□ 周寅龍 □ 羅勝陽(yáng)

昆明理工大學(xué) 城市學(xué)院 昆明 650093

1 研究背景

氣缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(duì)不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工工藝分析，并制訂合理的工藝方案，對(duì)保證氣缸蓋的加工質(zhì)量而言具有重要作用。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí),可燃?xì)怏w在氣缸蓋燃燒室壓縮后點(diǎn)燃,致使氣門(mén)座圈承受很高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷。這要求氣門(mén)座圈既要有很強(qiáng)的耐磨性,又要有良好的密封性。如果氣門(mén)工作時(shí)中心發(fā)生偏移，除會(huì)導(dǎo)致有害的熱傳導(dǎo)和氣門(mén)、導(dǎo)管孔極限磨損外,還會(huì)造成耗油量增加。因此,對(duì)氣門(mén)座圈和導(dǎo)管孔的加工精度要求很高,特別是對(duì)氣門(mén)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(jìn)、排氣門(mén)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(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其同軸度允差規(guī)定為0.015～0.025 mm;而對(duì)于柴油機(jī)，則僅為0.01～0.015 mm。高速發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)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(dòng)機(jī)，同軸度可降為φ0.04 mm。一般采用的加工工藝為鉆、復(fù)合擴(kuò)、半精鏜氣門(mén)座圈底孔和導(dǎo)管孔、精鏜氣門(mén)座圈底孔和槍鉸導(dǎo)管孔、壓導(dǎo)管和氣門(mén)座圈、精鏜氣門(mén)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(diǎn),粗基準(zhǔn)采用六點(diǎn)定位原理：底面三點(diǎn)定位,排氣面兩點(diǎn)定位,后端面一點(diǎn)定位，精基準(zhǔn)采用一面兩銷定位。氣缸蓋精基準(zhǔn)的選擇滿足了基準(zhǔn)統(tǒng)一原則。采用一面兩銷的定位方式,可以很簡(jiǎn)便地限制工件的六個(gè)自由度,定位穩(wěn)定可靠,夾緊變形小,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位和自動(dòng)夾緊,便于操作。工件的定位方式對(duì)精度影響很大,采用一面兩銷定位方式有一個(gè)缺點(diǎn)。由于存在導(dǎo)管孔及氣門(mén)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(dá)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(mén)座圈底孔縱向軸線與機(jī)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(gè)工位上只能加工一個(gè)氣門(mén)座圈,生產(chǎn)效率較低?；谝陨戏治?大批量生產(chǎn)時(shí),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(zhǔn)。

3 夾具設(shè)計(jì)

為保證加工過(guò)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(cè)功能,加工時(shí)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(dòng)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(dòng)強(qiáng)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(jìn)、排氣門(mén)座圈和氣門(mén)導(dǎo)管的材料是粉末冶金,特點(diǎn)為硬度高,且氣門(mén)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(guó)MAPAL和美國(guó)KENNA METAL、瑞士SECO等涂層硬質(zhì)合金刀具。對(duì)于凸輪軸孔、氣門(mén)導(dǎo)管、氣門(mén)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(guò)程中采用較高的切削速度、較小的進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)與機(jī)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(shí)在澆注外部冷卻液的同時(shí),還采用內(nèi)冷加工。6 MPa以上高壓冷卻液通過(guò)機(jī)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(rùn)滑、排屑作用。

5 氣門(mén)座圈和氣門(mén)導(dǎo)管孔系加工

氣門(mén)座圈和氣門(mén)導(dǎo)管的加工是整個(gè)氣缸蓋機(jī)械加工的關(guān)鍵,其加工精度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有重要影響。為保證氣門(mén)座圈工作錐面對(duì)導(dǎo)管孔跳動(dòng)、氣門(mén)座圈工作錐面表面粗糙度、氣門(mén)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(duì)氣門(mén)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(jìn)行分析、控制，進(jìn)而滿足加工工藝要求。

氣門(mén)座圈底孔的同軸度誤差會(huì)造成氣門(mén)座圈和氣門(mén)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(kuò)、鉸工藝,采用前后兩端導(dǎo)向的刀具結(jié)構(gòu)。由于刀具細(xì)長(zhǎng),刀具剛性不足,加工過(guò)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(lái),通過(guò)對(duì)刀具的研究、改進(jìn),采用新工藝,較好地解決了這一問(wèn)題。如適當(dāng)縮短氣門(mén)導(dǎo)管孔鉸刀到氣門(mén)座圈底孔鉸刀的距離,先采用刀柄導(dǎo)向鉸氣門(mén)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(mén)座圈底孔,可強(qiáng)制氣門(mén)座圈底孔鉸刀修正微量同軸度誤差。另外,通過(guò)對(duì)氣門(mén)座圈底孔和氣門(mén)導(dǎo)管孔復(fù)合擴(kuò)刀幾何角度的改進(jìn),將常規(guī)擴(kuò)刀變?yōu)橥繉佑操|(zhì)合金復(fù)合鏜擴(kuò)刀、鏜鉸刀,也取得了很好的效果。

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

▲圖1 氣門(mén)座圈和氣門(mén)導(dǎo)管孔加工▲圖2 氣門(mén)座圈和氣門(mén)導(dǎo)管孔實(shí)物▲圖3 MAPAL復(fù)合鏜鉸刀

