發(fā)動機氣缸蓋加工工藝研究

□ 周寅龍 □ 羅勝陽

昆明理工大學 城市學院 昆明 650093

1 研究背景

氣缸蓋是發(fā)動機中的關(guān)鍵零件,精度要求高,加工工藝復(fù)雜,加工質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響發(fā)動機的整體性能。由于氣缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工精度高,因此針對不同的結(jié)構(gòu)進行加工工藝分析，并制訂合理的工藝方案，對保證氣缸蓋的加工質(zhì)量而言具有重要作用。

發(fā)動機工作時,可燃氣體在氣缸蓋燃燒室壓縮后點燃,致使氣門座圈承受很高的熱負荷和機械負荷。這要求氣門座圈既要有很強的耐磨性,又要有良好的密封性。如果氣門工作時中心發(fā)生偏移，除會導(dǎo)致有害的熱傳導(dǎo)和氣門、導(dǎo)管孔極限磨損外,還會造成耗油量增加。因此,對氣門座圈和導(dǎo)管孔的加工精度要求很高,特別是對氣門座圈工作錐面與導(dǎo)管孔的同軸度，有較高的位置精度要求。

進、排氣門座圈工作錐面與導(dǎo)管孔的加工是氣缸蓋加工中最關(guān)鍵的工序,對于汽油發(fā)動機，其同軸度允差規(guī)定為0.015～0.025 mm;而對于柴油機，則僅為0.01～0.015 mm。高速發(fā)動機氣門座圈底孔與導(dǎo)管孔的同軸度為φ0.03 mm,座圈工作錐面與導(dǎo)管孔的同軸度為φ0.025 mm,轉(zhuǎn)速低于3 600 r/min的發(fā)動機，同軸度可降為φ0.04 mm。一般采用的加工工藝為鉆、復(fù)合擴、半精鏜氣門座圈底孔和導(dǎo)管孔、精鏜氣門座圈底孔和槍鉸導(dǎo)管孔、壓導(dǎo)管和氣門座圈、精鏜氣門座圈錐面和槍鉸導(dǎo)管孔。

2 零件定位

根據(jù)氣缸蓋的結(jié)構(gòu)特點,粗基準采用六點定位原理：底面三點定位,排氣面兩點定位,后端面一點定位，精基準采用一面兩銷定位。氣缸蓋精基準的選擇滿足了基準統(tǒng)一原則。采用一面兩銷的定位方式,可以很簡便地限制工件的六個自由度,定位穩(wěn)定可靠,夾緊變形小,易于實現(xiàn)自動定位和自動夾緊,便于操作。工件的定位方式對精度影響很大,采用一面兩銷定位方式有一個缺點。由于存在導(dǎo)管孔及氣門座圈底孔到銷孔的位置精度誤差,因此加工余量不均勻,不易達到產(chǎn)品的精度要求。若采用以平面和導(dǎo)管外圓表面定位,使導(dǎo)管和氣門座圈底孔縱向軸線與機床主軸軸線相重合,則可使加工余量均勻,加工精度高，但是這種工藝在一個工位上只能加工一個氣門座圈,生產(chǎn)效率較低。基于以上分析,大批量生產(chǎn)時,仍然經(jīng)常采用一面兩銷定位,作為工序加工的統(tǒng)一精基準。

3 夾具設(shè)計

為保證加工過程中工件定位夾緊的可靠性,采用液壓夾具。這一夾具具有如下功能:夾緊力可調(diào)整,在滿足加工要求的前提下,可以在最大程度上減小工件的裝夾變形；各定位面設(shè)有氣密性檢測功能,加工時使工件與定位面正確接觸、緊密貼合,保證工件的定位精度；具有自動沖洗夾具定位面功能。為方便操作,在夾具上還設(shè)置了工件粗限位和防止工件脫落等裝置,減小了操作者的勞動強度,提高了操作安全性。

