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摘要

    气缸盖是发动机的核心部件。从功能的角度介绍了气缸盖及各部件的重要性, 介绍了气缸盖的材料和加工过程, 总结其加工工艺特点及存在的加工难点。结合现场实际加工情况, 做出科学合理的选择, 灵活合理地安排加工工艺流程。
    气缸盖主要具有四种功能。一是气缸盖与缸体装配后, 与活塞顶部共同形成燃烧室, 燃油混合气体在燃烧室内点燃燃烧, 产生推力, 推动活塞上下的运动, 为汽车提供动力;二是气缸盖是发动机配气机构、进排气歧管、进出水管、链条罩盖等部件的装配基座;三是气缸盖内铸造有冷却水套, 冷却水循环通过缸盖和缸体水套, 对发动机冷却降温, 防止缸盖及缸体的形变扭曲, 保证其性能;四是缸盖内设计有油道, 机油通过油道为各运动部件提供润滑机油, 同时为可变气门正时 (Variable Valve Timing, VVT) 机构提供驱动力。基于此, 本文探讨了发动机缸盖的加工工艺。

一、气缸盖材料简述

    气缸盖承受着高温高压的作用, 同时由于与高温气体接触而承受很高的热负荷。为了保证气缸盖的良好密封, 气缸盖既不能损坏, 也不能变形。为此, 气缸盖必须具有足够的强度和刚度。发动机气缸盖材料通常是铝合金、灰铸铁和蠕墨铸件。汽油发动机通常使用铝合金, 柴油发动机一般使用灰铸铁或蠕墨铸铁。铝合金导热性好, 有利于提高发动机的压缩比。另外, 铝合金铸造性能优异, 适于浇铸结构复杂的零件。下面针对铝合金气缸盖加工工艺进行介绍分析。

二、生产线工艺与设备概述

    在现代加工工艺中, 加工中心组成的柔性加工系统得到广泛的应用, 而之前的专用设备生产线已逐渐被淘汰。柔性生产线可适用于多型号的产品, 也方便产品的换型及后期改造, 从而减少投入及改造成本。从成本及加工工艺的角度出发, 立式加工中心 (多采用BT40直联主轴) 与卧式加工中心 (多采用HSK63电主轴) 组合的柔性生产系统是一种更具成本效益的解决方案, 同专用的打标、压装、清洗以及测漏设备组成气缸盖生产线。气缸盖各面孔系、下表面的半精加工可采用立式加工中心完成。卧式加工中心加工产品高精度要求内容, 包括下表面的精加工、进排气导管座圈孔和凸轮轴承孔。在生产线的整体布局中, 常采用“一”或“U”型生产线。设计过程中必须严格认真考虑最短的物流、最快的人机工程学、操作员的人体工程学、生产线周期的平衡以及投资和产出的综合成本。

三、铝合金气缸盖加工工艺的分析及难点

1.气缸盖重要加工内容的介绍

    因气缸盖功能的多样性及重要性, 其设计结构是发动机中最复杂的部件, 也是加工精度要求最高的部件。气缸盖的加工精度对发动机的整体性能和可靠性有着直接的影响。气缸盖内的关键加工部位是导管座圈安装孔、导管座圈孔、进排气挺杆孔、进排气凸轮轴孔以及VVT阀安装孔 (部分VVT阀安装孔设计在气缸盖罩上) 。以上的加工内容的质量需严格进行控制。

2.气缸盖平面的加工工艺

    气缸盖的上下表面和进排气面都是密封安装面, 平面的平面度、平行度及表面粗糙度等精度要求较高, 是整个加工过程的基础。因此, 要求机床具有较高的几何精度和刀具调整精度。现在PCD金刚石刀具已被广泛地应用到铝合金的加工中, PCD刀片可很好地保证加工面的精度, 平面度可保证在0.04以内, 粗糙度可达到Ra1.2以内 (部分表面有网纹粗糙度区间要求, 需调高部分刀片, 通过调整转速及进给加工参数实现, 保证其粗糙度在要求的范围内) , 其加工效率及刀具寿命至少比硬质合金刀具提高50%。目前, 加工气缸盖各平面多采用可转位PCD面铣刀, 常采用75°主偏角刀片, 并根据加工要求安装不同数量的修光刃。进排气面因其结构常采用小直径的面铣刀, 分粗精加工两道工序。上下端面有很高的精度要求, 精加工时多采用大直径的面铣刀 (Ф220面铣刀) 一刀完成加工, 可保证面的精度要求。

