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對(duì)加工中心加工氣門座圈與導(dǎo)管孔的技術(shù)探究

2019-12-6 來源：一汽轎車股份有限公司發(fā)傳中心作者：朱惠春

摘要：指出汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上的氣門座圈和導(dǎo)管孔的重要性及其機(jī)械加工精度的高要求，描述了為滿足此高精度機(jī)械加工要求所進(jìn)行的多方面工作，尤其是通過在多條缸蓋加工中心生產(chǎn)線中的實(shí)際加工與探討，找出了在工藝方案、工件定位方式以及刀具選用等方面，提高其加工精度的有效途徑。

關(guān)鍵詞：氣門座圈氣門導(dǎo)管密封面線性補(bǔ)償

1 、前言

氣門座圈和氣門導(dǎo)管孔的加工是整個(gè)氣缸蓋機(jī)械加工的關(guān)鍵技術(shù)工藝，它直接影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能與壽命。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，氣門不斷開啟和關(guān)閉，氣門、氣門導(dǎo)管與氣門座圈長(zhǎng)期處于 300 ℃-800 ℃的高溫狀態(tài)，硬質(zhì)燃燒產(chǎn)物、積碳、高溫腐蝕和零件變形，造成氣門導(dǎo)管與氣門座圈密封錐面的磨損和燒蝕，致使氣門密封不嚴(yán)，燃燒室氣密性受到破壞，排氣溫度上升，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。這就要求氣門導(dǎo)管有良好的自潤(rùn)滑性、氣門座圈密封錐面有很高的耐磨和密封性。如果氣門導(dǎo)管孔位置度超差氣門閥桿工作中心發(fā)生偏移，會(huì)導(dǎo)致有害的熱傳導(dǎo)和氣門閥桿及導(dǎo)管孔的很快磨損，還會(huì)造成耗油量的增加。

鑒于此，對(duì)氣門座圈和導(dǎo)管孔的加工精度提出了很高的要求，特別是對(duì)氣門座圈工作密封面對(duì)導(dǎo)管孔的跳動(dòng)規(guī)定了很嚴(yán)的公差。一般發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)定其跳動(dòng)≤0.05 mm，更嚴(yán)格要求其跳動(dòng)≤0.03 mm。

氣門座圈和氣門導(dǎo)管孔的產(chǎn)品要求如圖 1 所示。由圖可見，氣門座圈密封面對(duì)氣門導(dǎo)管孔的跳動(dòng)和圓度要求均較高，同時(shí)，它們也是機(jī)械加工的關(guān)鍵所在。為此，當(dāng)前在在大批量生產(chǎn)中，要滿足穩(wěn)定的產(chǎn)品要求，普遍采用在加工中心的生產(chǎn)線上加工氣門座圈與導(dǎo)管孔，并在優(yōu)化加工工藝，定位基準(zhǔn)的合理性，以及刀具的選用等方面都在進(jìn)行著不斷的探索與改進(jìn)。

圖1 氣門導(dǎo)管和氣門座圈產(chǎn)品圖

2 、對(duì)氣門座圈和氣門導(dǎo)管孔加工工藝方案的探討與改進(jìn)

為了提高機(jī)械加工的精度與穩(wěn)定性，當(dāng)前對(duì)氣門座圈密封面對(duì)氣門導(dǎo)管孔的加工的機(jī)床均采用加工中心，而加工的基本工藝，目前也都是采用專用復(fù)合刀具分粗、精兩次加工至最終尺寸，但實(shí)施的具體工藝還是值得探討的，如粗、精加工如何進(jìn)行，工件的定位方式，選用何種刀具等。

