù)

汽缸體名稱:4缸直線型汽缸體

材料牌號(hào):HT250

工件外形尺:311 mm×298 mm×237 mm

缸孔尺寸:直徑φ65.5 mm，深度118 mm

工件硬度:179～247 HBW

工件質(zhì)量:30 kg

1.2 技術(shù)難點(diǎn)分析

企業(yè)對(duì)汽缸體缸孔的尺寸精度及形位誤差提出了較高要求，給出了圖樣，見(jiàn)圖1。

首先對(duì)其技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析:

(1)四缸孔4×φ65.5 mm的形狀位置公差要求較嚴(yán)格，既要保證四缸孔圓度0.008 mm、圓柱度0.008 mm，又要保證缸孔軸線對(duì)曲軸孔公共軸線的垂直度0.04 mm。

(2)四缸孔直徑要求 φ65.5 ±0.02 mm。

(3)四缸孔珩磨后的表面粗糙度要求Ra=0.32 μm。

要達(dá)到以上所有的技術(shù)要求，加工難度很大。

2 缸孔精鏜加工工藝選擇

在缸體加工中，缸孔精鏜涉及的各項(xiàng)精度將會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，因而企業(yè)在規(guī)劃這道工序時(shí)會(huì)結(jié)合企業(yè)及產(chǎn)品實(shí)際情況而選擇最合適的方案。缸孔精鏜加工工藝選擇涉及到加工設(shè)備、鏜削工藝、鏜刀等因素。目前，缸體加工生產(chǎn)線應(yīng)用最廣的有兩種，一種是完全由加工中心組成的自動(dòng)缸體線;另一種則是由組合/專(zhuān)用機(jī)床和加工中心相混合的柔性線，即“混合型柔性自動(dòng)線”，這種生產(chǎn)模式為眾多汽車(chē)企業(yè)與機(jī)床廠商看好并優(yōu)先采用，其優(yōu)點(diǎn)是既具有相當(dāng)?shù)娜嵝杂志哂休^高的生產(chǎn)效率，采用這種模式加工缸體時(shí)，缸孔的鏜削工序由專(zhuān)用鏜床完成［4］。本課題缸體生產(chǎn)線采用的是“混合型柔性自動(dòng)線”，即設(shè)計(jì)缸體缸孔加工專(zhuān)用鏜床，缸孔的鏜削工序由此專(zhuān)機(jī)完成。本課題設(shè)計(jì)的缸孔專(zhuān)用鏜床見(jiàn)圖2。

鏜孔是箱體類(lèi)工件中加工孔的常用工藝方法之一。對(duì)于長(zhǎng)徑比較小的孔，傳統(tǒng)的工藝一般是采用刀具從工件的一端鏜進(jìn)，這是一種非常經(jīng)濟(jì)且應(yīng)用極為廣泛的孔加工方法。對(duì)于長(zhǎng)徑比較大的孔，如果采用傳統(tǒng)工藝加工缸孔，由于鏜軸呈懸臂狀態(tài)，鏜削時(shí)，由于鏜臂的懸伸量較長(zhǎng)，很容易造成被加工孔尺寸精度和形位精度超差，因而不采用這種加工方法，一般采用調(diào)頭鏜孔的方法［5］。此缸體缸孔的孔徑比為1.8，孔徑比較小，故采用刀具從工件的一端鏜進(jìn)的傳統(tǒng)工藝。為提高生產(chǎn)效率，將鏜床設(shè)計(jì)為雙鏜頭的專(zhuān)用立式鏜床。鏜削過(guò)程示意圖見(jiàn)圖3。

由于缸孔精鏜后尺寸精度及形位精度要求均較高，在此專(zhuān)機(jī)上配備了帶自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的鏜頭，用以改善和提高缸孔加工質(zhì)量。

為進(jìn)一步提高缸孔加工質(zhì)量，減小切削熱帶來(lái)的缸孔尺寸與形位偏差，提高切削速度，延長(zhǎng)刀具使用壽命，缸孔精鏜時(shí)采用濕式加工。

3 缸孔精鏜加工工藝設(shè)計(jì)

3.1 基準(zhǔn)的選擇

合理正確地選擇定位基準(zhǔn)，是保證缸孔加工精度及提高加工生產(chǎn)效率的前提。工件定位基準(zhǔn)的選擇一般有以下4 方面的基本原則［6－7］:

(1)盡量使用工件上的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)作為定位基準(zhǔn)，可以避免因基準(zhǔn)不重合而引起的定位誤差，保證加工精度;