4 加工刀具選擇

氣缸蓋本體材料為鑄鋁,切屑成帶狀且易黏刀。進、排氣門座圈和氣門導(dǎo)管的材料是粉末冶金,特點為硬度高,且氣門加工配合精度要求較高。為了獲得較高的產(chǎn)品質(zhì)量,刀具選用德國MAPAL和美國KENNA METAL、瑞士SECO等涂層硬質(zhì)合金刀具。對于凸輪軸孔、氣門導(dǎo)管、氣門座圈等精度要求高的部位，還選用聚晶金剛石和立方氮化硼刀具,在加工過程中采用較高的切削速度、較小的進給量和切削余量。

由于鑄鋁氣缸蓋的加工多為高速切削,因此刀具與主軸接口采用標準HSK刀柄結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的刀柄后部1∶10錐度錐面和端面同時與機床主軸配合,定位精度高,特別適合高速切削。為保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量,提高刀具使用壽命,加工時在澆注外部冷卻液的同時,還采用內(nèi)冷加工。6 MPa以上高壓冷卻液通過機床主軸從刀具內(nèi)冷孔噴射到切削刃上,然后將切屑從刀具的排屑槽排出,可以在加工中起到很好的冷卻、潤滑、排屑作用。

5 氣門座圈和氣門導(dǎo)管孔系加工

氣門座圈和氣門導(dǎo)管的加工是整個氣缸蓋機械加工的關(guān)鍵,其加工精度對發(fā)動機的性能有重要影響。為保證氣門座圈工作錐面對導(dǎo)管孔跳動、氣門座圈工作錐面表面粗糙度、氣門導(dǎo)管直線度及外圓同軸度的要求,減少工序成本，提高生產(chǎn)效率,需要對氣門座圈與導(dǎo)管孔的加工、專用復(fù)合刀具的采用、刀具材料的選擇、冷卻方式、切削參數(shù)的選擇等各影響因素進行分析、控制，進而滿足加工工藝要求。

氣門座圈底孔的同軸度誤差會造成氣門座圈和氣門導(dǎo)管孔精加工余量分配不均,從而影響最終精加工精度。以往常規(guī)加工方法一般采用鉆、擴、鉸工藝,采用前后兩端導(dǎo)向的刀具結(jié)構(gòu)。由于刀具細長,刀具剛性不足,加工過程中,各種原因?qū)е聫较蛄Σ痪鶆?刀具易產(chǎn)生彎曲變形、讓刀,從而引起同軸度超差。近年來,通過對刀具的研究、改進,采用新工藝,較好地解決了這一問題。如適當縮短氣門導(dǎo)管孔鉸刀到氣門座圈底孔鉸刀的距離,先采用刀柄導(dǎo)向鉸氣門導(dǎo)管孔,然后采用導(dǎo)管孔鉸刀的導(dǎo)向和刀柄雙導(dǎo)向鉸氣門座圈底孔,可強制氣門座圈底孔鉸刀修正微量同軸度誤差。另外,通過對氣門座圈底孔和氣門導(dǎo)管孔復(fù)合擴刀幾何角度的改進,將常規(guī)擴刀變?yōu)橥繉佑操|(zhì)合金復(fù)合鏜擴刀、鏜鉸刀,也取得了很好的效果。

氣門座圈和氣門導(dǎo)管孔加工如圖1所示，實物如圖2所示,材料均為鐵基粉末冶金,特點是尺寸精度要求高、硬度高、加工難度大。對此,氣門座圈和氣門導(dǎo)管孔采用德國MAPAL復(fù)合鏜鉸刀加工，如圖3所示。該鏜鉸刀為機夾刀片結(jié)構(gòu),刀片材料為立方氮化硼,使用壽命長。刀具剛性足夠,制造精度高，徑向跳動小，同軸度高,具備良好的動平衡。

