發(fā)動機氣缸蓋氣門座圈和導(dǎo)管孔加工實踐及存在問題的改進方法

韋海燕

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州545005）

目前國內(nèi)外的工藝水平已經(jīng)跟隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而有了巨大的變化，加工氣門座圈與導(dǎo)管孔已形成了這樣一種趨勢：采用加工中心作為加工設(shè)備，使用精密復(fù)合刀具來加工座圈與導(dǎo)管。這樣的加工工藝存在以下優(yōu)點：

（1）滿足加工精度要求；

（2）具有比較高的柔性。在產(chǎn)品更新?lián)Q代的時候，只需要更換刀具、夾具，并通過調(diào)整加工程序就可以適應(yīng)其他的機型的加工；

（3）加工中心的發(fā)展很快，機床的加工精度在不斷提高，并且在國內(nèi)發(fā)動機制造企業(yè)不斷得到廣泛的應(yīng)用；

（4）復(fù)合刀具比起其他的專用刀具加工效率更高，成本低。

由于上述的優(yōu)點，本文將分析和論述柳州五菱柳機動力有限公司采用加工中心作為主要加工設(shè)備，使用精密復(fù)合刀具來加工座圈與導(dǎo)管的工藝方法的實踐過程，并記錄在實踐過程中所面臨的問題，并提出解決的措施。

1 精密復(fù)合刀具加工實踐

1.1 生產(chǎn)線規(guī)劃

生產(chǎn)產(chǎn)品：氣缸蓋；產(chǎn)能規(guī)劃：10萬件/年；生產(chǎn)節(jié)拍：20JPH（三班制生產(chǎn)，每班 7.5 h，共 21.5 h）；生產(chǎn)節(jié)拍：180 s；生產(chǎn)線工藝布置：如圖1所示；設(shè)備形式：CNC加工中心（臺灣建榮立式加工中心，型號：Vcentre-110）、氣門座圈與導(dǎo)管壓裝機（廣州嘉特斯所設(shè)計制造的氣門座圈/導(dǎo)管壓裝機）。

圖1 氣缸蓋生產(chǎn)線工藝布置圖

1.2 加工工藝流程設(shè)計

根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)、節(jié)拍要求等，設(shè)計氣缸蓋的加工工藝流程，如圖2所示。

圖2 氣缸蓋生產(chǎn)線加工工藝流程圖

設(shè)計氣缸蓋氣門座圈與導(dǎo)管的加工工藝流程，如圖3所示。

圖3 氣缸蓋導(dǎo)管、座圈加工工藝流程圖

1.3 定位基準(zhǔn)選擇

加工氣缸蓋氣門座圈與導(dǎo)管的定位方式有兩種[1]：

第一種定位方式：用氣缸蓋氣門導(dǎo)管的外圓、燃燒室面定位。這樣的定位方式可以保證導(dǎo)管孔的中心與氣門座圈的中心在同一個軸線上，這種定位方式加工的精度高，適合于小批量零件的生產(chǎn)要求。但是，每一次只能使用一個孔來定位，如果是16氣門的氣缸蓋，就需要重復(fù)定位16次，這樣加工的效率低，無法滿足大批量的生產(chǎn)要求。

第二種定位方式：用兩個工藝銷孔、燃燒室面定位。后續(xù)的加工也采用這樣的定位方式，這樣具有16氣門的氣缸蓋就可以在同一道工序中完成所有的氣門座圈與導(dǎo)管的加工，加工的效率高。因為銷孔本身就存在有位置誤差，所以這種定位方法沒有第一種的定位精度高。如果加工余量不均勻，會由于銷孔本身的位置度誤差導(dǎo)致的環(huán)帶跳動、同軸度超差。通過減少工裝之間的誤差就可以改進氣門座圈與導(dǎo)管底孔的加工精度，以此來保證加工的精度要求。

因此，在生產(chǎn)實際過程中，采用第二種定位方式（即用兩個工藝銷孔、燃燒室面定位）。

1.4 切削余量設(shè)定

氣門座圈與導(dǎo)管的切削余量主要是根據(jù)柳州五菱柳機動力有限公司多年以來累積的加工過程的經(jīng)驗來設(shè)定的，導(dǎo)管孔的加工余量為0.5 mm，氣門座圈的加工余量為0.3 mm.