(2)確保工件一次裝夾能完成盡可能多的關(guān)鍵部位的加工;

(3)屬于批量加工時(shí)，對(duì)刀基準(zhǔn)與工件定位基準(zhǔn)重合;

(4)工件必須多次安裝時(shí)應(yīng)遵守基準(zhǔn)統(tǒng)一的原則。

依據(jù)以上原則并結(jié)合缸孔加工實(shí)際，缸孔精鏜加工時(shí)采用“一面兩銷(xiāo)”作為定位基準(zhǔn)，限制缸體的6個(gè)自由度，如圖4。

3.2 切削參數(shù)與切削用量的確定

3.2.1 切削速度的選擇

考慮到所用機(jī)床為高精度、高速度鏜削專(zhuān)用機(jī)床，精鏜時(shí)采用CBN(立方氮化硼)刀具，查閱刀具手冊(cè)，選取切削速度Vc=400 m/min。

3.2.2 機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速的確定

主軸轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為［8］

式中:n為機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速，r/min;d為刀具直徑，mm;Vc為切削速度，m/min。

式(1)中刀具直徑d=65.5 mm，將選取的數(shù)據(jù)代入式(1)，可以算出機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速n=1 944.86 r/min。

3.2.3 進(jìn)給參數(shù)的確定

根據(jù)高速鏜削及精鏜缸孔的特點(diǎn)及要求，選取較小的進(jìn)給量與背吃刀量，選取進(jìn)給量f=0.15 mm/r，背吃刀量ap=0.1 mm。鏜削時(shí)，進(jìn)給速度計(jì)算公式為［8］

式中:Vf為進(jìn)給速度，mm/min;n為機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速，r/min;f為進(jìn)給量，mm/r。

將選取的值代入式(2)，可以得到進(jìn)給速度Vf=291.7 mm/min。

3.3 工藝過(guò)程

由于被加工缸孔的長(zhǎng)徑比較小，采用刀具從工件的一端鏜進(jìn)的傳統(tǒng)工藝方案。工序簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5。

精鏜時(shí)采用汽缸體底面及底面兩銷(xiāo)孔定位(見(jiàn)圖4)，采用氣壓自鎖式夾具夾緊，圖5中Q為主視圖氣缸壓緊。

精鏜工序的簡(jiǎn)要過(guò)程是:上料，工作臺(tái)進(jìn)入1、3孔加工區(qū)，完成1、3孔精鏜加工至 φ65.5mm(見(jiàn)圖6)，刀具退出，工作臺(tái)移動(dòng)至2、4孔加工區(qū)，完成2、4孔精鏜加工至φ65.5+0.02－0.02mm(見(jiàn)圖6)，刀具退出，工作臺(tái)退回原點(diǎn)，進(jìn)入下一道工序。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)機(jī)床的成功試制，并對(duì)汽缸體缸孔進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，缸孔的尺寸精度與形位精度均達(dá)到了圖紙?jiān)O(shè)計(jì)指標(biāo)，機(jī)床投入使用一年多以來(lái)，各項(xiàng)性能均保持良好。缸體生產(chǎn)線項(xiàng)目在重慶某機(jī)械制造企業(yè)實(shí)施后，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍為2.5 min/件，缸體年生產(chǎn)量達(dá)到12萬(wàn)件，產(chǎn)值達(dá)到約1.2億元，由于經(jīng)濟(jì)效益顯著及生產(chǎn)線的成功研制，企業(yè)隨即投入第二條生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體大規(guī)模生產(chǎn)。

［1］朱正德.補(bǔ)償型鏜刀在發(fā)動(dòng)機(jī)精鏜工序中的應(yīng)用［J］.天津汽車(chē)，2008(9):44－45.

［2］康來(lái)明.發(fā)展數(shù)控機(jī)床，提升汽車(chē)零部件制造水平［J］.MC現(xiàn)代零部件，2008(4):54－60.

［3］張樹(shù)禮.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸孔精加工技術(shù)［J］.金屬加工:冷加工，2011(2):16－18.

［4］朱正德.專(zhuān)機(jī)PK加工中心工藝選擇案例的啟示［J］.MC現(xiàn)代零部件，2009(4):39－42.

［5］周文.發(fā)動(dòng)機(jī)缸體高速加工工藝設(shè)計(jì)與研究［D］.河北:燕山大學(xué)，2005.

［6］趙長(zhǎng)明.數(shù)控加工中心加工工藝與技巧［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［7］余承輝，姜晶.機(jī)械制造工藝與夾具［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2010.

［8］華楚生.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2007.