氣缸蓋導(dǎo)管孔和閥座錐面加工技術(shù)探討

氣缸蓋導(dǎo)管孔和閥座錐面加工技術(shù)探討第1頁/共27頁1.引言

氣缸蓋是發(fā)動機(jī)的重要部件之一，它的加工精度直接影響到發(fā)動機(jī)的工作性能指標(biāo)。而閥座錐面與導(dǎo)管孔的加工是整個氣缸蓋工藝加工過程的關(guān)鍵工序，其加工精度對柴油發(fā)動機(jī)的動力和性能影響更為明顯。發(fā)動機(jī)工作時，氣門不斷的周期性開啟和關(guān)閉，在導(dǎo)管間往復(fù)運(yùn)動并反復(fù)地沖擊閥座，因此氣門、導(dǎo)管、閥座三者是發(fā)動機(jī)工作中條件最惡劣的摩擦副之一。柴油發(fā)動機(jī)由于采用壓燃的原理，壓縮比遠(yuǎn)高于汽油機(jī)，經(jīng)混合后的可燃?xì)怏w在燃燒室壓縮后進(jìn)行燃燒，使閥座承受周期性的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷沖擊

，這就要求閥座錐面有很高的密封性。否則會導(dǎo)致氣門密封不嚴(yán)，燃燒室氣密性受到破壞，排氣溫度上升，發(fā)動機(jī)功率下降。隨著當(dāng)今發(fā)動機(jī)對結(jié)構(gòu)緊湊化的要求不斷提升，氣門、導(dǎo)管與閥座附近更加不易散熱，并長期處于600°～800°的高溫狀態(tài)，如果此時氣門閥桿中心有偏移，會造成有害的熱傳導(dǎo)和氣門閥桿及導(dǎo)管孔的快速磨損，導(dǎo)致導(dǎo)管上部裝配的油封密封不良，機(jī)油消耗量增加。因此，柴油機(jī)特別是對閥座工作錐面與導(dǎo)管孔的跳動和導(dǎo)管內(nèi)孔與外圓的跳動規(guī)定了很嚴(yán)的公差。這也是當(dāng)今很多的柴油機(jī)規(guī)定氣缸蓋閥座錐面跳動要求≤0.03~0.04mm，導(dǎo)管內(nèi)孔對外圓的跳動≤0.15~0.20mm的主要原因?？梢姡y座錐面和導(dǎo)管孔的加工是氣缸蓋加工的關(guān)鍵與難點(diǎn)工序。在大批量生產(chǎn)中，要穩(wěn)定的保持這樣的公差和提高生產(chǎn)效率，除需要優(yōu)化加工工藝外，定位方式、加工方式、切削刀具結(jié)構(gòu)形式及刀具材料等均要重點(diǎn)關(guān)注?，F(xiàn)以我公司引進(jìn)的ZD30柴油發(fā)動機(jī)為例，對其氣缸蓋閥座和導(dǎo)管的加工工藝技術(shù)進(jìn)行說明。第2頁/共27頁2.ZD30氣缸蓋閥座錐面和導(dǎo)管孔的工藝要求和所用的設(shè)備簡述

2.1ZD30氣缸蓋閥座錐面和導(dǎo)管孔的技術(shù)要求2.1.1加工部位：4缸氣缸蓋閥座錐面與導(dǎo)管孔（進(jìn)、排氣各8個）；

閥座材料：粉末冶金（采用含銅、鉬的高鉻合金鑄鐵材料）,硬度為HRC30～40；氣門導(dǎo)管材料：粉末冶金，硬度為HRB50~59；采用粉末冶金材料的導(dǎo)管和閥座鑲?cè)脘X質(zhì)氣缸蓋的導(dǎo)管底孔和閥座底孔內(nèi)的工藝，并且進(jìn)、排閥座采用液氮冷凍的壓裝技術(shù)。2.1.2氣缸蓋閥座錐面和導(dǎo)管孔的精加工工藝要求和加工難點(diǎn)：如圖1。①導(dǎo)管孔：導(dǎo)管內(nèi)孔對外圓的跳動0.15mm；②閥座錐面：閥座錐面對導(dǎo)管孔的跳動0.03mm；校正線距底面尺寸:17.4±0.05(排氣),18.4±0.05(進(jìn)氣)。第3頁/共27頁2.ZD30氣缸蓋閥座錐面和導(dǎo)管孔的工藝要求和所用的設(shè)備簡述

