缸蓋氣門(mén)座圈及氣門(mén)導(dǎo)管粗精加工方案研究

金 鐳 廖慧陽(yáng) 陳 勇

(北京奔馳汽車(chē)有限公司，北京 100176)

缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)零件中結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的箱體類(lèi)零件，也是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的三大核心部件之一，而其中氣門(mén)座圈和氣門(mén)導(dǎo)管孔加工是最為關(guān)鍵的加工工序。其加工精度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有著重要的影響。

受限于氣門(mén)座圈及氣門(mén)導(dǎo)管粉末冶金的高硬度材質(zhì)，高的加工精度要求，較低的刀具加工壽命，多年來(lái)其加工一直是困擾汽車(chē)業(yè)的加工難題。經(jīng)過(guò)近十幾年的研究和實(shí)踐，如今座圈孔和導(dǎo)管孔的加工已逐漸形成了一套完整的工藝。但隨著汽車(chē)市場(chǎng)尤其是豪華車(chē)市場(chǎng)的飛速發(fā)展，對(duì)缸蓋氣門(mén)座圈和氣門(mén)導(dǎo)管的加工提出了更高的生產(chǎn)效率、加工穩(wěn)定性和更低的成本控制要求。因此，如何在保證各項(xiàng)公差要求的情況下，不斷優(yōu)化加工工藝，對(duì)加工方式、切削刀具及刀具材料、切削參數(shù)等進(jìn)行研究和改進(jìn)，從而不斷提高刀具壽命，減少換刀頻次，降低加工成本，成為了一個(gè)新的重點(diǎn)課題。

1 座圈和導(dǎo)管孔加工工藝分析

1.1 氣門(mén)導(dǎo)管與氣門(mén)座圈材質(zhì)

氣門(mén)座圈：粉末冶金，硬度30～40 HRC。

氣門(mén)導(dǎo)管：粉末冶金，硬度50～59 HRC。

1.2 工藝要求

氣門(mén)座圈：90°錐面帶寬1.3 mm，座圈密封錐面直徑處圓度要求0.008 mm，座圈相對(duì)導(dǎo)管確定的軸心的徑向跳動(dòng)要求為0.05 mm，密封錐面粗糙度要求Pt6.3。如圖1所示。

氣門(mén)導(dǎo)管：導(dǎo)管直線度，圓度，同軸度要求為0.008 mm，導(dǎo)管內(nèi)壁上兩測(cè)量直線的平行度要求為0.015，角度偏差相對(duì)基準(zhǔn)面控制在0.05 mm以?xún)?nèi)。如圖2所示。

1.3 加工工藝分析

目前，座圈和導(dǎo)管孔的加工刀具主要由座圈精鉸(六角形不可調(diào)可轉(zhuǎn)位刀片，PCBN材質(zhì))，導(dǎo)管預(yù)鉆刀(帶導(dǎo)條式可調(diào)鉸刀頭，PCD材質(zhì))，和導(dǎo)管槍鉸刀組成。如圖3所示。

其加工工藝安排如下：

預(yù)鉆導(dǎo)管孔、精鉸座圈孔：導(dǎo)管預(yù)鉆深度6.35 mm，預(yù)鉆完成后，孔的直徑為6.0075 mm，單邊切削余量為0.253 mm，在導(dǎo)管預(yù)鉆至4.87 mm時(shí)，座圈刀片切入，開(kāi)始切削加工座圈，并最終一次成型53°、90°和120°這3個(gè)角度，其中座圈90°，公差為90°-1°，座圈90°刀片軸向切深為1.48 mm。

表1 傳統(tǒng)座圈導(dǎo)管加工工藝

加工工藝加工參數(shù)導(dǎo)管加工刀具座圈加工刀具導(dǎo)管預(yù)鉆SPEED=3600，F(xiàn)EED=360導(dǎo)管預(yù)鉆，座圈精鉸SPEED=1200，F(xiàn)EED=120終點(diǎn)位置，空轉(zhuǎn)G4S3以工進(jìn)的進(jìn)給量退刀G1G64Z=R3+01快速退刀G0G64Z=R10在預(yù)鉆引導(dǎo)孔段，線性變進(jìn)給切削SPEED1=3600FEED2=800FLINFEED1=1600通過(guò)預(yù)鉆孔段后，等進(jìn)給切削FEED1=1600