▲圖1 氣門座圈和氣門導(dǎo)管孔加工▲圖2 氣門座圈和氣門導(dǎo)管孔實物▲圖3 MAPAL復(fù)合鏜鉸刀

為保證氣門座圈和氣門導(dǎo)管孔的同軸度要求,通常采用專用設(shè)備和復(fù)合刀具加工。應(yīng)用復(fù)合刀具，先锪削氣門座圈工作錐面。加工氣門座圈完畢后,刀具后退約0.2 mm,接著提高刀具轉(zhuǎn)速,鉸刀以恒定的進給速度進給，對氣門導(dǎo)管孔進行加工。當氣門導(dǎo)管孔加工完畢后,恢復(fù)到加速進給之前的轉(zhuǎn)速,鉸刀自動退回到起始位置。

目前,加工氣門座圈工作錐面多采用鏜削工藝。采用锪錐面的加工工藝,其缺點是在錐面上會存在锪刀切削刃的各種誤差缺陷。另外,由于切削力較大,要求刀體的剛性好。不同的氣門座圈材料,也會影響加工方式的選擇。一般，當氣門座圈洛氏硬度(HRC)在40以上時,由于硬度較高,因此只能采用鏜削錐面；當氣門座圈洛氏硬度(HRC)低于40時,既可采用鏜削錐面,也可采用锪削錐面。

氣門導(dǎo)管孔一般采用單刃鉸刀，即槍鉸刀進行加工。這種刀具設(shè)有兩個導(dǎo)向條,在切削過程中可起導(dǎo)向作用,對加工余量不均勻的影響較低。另外,在單刃鉸刀基礎(chǔ)上發(fā)展出一種槍鏜刀,與單刃鉸刀類似,采用三個導(dǎo)向條。在槍鏜刀切入工件后,其中一個導(dǎo)向條立即起支撐作用,提高鏜刀的剛性。這種槍鏜刀也可用于加工導(dǎo)管孔。

氣門座圈和氣門導(dǎo)管孔的加工分別采用粗、精兩把刀具。粗加工刀具進行粗鉸氣門導(dǎo)管孔和粗锪氣門座圈倒角,在氣門導(dǎo)管孔上鉸出一個淺孔,作為后道精加工的導(dǎo)向孔。在粗锪氣門座圈倒角時,去除大部分的加工余量,并給精加工留出單邊0.3～0.5 mm的余量。精加工刀具先精鉸氣門導(dǎo)管孔,再精锪氣門座圈倒角,以避免加工中的相互干涉。為了保證更好的重復(fù)精度和可靠性,采用HSK整體式刀柄結(jié)構(gòu)。鉸刀的夾持部位采用熱脹收縮刀柄,具有精度高、徑向跳動小、裝夾迅速等特點,用電磁圈加熱刀柄的熱脹夾緊部位僅需5～10 s。

氣門座圈和氣門導(dǎo)管孔的加工刀具刀體上僅有三個刀片夾緊螺釘和三個調(diào)節(jié)螺釘,采用至少可重磨20次的整體立方氮化硼刀片。刀片的壓緊塊與刀體是一個整體,刀片的壓緊通過位于壓緊塊與刀體槽間的夾緊螺釘來完成。由于壓緊塊的夾緊面積很大,因此避免了夾緊力不足而產(chǎn)生的刀片移位。立方氮化硼刀片的軸向調(diào)節(jié)通過刀片后端的軸向調(diào)整螺釘來完成,以補償?shù)镀p或重磨后的尺寸。徑向上不需要調(diào)整,主要由精磨過的刀片座和刀片來保證加工精度。鉸刀軸向尺寸的調(diào)整也十分簡便,在刀柄的內(nèi)部、鉸刀的底部有一個軸向調(diào)整螺釘,通過一個與調(diào)整螺釘相匹配的扳手式標準塊來進行調(diào)節(jié),可在調(diào)整的同時進行對刀,整個調(diào)節(jié)過程僅需5 min。