圖1-（1）進(jìn)氣閥座錐面和導(dǎo)管孔的加工工藝要求第4頁/共27頁2.氣缸蓋閥座錐面和導(dǎo)管孔的技術(shù)要求和所用的設(shè)備簡述

圖1-（2）排氣閥座錐面和導(dǎo)管孔的加工工藝要求第5頁/共27頁2.氣缸蓋閥座錐面和導(dǎo)管孔的技術(shù)要求和所用的設(shè)備簡述

2.2幾種柴油機(jī)氣缸蓋導(dǎo)管孔和閥座錐面關(guān)鍵技術(shù)要求的對比見下表：第6頁/共27頁2.ZD30氣缸蓋閥座錐面和導(dǎo)管孔的工藝要求和所用的設(shè)備簡述

2.3ZD30氣缸蓋導(dǎo)管孔、閥座錐面及其底孔的加工工藝流程簡述：精加工閥座底孔和導(dǎo)管底孔→液氮冷凍壓閥座+常溫狀態(tài)壓導(dǎo)管→閥座錐面與導(dǎo)管孔的精加工（锪閥座錐面→精車閥座錐面→槍鉸導(dǎo)管孔）。第7頁/共27頁ZD30氣缸蓋閥座錐面和導(dǎo)管孔的工藝要求和所用的設(shè)備簡述

2.4ZD30氣缸蓋閥座錐面和導(dǎo)管孔加工所用的設(shè)備簡述：

加工設(shè)備：引進(jìn)日本NTC公司生產(chǎn)的TRF-1143CH精加工柔性專機(jī)線；

加工條件：高壓內(nèi)冷卻濕式切削，切削液采用水質(zhì)切削液，單機(jī)獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)；如下圖2所示。第8頁/共27頁2.ZD30氣缸蓋閥座錐面和導(dǎo)管孔的工藝要求和所用的設(shè)備簡述

圖2第9頁/共27頁2.ZD30氣缸蓋閥座錐面和導(dǎo)管孔的工藝要求和所用的設(shè)備簡述

2.5設(shè)備的特點(diǎn)：2.5.1加工效率高，適用于大批量生產(chǎn)。經(jīng)計(jì)算，采用本專機(jī)的節(jié)拍為3.16分鐘/件，而采用臥式加工中心為5.44分鐘/件。大大節(jié)約了加工時間。2.5.2該專機(jī)可用采用槍鉸導(dǎo)管孔、锪車閥座錐面的方式，而采用臥式專用加工中心，必須選擇MAPAL專用刀具的來實(shí)現(xiàn)槍鉸導(dǎo)管孔、锪閥座錐面的方式。相比而言，對大批量生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定性加工中心有劣勢，單件刀具成本高。2.5.3該專機(jī)采用的為固定式的夾具方式。而一般的通用類臥式加工中心采用附帶A軸轉(zhuǎn)臺的活動式夾具方式，工序質(zhì)量穩(wěn)定性較差。2.5.4設(shè)備具有品質(zhì)管理功能、專門的品質(zhì)檢查工位、刀具管理功能等方式。臥式加工中心僅有其刀具管理功能中的部分功能。2.5.5其4ST\5ST采用FANUC18i的數(shù)控系統(tǒng)，結(jié)合多個伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)槍鉸轉(zhuǎn)速、锪車閥座錐面的轉(zhuǎn)速，多個進(jìn)給速度的可調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)調(diào)整和修改簡單。2.3.6該專機(jī)采用獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)，槍鉸導(dǎo)管孔的加工對系統(tǒng)的流量、壓力、過濾精度、不同種類切屑的分離的獨(dú)特要求得到很好的實(shí)現(xiàn)。并且槍鉸加工對切削液濃度的特殊要求易實(shí)施第10頁/共27頁3.閥座錐面、導(dǎo)管孔關(guān)鍵技術(shù)要求的加工工藝保證方式在現(xiàn)代發(fā)動機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的今天，要求閥座耐磨性更高、錐面密封性更好。越來越多的高耐磨性、硬度在HRC40以上高硬度的新型粉末冶金閥座材料被應(yīng)用在發(fā)動機(jī)上，因此對該部位的加工技術(shù)研究是非常必要的。