此種加工工藝的問(wèn)題在于，座圈一次切削成型3個(gè)角度，而切深又有1.48 mm，座圈材質(zhì)相對(duì)較硬，耐磨，因此刀具以0.1 mm/r的進(jìn)給量切削座圈，極易造成刀片磨損，導(dǎo)致刀具壽命極低，僅為100件，極大影響生產(chǎn)效率。另外，在刀具壽命末期，刃口加劇磨損，座圈圓度極易超差，90°座圈角度容易超上差。這極大影響了產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的控制和生產(chǎn)線cpk水平，同時(shí)也使得刀具成本居高不下。

2 工藝改進(jìn)

2.1 改進(jìn)方案

保持原有導(dǎo)管預(yù)鉆不變，座圈精鉸分成粗精加工兩步，同時(shí)為了保證整個(gè)工位節(jié)拍，將原來(lái)導(dǎo)管孔槍鉸刀具改進(jìn)為導(dǎo)管槍鉸和座圈精加結(jié)合的組合式刀具。這樣既保證座圈相對(duì)于導(dǎo)管軸線的徑向跳動(dòng)，以及座圈密封直徑處的圓度，同時(shí)更好地保證了導(dǎo)管和座圈的同軸度要求，并極大地提高刀具的實(shí)際使用壽命。改進(jìn)后的刀具和工藝參數(shù)如圖4和表2所示。

表2 改進(jìn)后座圈導(dǎo)管加工參數(shù)表

加工工藝加工參數(shù)粗加刀具(導(dǎo)管預(yù)鉆+座圈粗加)精加刀具(導(dǎo)管槍鉸+座圈精加)預(yù)鉆導(dǎo)管SPEED1=3600FEED1=360預(yù)鉆導(dǎo)管，座圈粗加，預(yù)留02mm切深給精加工SPEED2=1200FEED1=120導(dǎo)管預(yù)鉆段，線性變進(jìn)給槍鉸導(dǎo)管SPEED1=3600FEED1=800FLINFEED2=1600通過(guò)導(dǎo)管預(yù)鉆段后，等進(jìn)給槍鉸導(dǎo)管SPEED1=3600FEED2=1600槍鉸導(dǎo)管末端，精加座圈剩余02mm切深SPEED2=1200FEED3=120終點(diǎn)位置，空轉(zhuǎn)G4S3以工進(jìn)進(jìn)給退刀G1G64Z=R3+01快速退刀G0G64Z=R10

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

方案確定后，每20件進(jìn)行試驗(yàn)跟蹤，并在檢測(cè)臺(tái)記錄座圈角度和泄露量(鑒于線邊圓度測(cè)量的復(fù)雜性，目前缸蓋生產(chǎn)線多用泄漏量來(lái)評(píng)價(jià)座圈圓度，泄漏量控制標(biāo)準(zhǔn)為<200 cm3/min)。并跟蹤刀具狀態(tài)。最終，該方案實(shí)現(xiàn)了座圈粗加刀具加工625件，精加刀具加工1 200件的壽命，如表3和表4所示。刀具磨損狀態(tài)如圖5所示。

表3 座圈角度試驗(yàn)結(jié)果

件角度/(°) 第520件第540件第560件第580件第600件孔189518949894889248937孔289548955892989308941孔389548960892289408926孔489468949895689448944孔589548946896289368932孔689518950897389338945孔789488922894489238920孔889628950894989468918

3 結(jié)語(yǔ)

表4 座圈泄漏量試驗(yàn)結(jié)果

件泄露/ (cm3/min) 第520件第540件第560件第580件第600件孔1189601999824孔205144950628孔363511545孔455601415孔502351462724孔63916551934孔79939072581孔820245191225

本文針對(duì)現(xiàn)有座圈導(dǎo)管孔加工工藝中的缺陷，探討了改進(jìn)方案，引入了座圈粗精加工的工藝，實(shí)現(xiàn)了在不增加刀具刀具數(shù)量、保證工位的節(jié)拍的前提下，將座圈單精加工優(yōu)化為粗精加工。有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

(1)刀具壽命從原來(lái)的100件翻至600件，減少了工位換刀頻次，提高工位節(jié)拍，降低生產(chǎn)成本。

(2)對(duì)于加工過(guò)程中出現(xiàn)的粗加刀刃的異常磨損，粗精加方案敏感度低。該方案基本不受粗加刀具崩刃的影響，保證了質(zhì)量控制風(fēng)險(xiǎn)和加工的穩(wěn)定性。

(3)由于導(dǎo)管槍鉸與座圈刀具為一體，因此，該方案能夠更好地滿(mǎn)足座圈相對(duì)于導(dǎo)管軸線的徑向跳動(dòng)，及其自身在密封直徑處的圓度要求。

試驗(yàn)證明，該粗精加方案是切實(shí)可行、可節(jié)約成本且高效可靠的。

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