由于氣門座圈與氣門導(dǎo)管孔的連接部分是形狀非常復(fù)雜的氣道,因此當采用常規(guī)的由后向前冷卻方式時,冷卻液會將加工時產(chǎn)生的切屑沖進氣道,殘留在氣道內(nèi)的切屑將嚴重影響發(fā)動機的質(zhì)量和性能。對此,采用從刀片的前端沖向刀尖的冷卻液流向設(shè)計,從而盡可能地將切屑沖出氣缸蓋,保證氣道的清潔。

6 凸輪軸孔加工

氣缸蓋凸輪軸孔實物如圖4所示，其直徑公差、圓度、粗糙度、同軸度及孔位置等精度要求都很高,且長度較長,加工難度大。如果五個同軸的凸輪軸孔從兩側(cè)加工,加工時,機床回轉(zhuǎn)工作臺需帶工件回轉(zhuǎn)180°。由于工作臺回轉(zhuǎn)后存在誤差,無法保證凸輪軸孔的加工精度,因此只能采用如圖5所示長刀桿復(fù)合鏜鉸刀,從氣缸蓋一端進刀一次完成五個孔加工。

▲圖4 凸輪軸孔實物▲圖5 長刀桿復(fù)合鏜鉸刀

根據(jù)凸輪軸孔的精度要求,將凸輪軸孔的加工分粗加工、半精加工和精加工三步來完成。首先,在裝配凸輪軸軸承蓋之前進行粗加工,用球頭銑刀銑出兩組半圓孔,留出單邊0.75 mm的加工余量。然后,在裝配凸輪軸軸承蓋之后采用鑲嵌聚晶金剛石刀片的整體鏜刀，進行凸輪軸孔的半精加工。最后,為保證凸輪軸孔的加工精度,采用專用的整體涂層硬質(zhì)合金鏜鉸刀進行精加工。根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)特點,進、排氣凸輪軸孔均采用同一把刀具進行精加工。凸輪軸孔加工如圖6所示。

由于氣缸蓋凸輪軸孔結(jié)構(gòu)的限制,精加工的鏜鉸刀桿長度直徑比大,刀桿剛性降低,因此精加工鏜刀桿采用聚晶金剛石支撐導(dǎo)條的結(jié)構(gòu)。采用這一結(jié)構(gòu)，可以防止加工中刀桿的振動,提高孔的形狀精度和表面質(zhì)量。通過導(dǎo)條的支撐作用,可以避免刀桿在加工過程中由于切削力的作用而產(chǎn)生的讓刀現(xiàn)象,進而提高加工孔的尺寸精度。通過導(dǎo)條可以在已加工孔中起到導(dǎo)向作用,保證凸輪軸孔的同軸度要求。由上述分析可以看出,支撐導(dǎo)條結(jié)構(gòu)對保證凸輪軸孔的加工質(zhì)量起到了重要作用。

7 結(jié)束語

發(fā)動機氣缸蓋的機械加工關(guān)鍵工藝技術(shù)和整體工藝水平正在隨著高技術(shù)含量內(nèi)燃機的發(fā)展而日趨提高、完善,國外工藝水平已與產(chǎn)品開發(fā)水平同步,國內(nèi)工藝水平隨著與國際接軌和科技發(fā)展，將由落后變?yōu)橹鸩浇咏a(chǎn)品開發(fā)水平。工藝的設(shè)計編制受到諸多因素影響,如產(chǎn)品精度高低、產(chǎn)品工藝性能、生產(chǎn)綱領(lǐng)、投資規(guī)模、企業(yè)現(xiàn)狀等。因此,不僅需要對某一關(guān)鍵部位或某一關(guān)鍵工序進行認真分析論證、合理配置,得到合理、最佳的工藝方案，而且需要合理地布局生產(chǎn)工藝流程,提高零件生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量,有效促進企業(yè)核心競爭力的提升。筆者對發(fā)動機氣缸蓋的加工工藝進行了研究，為相關(guān)設(shè)備的加工提供參考。

▲圖6 凸輪軸孔加工