1.5 加工零件的材質(zhì)

氣缸蓋：鋁合金（AC4B）；進氣門導(dǎo)管：粉末冶金；排氣門導(dǎo)管：粉末冶金；進氣門座圈：粉末冶金；排氣門座圈：粉末冶金。

1.6 機床加工性能參數(shù)選擇

機床的制造精度與重復(fù)定位精度對加工質(zhì)量有直接的影響，為了滿足加工要求，五菱柳機動力有限公司機加工車間建榮立式加工中心Vcentre110各項性能參數(shù)見表1.

表1 建榮立式加工中心V c e n tre110性能參數(shù)表

對該設(shè)備的各項參數(shù)進行精度檢測，測量結(jié)果見表2.從表中的數(shù)據(jù)可以看出，建榮立式加工中心Vcentre110的精度均在微米級，設(shè)備的精度滿足加工的要求。

表2 建榮立式加工中心V c e n tre110精度檢測表

1.7 加工切削液與冷卻的方式

合理有效的使用加工切削液對與提供加工刀具的壽命和加工精度有著巨大的作用，因為氣缸蓋的內(nèi)部比較復(fù)雜，特別是在座圈和氣道位置，常規(guī)的切削液噴淋方式并不能加工要求，刀具得不到及時的冷卻，刀具的壽命大大降低，并且加工粗糙度也會受到很大的影響。因為，在生產(chǎn)實際過程中，采用刀具內(nèi)冷的方式，來保證加工刀具的壽命及加工的效果。根據(jù)前期的工藝試驗，采用奎克的切削液可以滿足加工要求。

1.8 精密復(fù)合刀具應(yīng)用

選用法國山高SECO的精密復(fù)合刀具（CBN刀片用于精锪，整體的PCD刀片用于精鏜），通過這樣的刀具形式，可以同時滿足氣門座圈與導(dǎo)管孔的高速加工要求。加工導(dǎo)管孔時，采用精鏜的方式，而加工氣門座圈時，采用精锪的方式。通過這樣的加工方式，可以滿足氣門座圈環(huán)帶跳動的精度要求，而且可以獲得良好好的氣門座圈表面粗糙度，同時加工氣門座圈與導(dǎo)管孔，加工的效率高，可以在一定程度上降低生產(chǎn)的成本[2]。

2 精密復(fù)合刀具加工存在的問題及改進的方法

2.1 精密復(fù)合刀具加工存在的主要問題

氣缸蓋氣門座圈環(huán)帶跳動精度對發(fā)動機的性能有直接的關(guān)系。環(huán)帶跳動超差（要求環(huán)帶跳動值在0～0.05 mm為合格）的情況從生產(chǎn)后就一直不斷的出現(xiàn)，嚴(yán)重的時候還會出現(xiàn)大批量的質(zhì)量事故。對氣門座圈的深度、環(huán)帶的角度、環(huán)帶的表面粗糙度、導(dǎo)管孔的直徑等方面進行了測量，從測量的結(jié)果看，各項數(shù)值均滿足產(chǎn)品設(shè)計的要求。對問題可能存在的原因進行了分析，可能存在的影響的因素如下：

（1）檢具的影響因素；

（2）加工機床精度的影響因素；

（3）氣缸蓋氣門座圈圓度差的影響因素；

（4）精密復(fù)合刀具在氣門座圈與導(dǎo)管切削時所受到的切削力不穩(wěn)定。

2.2 精密復(fù)合刀具加工存在主要問題的改進方法

針對上述原因，進行一一的排查，發(fā)現(xiàn)：

（1）對檢具進行重復(fù)性測試。測量同一件工件，連續(xù)測量10次，發(fā)現(xiàn)重復(fù)測量的數(shù)值在0.05mm以內(nèi)，合格。對檢具進行標(biāo)定后，測量前面測量的同一工件，測量數(shù)值沒有明顯的變化，前后數(shù)值相差在0.05 mm以內(nèi)，滿足要求。

（2）測量加工機床的主軸跳動。經(jīng)過測量，發(fā)現(xiàn)加工機床（4臺）的主軸跳動都在0.006以內(nèi)，如表3所示。

表3 機床主軸跳動實際測量值

（3）測量跳動超差的工件座圈圓度。經(jīng)過測量，發(fā)現(xiàn)座圈圓度沒有明顯的變化規(guī)律，如表4所示。

表4 座圈圓度偏差方向統(tǒng)計表

（4）分析加工刀具。對所使用的加工刀具進行分析，發(fā)現(xiàn)：加工氣門座圈與導(dǎo)管孔的刀具是組合結(jié)構(gòu)的刀具，分別由加工氣門座圈的刀體、加工導(dǎo)管的四刃鉸刀刀桿組合而成，刀具組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 座圈導(dǎo)管加工復(fù)合刀具示意圖