為保證閥座工作錐面對導(dǎo)管孔的跳動、閥座錐面表面粗糙度、導(dǎo)管的直線度以及對其外圓的跳動，減少工序成本、提高生產(chǎn)效率，需要從閥座與導(dǎo)管孔底孔的加工、氣缸蓋在閥座錐面與導(dǎo)管孔加工時的定位方式、專用復(fù)合刀具的運(yùn)用、刀具材料的選擇等影響因素進(jìn)行分析和控制，才能確保氣缸蓋成品的工藝要求?，F(xiàn)以ZD30氣缸蓋加工方案為例說明如下：第11頁/共27頁3.閥座錐面、導(dǎo)管孔關(guān)鍵技術(shù)要求的加工工藝保證方式3.1、閥座與導(dǎo)管孔底孔的加工閥座和導(dǎo)管孔的底孔精度是直接影響閥座錐面和導(dǎo)管孔終加工精度的重要因素。因?yàn)殚y座底孔的跳動誤差（一般≤0.10mm）會造成閥座和導(dǎo)管孔精加工余量的分配不均，從而影響到其加工精度。為保證閥座和導(dǎo)管孔底孔的跳動公差，閥座與導(dǎo)管孔底孔精加工采用“一面兩孔”的加工定位方式，工藝方案采用臥式加工中心+專用復(fù)合鏜鉸刀來進(jìn)行加工。并且加工時采用RENESHAW測頭在線測量+數(shù)控程序反饋+光柵尺的方式，使得在底孔精加工完成后，閥座和導(dǎo)管孔終加工定位所用的每兩個導(dǎo)管底孔的中心距尺寸精度保證在213±0.035mm以內(nèi)，并且4個導(dǎo)管底孔至定位銷孔的距離尺寸精度保證在≤±0.10mm，以保證導(dǎo)管和閥座裝配后進(jìn)行精加工時余量均勻，確保導(dǎo)管孔內(nèi)孔對外圓的跳動≤0.15mm。見圖3。第12頁/共27頁3.閥座錐面、導(dǎo)管孔關(guān)鍵技術(shù)要求的加工工藝保證方式圖3第13頁/共27頁3.閥座錐面、導(dǎo)管孔關(guān)鍵技術(shù)要求的加工工藝保證方式3.2、加工閥座錐面、導(dǎo)管孔時的定位方式和基準(zhǔn)選擇及定位誤差分析