為保證氣門(mén)座圈和氣門(mén)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(mén)座圈工作錐面。加工氣門(mén)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(jìn)給速度進(jìn)給，對(duì)氣門(mén)導(dǎo)管孔進(jìn)行加工。當(dāng)氣門(mén)導(dǎo)管孔加工完畢后,恢復(fù)到加速進(jìn)給之前的轉(zhuǎn)速,鉸刀自動(dòng)退回到起始位置。

目前,加工氣門(mén)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(diǎn)是在錐面上會(huì)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(mén)座圈材料,也會(huì)影響加工方式的選擇。一般，當(dāng)氣門(mén)座圈洛氏硬度(HRC)在40以上時(shí),由于硬度較高,因此只能采用鏜削錐面；當(dāng)氣門(mén)座圈洛氏硬度(HRC)低于40時(shí),既可采用鏜削錐面,也可采用锪削錐面。

氣門(mén)導(dǎo)管孔一般采用單刃鉸刀，即槍鉸刀進(jìn)行加工。這種刀具設(shè)有兩個(gè)導(dǎo)向條,在切削過(guò)程中可起導(dǎo)向作用,對(duì)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(gè)導(dǎo)向條。在槍鏜刀切入工件后,其中一個(gè)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(mén)座圈和氣門(mén)導(dǎo)管孔的加工分別采用粗、精兩把刀具。粗加工刀具進(jìn)行粗鉸氣門(mén)導(dǎo)管孔和粗锪氣門(mén)座圈倒角,在氣門(mén)導(dǎo)管孔上鉸出一個(gè)淺孔,作為后道精加工的導(dǎo)向孔。在粗锪氣門(mén)座圈倒角時(shí),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(mén)導(dǎo)管孔,再精锪氣門(mén)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(dòng)小、裝夾迅速等特點(diǎn),用電磁圈加熱刀柄的熱脹夾緊部位僅需5～10 s。

氣門(mén)座圈和氣門(mén)導(dǎo)管孔的加工刀具刀體上僅有三個(gè)刀片夾緊螺釘和三個(gè)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(gè)整體,刀片的壓緊通過(guò)位于壓緊塊與刀體槽間的夾緊螺釘來(lái)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(guò)刀片后端的軸向調(diào)整螺釘來(lái)完成,以補(bǔ)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(guò)的刀片座和刀片來(lái)保證加工精度。鉸刀軸向尺寸的調(diào)整也十分簡(jiǎn)便,在刀柄的內(nèi)部、鉸刀的底部有一個(gè)軸向調(diào)整螺釘,通過(guò)一個(gè)與調(diào)整螺釘相匹配的扳手式標(biāo)準(zhǔn)塊來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié),可在調(diào)整的同時(shí)進(jìn)行對(duì)刀,整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程僅需5 min。

由于氣門(mén)座圈與氣門(mén)導(dǎo)管孔的連接部分是形狀非常復(fù)雜的氣道,因此當(dāng)采用常規(guī)的由后向前冷卻方式時(shí),冷卻液會(huì)將加工時(shí)產(chǎn)生的切屑沖進(jìn)氣道,殘留在氣道內(nèi)的切屑將嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量和性能。對(duì)此,采用從刀片的前端沖向刀尖的冷卻液流向設(shè)計(jì),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(shí)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(zhǎng)度較長(zhǎng),加工難度大。如果五個(gè)同軸的凸輪軸孔從兩側(cè)加工,加工時(shí),機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)需帶工件回轉(zhuǎn)180°。由于工作臺(tái)回轉(zhuǎn)后存在誤差,無(wú)法保證凸輪軸孔的加工精度,因此只能采用如圖5所示長(zhǎng)刀桿復(fù)合鏜鉸刀,從氣缸蓋一端進(jìn)刀一次完成五個(gè)孔加工。

▲圖4 凸輪軸孔實(shí)物▲圖5 長(zhǎng)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(lái)完成。首先,在裝配凸輪軸軸承蓋之前進(jìn)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(jìn)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(jìn)行精加工。根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),進(jìn)、排氣凸輪軸孔均采用同一把刀具進(jìn)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(zhǎng)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(dòng),提高孔的形狀精度和表面質(zhì)量。通過(guò)導(dǎo)條的支撐作用,可以避免刀桿在加工過(guò)程中由于切削力的作用而產(chǎn)生的讓刀現(xiàn)象,進(jìn)而提高加工孔的尺寸精度。通過(guò)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(duì)保證凸輪軸孔的加工質(zhì)量起到了重要作用。

7 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的機(jī)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?jī)?nèi)燃機(jī)的發(fā)展而日趨提高、完善,國(guó)外工藝水平已與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)水平同步,國(guó)內(nèi)工藝水平隨著與國(guó)際接軌和科技發(fā)展，將由落后變?yōu)橹鸩浇咏a(chǎn)品開(kāi)發(fā)水平。工藝的設(shè)計(jì)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(duì)某一關(guān)鍵部位或某一關(guān)鍵工序進(jìn)行認(rèn)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(jìn)企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的提升。筆者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的加工工藝進(jìn)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