在切削的時候，加工導(dǎo)管與加工座圈的部分同時加工，如果導(dǎo)管和座圈的毛坯余量不均勻，精密復(fù)合刀具在加工加工過程中會有切削不均勻的現(xiàn)象。因此需要更改刀具的結(jié)構(gòu)形式來滿足加工的要求。

經(jīng)過分析研究，決定使用單刃帶導(dǎo)條的鏜刀加工導(dǎo)管孔，替代原使用的四刃鉸刀。單刃帶導(dǎo)條的鏜刀具有導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)，可以在加工過程中，對刀具起到導(dǎo)向和扶正的作用，從而保證加工的精度，即使加工余量不夠均勻，導(dǎo)條鏜刀也可以通過導(dǎo)條的作用自動找正，由此保證了加工的精度。更換單刃導(dǎo)條鏜刀之后，跟蹤加工工件氣門座圈環(huán)帶跳動值，原刀具加工導(dǎo)管孔部分使用的是四刃鉸刀，將其更改為單刃帶導(dǎo)條鏜刀，當(dāng)加工時，只有一片刀片進行切削，后面導(dǎo)條部分進行支撐導(dǎo)向，即使毛坯的余量不均勻，也可以通過導(dǎo)條的導(dǎo)向作用找正，從而提高了加工的穩(wěn)定性。更換這種導(dǎo)條鏜刀后，跟蹤加工工件座圈錐面（環(huán)帶）的跳動情況，對氣缸蓋氣門座圈環(huán)帶跳動值進行測量，測量結(jié)果見表5所示。從表中的數(shù)據(jù)可以看出：更換單刃帶導(dǎo)條的鏜刀之后，氣缸蓋氣門座圈環(huán)帶跳動值均在產(chǎn)品設(shè)計要求的范圍內(nèi)，沒有發(fā)現(xiàn)環(huán)帶跳動超差，由此說明這一項問題已經(jīng)得到有效的解決，改進前后的刀具如圖5所示。

表5 座圈錐面對導(dǎo)管孔的跳動值（單位：mm）

圖5 改進前后刀具對比圖

小結(jié)：一直以來，氣門座圈相對導(dǎo)管孔的跳動一直存在超差的現(xiàn)象，以前只能夠通過更換新刀具的方式，來滿足加工精度的要求。但是不斷的更換刀具，浪費生產(chǎn)時間，提高了生產(chǎn)的成本。氣門座圈環(huán)帶的跳動是氣缸蓋的關(guān)鍵尺寸之一，它對發(fā)動機性能有著直接的影響，一旦發(fā)現(xiàn)尺寸超差，沒有辦法可以修復(fù)，工件只能報廢，大大浪費了生產(chǎn)的資源，提高制造成本。對影響氣門座圈環(huán)帶跳動加工精度的影響因素進行了分析，發(fā)現(xiàn)刀具在加工過程中由于加工余量的影響，所受到的切削力不平衡而導(dǎo)致了氣缸蓋氣門座圈環(huán)帶跳動超差，因此對所使用的加工刀具進行改進，跟蹤改進之后氣門座圈環(huán)帶跳動的情況，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)沒有跳動超差的情況發(fā)生，說明此項問題得到了很好的改善，由此可以減少生產(chǎn)過程中的資源浪費，提高了加工零件的質(zhì)量水平和加工的效率，大大降低了生產(chǎn)的成本。

3 結(jié)束語

本文介紹了在柳州五菱柳機動力有限公司的機加工車間使用精密復(fù)合刀具的工藝方法對氣缸蓋氣門座圈與導(dǎo)管的加工進行了實踐，同時總結(jié)了使用這種工藝方法存在的主要問題，并提出解決問題的方法。通過論述證明采用精密復(fù)合刀具的加工工藝可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)生產(chǎn)線的批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高。但是生產(chǎn)過程中存在一定的問題需要進行改進，如加工設(shè)備的能力，刀具的壽命，測量手段及方法等。經(jīng)過本文的生產(chǎn)實踐論述證明，精密復(fù)合刀具的加工工藝生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低，適合于大批量生產(chǎn)要求，值得進行大范圍的推廣。