3.2.1、定位方式和基準(zhǔn)選擇閥座錐面、導(dǎo)管孔在進(jìn)行精加工時，工件的定位方式對導(dǎo)管孔內(nèi)孔對外圓的跳動、錐面對導(dǎo)管孔的跳動這兩項(xiàng)關(guān)鍵加工精度以及加工效率影響很大。加工閥座錐面與導(dǎo)管孔常見的有兩種定位方式：一種是以底面和每一個導(dǎo)管外圓表面定位，使閥座錐面和導(dǎo)管孔縱向軸線與機(jī)床主軸軸線相重合，這樣可使加工余量均勻，并能保證導(dǎo)管內(nèi)孔與外圓的跳動和錐面對導(dǎo)管孔的跳動，加工精度高。但是，這種定位方式在一個工位上一次只能加工一個閥座與一個導(dǎo)管孔，需要多次定位才能完成一個多氣門氣缸蓋的加工，生產(chǎn)率低，設(shè)備的占地尺寸大，只適用與小批量、多品種加工。因此，大批量生產(chǎn)時，采用一面（底面）兩銷（工藝銷孔）定位，作為整條氣缸蓋加工線的統(tǒng)一基準(zhǔn)，一次定位可以完成一個氣缸蓋全部閥座與導(dǎo)管孔的加工，效率較高。但這種方式有一個缺點(diǎn)：由于存在閥座及導(dǎo)管孔到工藝銷孔的位置精度誤差，使加工余量不均勻，造成加工導(dǎo)管孔所用的槍鉸刀容易鉸偏，直線度差，影響導(dǎo)管內(nèi)孔與其外圓的跳動以及閥座錐面對導(dǎo)管孔的跳動。這就要求前面工序加工的閥座和導(dǎo)管底孔距定位銷孔的尺寸與閥座和導(dǎo)管孔距定位銷孔的尺寸盡可能一致，以減少定位重合誤差，使導(dǎo)管孔加工余量均勻，來保證加工精度要求。我公司引進(jìn)的ZD30氣缸蓋根據(jù)自身閥座錐面和導(dǎo)管孔加工工藝技術(shù)要求和大批量生產(chǎn)綱領(lǐng)的特點(diǎn)，設(shè)備采用進(jìn)氣和排氣各一個臥式加工工位單元的排布形式，該專機(jī)線所采用的定位方法綜合了上述兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，即采用一面（底面）和兩孔外圓（導(dǎo)管孔外圓）定位，一次加工兩個導(dǎo)管孔（即被定位的那兩個導(dǎo)管孔）和閥座錐面，每1個加工工位單元累計(jì)加工4次的方式，分別完成進(jìn)氣和排氣各8個導(dǎo)管孔和閥座錐面的加工。既保證了導(dǎo)管內(nèi)孔與其外圓的跳動又兼顧了生產(chǎn)效率，既保證了閥座錐面對導(dǎo)管孔的跳動又降低了前面工序加工的閥座和導(dǎo)管底孔對定位銷孔的位置尺寸精度要求。見圖4和圖5。第14頁/共27頁3.閥座錐面、導(dǎo)管孔關(guān)鍵技術(shù)要求的加工工藝保證方式圖4第15頁/共27頁3.閥座錐面、導(dǎo)管孔關(guān)鍵技術(shù)要求的加工工藝保證方式圖5第16頁/共27頁3.閥座錐面、導(dǎo)管孔關(guān)鍵技術(shù)要求的加工工藝保證方式3.2.2、定位誤差對導(dǎo)管孔內(nèi)孔對外圓的跳動量影響分析：定位誤差分析詳見圖6。由該圖可知，每次定位采用的兩個導(dǎo)管孔外圓，使加工導(dǎo)管孔時與定位銷孔無關(guān)聯(lián)，避免了導(dǎo)管底孔距定位銷孔的尺寸變化帶來的波動。具體計(jì)算為：3.2.2.1圓形定位套定位導(dǎo)管外圓部位定位誤差分析：（導(dǎo)管外圓和定位套最大間隙）0.021+（導(dǎo)管加工時的設(shè)備誤差）0.05=0.071（圓形定位套所加工的導(dǎo)管內(nèi)孔對外圓的跳動）3.2.2.2橢圓形定位套定位導(dǎo)管外圓部位定位誤差分析：（導(dǎo)管外圓和定位套最大間隙）0.021+（導(dǎo)管加工時的設(shè)備誤差）0.05+A≤0.15（橢圓形定位套所加工的導(dǎo)管內(nèi)孔對外圓的跳動）得到：A≤0.079（即±0.039）另：B2=0.079/22-0.021/22,得到B=0.038，即A=±B=±0.038圖6最終考慮綜合因素，取A=±0.035，這就是閥座和導(dǎo)管孔終加工定位所用的每兩個導(dǎo)管底孔的中心距尺寸精度保證在213±0.035mm以內(nèi)主要原因。第17頁/共27頁3.閥座錐面、導(dǎo)管孔關(guān)鍵技術(shù)要求的加工工藝保證方式圖6第18頁/共27頁3.閥座錐面、導(dǎo)管孔關(guān)鍵技術(shù)要求的加工工藝保證方式專用復(fù)合刀具及其加工示意圖，如圖6。圖7第19頁/共27頁3.閥座錐面、導(dǎo)管孔關(guān)鍵技術(shù)要求的加工工藝保證方式采用專用復(fù)合刀具的鏜頭結(jié)構(gòu)，在TRF-1143CH精加工柔性專機(jī)上可實(shí)現(xiàn)同時完成閥座錐面與導(dǎo)管孔的高速加工，閥座錐面采用車削方式可以避免锪削錐面工藝出現(xiàn)的一些缺陷，能有效地保證閥座錐面對導(dǎo)管孔的跳動、閥座錐面粗糙度、減少工序、提高生產(chǎn)效率等。專用復(fù)合刀具的加工順序?yàn)椋▓D6所示）：加工開始前，分別推動滑板和槍鉸刀運(yùn)動的兩個推桿位于起始位置，使錐面車刀和槍鉸刀都處在加工的初始狀態(tài)。加工開始時，工作臺進(jìn)給，固定安裝的閥座錐面锪刀首先锪閥座錐面，留0.15mm加工余量；接著工作臺后退0.5mm，使锪刀片脫離已加工面，并使裝在傾斜滑塊上的車刀處于待加工位置，此時通過推動外推桿使滑塊由外往里運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)車刀延閥座錐面的進(jìn)給，對閥座工作錐面進(jìn)行高速精車，切削量為0.1mm，車閥座錐面完成后的同時內(nèi)推桿推動鉸刀實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管孔的槍鉸加工，然后槍鉸刀退回，完成閥座錐面與導(dǎo)管孔的加工。