3.气缸盖挺杆孔、导管座圈安装孔的加工工艺

    气缸盖的导管座圈安装孔、挺杆孔和凸轮轴孔相互关系十分密切。在加工过程中, 必须严格控制表面粗糙度、尺寸精度和位置精度。如果座圈导孔底孔、挺杆孔的尺寸精度不稳定, 将导致导管座圈的压装出现异常, 并导致气门导管与气缸盖的配合受到严重影响, 影响发动机的可靠性。
    气缸盖座圈安装孔和导管安装孔有很高的同轴度、直径、圆柱度要求, 导管底孔需采用硬质合金钻头预加工, 此处需注重刀具的排屑;再采用PCD刀具完成导管座圈的粗加工。座圈导管底孔的精加工是一个难点, 座圈底孔和导管底孔刀具需为一体式刀具, 刀具为4刃玛帕PCD铰刀, 在刀具修磨时需一次上机完成修磨, 保证刀具的精度。精加工刀具需采用法兰盘结构, 将刀具安装至机床主轴内, 刀具的跳动需通过法兰机构调整至3μm以内。需根据刀具加工情况给予加工参数, 一般座圈底孔切削速度设定为300~450m/min, 导管底孔的切削速度设定为150~220m/min。粗加工前端加工引导孔, 以保证精加工刀具的加工精度。加工此孔前需确认机床主轴的跳动、直线度, 4轴转台精度及切削液浓度等, 这些都会影响导管座圈孔的加工。
    挺杆孔是用来安装挺杆驱动气门上下动作, 完成四冲程过程的吸气和排气。一般工艺安排挺杆孔与导管座圈底孔在同一道工序完成加工。为保证此孔的加工精度, 常采用导条铰刀和四刃铰刀加工, 现多常采用4刃铰刀加工, 既可保证孔的精度, 又可提高加工效率, 降低加工成本。因为挺杆孔与导管孔有同轴度要求, 需确认机床4轴转台的精度。

4.气缸盖导管座圈孔的加工工艺

    导管和座圈具有严格的密封和匹配要求, 对圆度、同心度和跳动有严格的要求。除此以外, 还需控制座圈的加工深度, 并需控制90°密封面的宽度 (1.0~1.4mm) , 因其会直接影响发动机的性能。进排气门导管和座圈均为铁基粉末冶金材料, 座圈部位尺寸较大 (Ф28, Ф31粗糙度Ra1.6) , 导管孔径很小 (Ф5 H7, 圆柱度0.007, 粗糙度Ra0.8) , 要保证其孔径、圆柱度及座圈对导管的跳动 (0.025) 要求, 需安排合理的加工工艺。由于座圈和导管的硬度和材料成分不同, 刀片需采用不同材质, 座圈硬度较高 (66~76HRA) , 采用CBN刀片加工;导管的硬度 (60~90HRB) 相对低一些, 采用PCD刀片加工。加工此孔采用卧式加工中心, 分粗精加工两道工序, 第一道工序采用玛帕复合短刀具在导管上镗出一预加工孔作为精加工的导向孔, 座圈部位加工出30°、90°、140°三个锥面, 并在90°锥面留0.2mm的精加工余量, 主要目的是利用短刀具较好的刚性实现导向孔与座圈孔的同轴。第二道工序采用玛帕刀具独特的导管座圈刀具, 导管加工刀具为单刃带导条PCD镗刀, 刀杆材质为硬质合金, 沿预孔方向精镗出导管孔;精加工座圈刀只有90°锥面的刀片, 可通过调节螺钉调整刀片的高度, 以达到可调整座圈加工深度的目的, 并最终将座圈全部切出, 完成整个导管座圈的加工。

5.气缸盖凸轮轴孔的加工

    凸轮轴孔是气缸盖最长的孔, 长径比达20, 无法采用常规的镗刀和铰刀完成加工。如果采用转台回转自两端加工, 无法消除转台的旋转定位误差及机床的定位误差。这就需要一种特殊的加工工艺, 目前加工此孔多采用玛帕的导条镗刀 (或与玛帕刀具结构类似) 加工此孔。
    采用两把刀具完成此孔的加工, 两把刀具均采用法兰盘结构, 刀具在加工前需在机床调整刀具的跳动在3μm以内。刀具需在玛帕专用凸轮轴承孔调刀机构上调整精镗刀片, 镗刀片的背锥一般调整为5~12μm, overhang一般为2~8μm, 具体需要根据刀具的加工情况进行调整。第一把刀具为引导的导条镗刀, 此刀具比较短, 刚性好。刀具前端为两片可换PCD粗镗刀片, 采用螺钉锁紧, 后端为可调的PCD精加工刀片, 刀具前端安装有三个PCD导条, 以保证孔加工的圆度, 后端为4个硬质合金导条, 以起到对刀具的支撑作用。引导刀具完成第1档 (直径Ф34.5H7, 圆柱度0.01) 的粗加工和第2档 (直径Ф23H7, 圆柱度0.01) 的精加工。第2把刀具结构与第一把刀具结构类似, 但是刀具长度更长, 通常四缸机的凸轮轴承孔精加工刀具长度为420mm左右。采用第一把刀具加工的第2孔作为支撑孔 (支撑孔一般比第二把刀具直径大5μm) , 粗精加工第3、4、5档孔, 精加工第1档孔, 从而完成凸轮轴孔的加工。加工中需保证冷却液充分覆盖, 切削浓度一般控制在8%以上, 切削液会在导条与凸轮轴孔间形成一层油膜, 对刀体起到支撑作用, 并避免导条不划伤孔壁。

四、结语

    本文通过分析气缸盖功能及其装配零部件关系, 明确了气缸盖加工工艺的关键加工部位。这有助于人们在现场加工过程中把握关键, 合理地选择设计加工刀具及机床, 灵活地编排加工工艺。笔者分享了通过现场加工获得的经验, 为现场加工中解决问题及工艺改进提供了思路。

作者：江文涛  赵凤辉  来源：现代制造技术与装备 
 

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