需要注意的是，專用復(fù)合刀具必須保證高速旋轉(zhuǎn)時的平衡量，最大不平衡量為2g.mm/KG。因高速旋轉(zhuǎn)的刀具存在的不平衡量所產(chǎn)生的離心力將對主軸軸承、機(jī)床部件等施加周期性載荷，從而引起振動，這將對主軸軸承、刀具壽命和加工質(zhì)量造成不利影響。因此，對于這種專用刀具必須配置平衡塊，使用前要在平衡機(jī)上做動平衡試驗(yàn)，根據(jù)測出的不平衡量采用刀柄去重或調(diào)節(jié)配重的方法保證其平衡。該專用組合刀具集眾多優(yōu)點(diǎn)于一身，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

精度高、徑向跳動小、同軸度高。第20頁/共27頁3.閥座錐面、導(dǎo)管孔關(guān)鍵技術(shù)要求的加工工藝保證方式3.4、刀具結(jié)構(gòu)形式和材料的選擇3.4.1閥座錐面刀具結(jié)構(gòu)形式和材料的選擇閥座硬度為HRC30～40，如使用較便宜的涂層硬質(zhì)合金刀片加工容易出現(xiàn)以下問題：①刀片容易磨損，一般只能加工250個孔左右，成本過高；②閥座錐面表面粗糙度差，錐面密封帶不連續(xù)，對導(dǎo)管孔的跳動大；③刀片承受的切削線速度、進(jìn)給率低，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。為提高加工精度、實(shí)現(xiàn)高速切削以提高生產(chǎn)效率，綜合對比各種刀具材料的優(yōu)點(diǎn)，采用性能優(yōu)越的立方氮化硼(CBN)刀具進(jìn)行閥座錐面的加工取得良好的加工效果。立方氮化硼(CBN)是70年代出現(xiàn)的超硬刀具材料。作為刀具的CBN一般作成聚晶復(fù)合片，其硬度僅次于人造聚晶金剛石，熱硬度和熱穩(wěn)定性卻比金剛石高很多，CBN在1300℃時仍能保持其硬度

。且這種材料不與鐵質(zhì)金屬發(fā)生化學(xué)作用，作為金屬切削刀具的重要材料越來越廣泛地應(yīng)用于鋼和鑄鐵的加工。CBN刀具的耐用度比硬質(zhì)合金或陶瓷刀具高十幾倍到幾十倍，切削速度可提高3-5倍，加工粗糙度可達(dá)到Ra0.1μm，可代替磨削進(jìn)行高精度加工。由于刀具耐用度高，加工零件的尺寸精度可以得到很好的保證。同時，通過提高切削速度和進(jìn)給率，實(shí)現(xiàn)以車代磨（研磨）等方式使生產(chǎn)效率成倍提高，加工一件氣缸蓋的節(jié)拍由180秒降低至120秒，刀具壽命為涂層硬質(zhì)合金刀片的20倍，大大降低了生產(chǎn)成本。為此此次選用CBN刀具作為硬質(zhì)閥座材料的加工是理想的刀具材料選擇之一。并且本次在閥座錐面锪刀的結(jié)構(gòu)上大膽采用機(jī)夾CBN刀片的結(jié)構(gòu)，降低了單件制造成本。第21頁/共27頁3.閥座錐面、導(dǎo)管孔關(guān)鍵技術(shù)要求的加工工藝保證方式3.4.2導(dǎo)管孔刀具結(jié)構(gòu)形式和材料的選擇由于氣門導(dǎo)管孔材料為粉末冶金，使用硬質(zhì)合金材料槍鉸刀刀具足以滿足高速切削及加工精度要求。但是槍鉸刀為長徑比為300/7整體細(xì)長桿的結(jié)構(gòu)，其六刃的刀具排屑槽結(jié)構(gòu)減弱了自身的剛性，加工時又采用較高的轉(zhuǎn)速，因此其桿部的材料選取更需要注意剛性不足的問題。

下表為采用整體硬質(zhì)合金槍鉸刀加工后的閥座錐面跳動量和采用非整體硬質(zhì)合金槍鉸刀加工后的閥座錐面跳動量對比，見下表。結(jié)果可知，采用整體硬質(zhì)合金槍鉸刀剛性好，對閥座錐面跳動的精度有提升。第22頁/共27頁4.結(jié)論

從對閥座錐面和導(dǎo)管孔精加工技術(shù)的研究中，可以找出提高其加工精度、效率的途徑如下：

4.1、確保導(dǎo)管底孔和閥座底孔的加工精度，提高導(dǎo)管孔、閥座錐面的制造品質(zhì)。

4.2、通過選取合適的加工定位方法，尤其是采用鋁合金材質(zhì)的氣缸蓋，建議閥座錐面和導(dǎo)管孔加工時采用導(dǎo)管外圓定位的方式最佳，其確保證閥座與導(dǎo)管孔加工余量的均勻分布，提高導(dǎo)管、閥座錐面的跳動和導(dǎo)管內(nèi)孔對外圓的跳動量加工水平。但對于鑄鐵材質(zhì)的氣缸蓋，考慮到自身重量的較大的原因，可根據(jù)具體的技術(shù)要求進(jìn)行選擇定位方式。

4.3、閥座采用CBN刀具加工閥座材料能提高加工精度及生產(chǎn)效率；4.4、槍鉸刀的刀桿部材料的不同導(dǎo)致剛性不同，對閥座錐面對導(dǎo)管孔跳動的精度有影響。第23頁/共27頁5.結(jié)束語

隨著機(jī)床制造業(yè)的柔性化快速進(jìn)步、刀具材料和精密專用刀具的不斷發(fā)展和推廣應(yīng)用，將進(jìn)一步提高閥座和導(dǎo)管孔的加工精度、加工工藝參數(shù)、加工