2.1 初始采用的工藝

初始采用的工藝及其加工方式是：粗加工只加工氣門座圈 2 個(gè)截面及導(dǎo)管導(dǎo)引孔，導(dǎo)管導(dǎo)引孔留 0.04-0.08 mm 余量,精加工時(shí)以導(dǎo)管導(dǎo)引孔作為導(dǎo)向加工導(dǎo)管孔和密封面至最終尺寸，如圖 2 及圖3 所示。應(yīng)用此種工藝主要應(yīng)注意的是，在導(dǎo)管孔鉸刀切削刃鉸出導(dǎo)管后再加工密封面，這樣可避免加工中的干涉，使加工相對(duì)平穩(wěn)，有利于保證密封面相對(duì)導(dǎo)管孔的跳動(dòng)要求。

圖2 導(dǎo)管導(dǎo)引孔加工示意圖

圖3 導(dǎo)管孔加工示意圖

早期加工中心的生產(chǎn)線采用的都是上述的工藝及其加工的方式。但長(zhǎng)期運(yùn)行下來，加工的穩(wěn)定性并不太好，偶爾會(huì)有跳動(dòng)超差現(xiàn)象，并出現(xiàn)靠近氣道截面 3 的刀片壽命達(dá)不到要求，頻繁折斷等缺陷。針對(duì)此缺陷，優(yōu)化了切削參數(shù)，更換刀體，降低刀具壽命。但此問題只是略有好轉(zhuǎn)，而沒有得到有效的解決。

通過對(duì)密封面的加工工藝進(jìn)行分析，如圖 4 所示，由于導(dǎo)引孔刀具去除 2 個(gè)截面余量后，直接加工密封面至最終尺寸，尚留有 0.24 mm 余量，而要加工粉末冶金材料的密封面時(shí)，一次加工就要去除這么大的余量，極有可能會(huì)對(duì)加工穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。鑒于此，通過與刀具技術(shù)人員進(jìn)行探討，并到相關(guān)廠家調(diào)研后，最終決定對(duì)原工藝進(jìn)行改進(jìn)。

圖4 初始密封面加工示意圖

2.2 改進(jìn)后的工藝

改進(jìn)后的工藝及其加工方式是：粗加工氣門座圈的3個(gè)截面和導(dǎo)管的導(dǎo)引孔，其中密封面留0.1 mm余量，導(dǎo)管導(dǎo)引孔留0.04-0.08 mm余量，精加工時(shí)鉸導(dǎo)管孔及密封面至最終尺寸。另導(dǎo)管孔加工可根據(jù)材質(zhì)及硬度要求，可做成階梯尺寸，分兩次加工至最終尺寸。改進(jìn)后的密封面加工示意圖如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后密封面加工示意圖

采用此工藝及其加工的方式進(jìn)行批量工藝驗(yàn)證后，密封面相對(duì)導(dǎo)管孔跳動(dòng)加工穩(wěn)定。此種方案已經(jīng)在我廠多條生產(chǎn)線中得到了應(yīng)用，其加工精度穩(wěn)定，刀具壽命長(zhǎng)，加工的成本也相應(yīng)降低。通過實(shí)踐驗(yàn)證，我們認(rèn)為改進(jìn)后的工藝及其加工的方式應(yīng)該是目前總結(jié)出比較成熟穩(wěn)定的工藝方案。

3 、對(duì)定位方式的探討與改進(jìn)

眾所周知，工件的定位方式對(duì)其加工精度和加工效率影響是很大的。

3.1 初始采用的定位方式

初始采用的定位方式是：用燃燒室面（底面）及兩銷孔定位，因其加工氣門錐面與定位面在一側(cè)，為了避免加工時(shí)刀具與夾具發(fā)生干涉，此時(shí)的夾具采用背部掏空結(jié)構(gòu)。底面銷孔定位，背部掏空的夾具示意圖如圖 6 所示。

圖6 背部掏空定位夾具形式

該夾具的本體較厚重，夾具夾緊采用氣動(dòng)方式，夾緊牢靠。雖然夾具的成本高，但是定位準(zhǔn)確，節(jié)省夾緊時(shí)間，有利于生產(chǎn)節(jié)拍的保證。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，我們發(fā)現(xiàn)由于夾具定位銷與氣門座圈及導(dǎo)管孔壓裝后的缸蓋變形，產(chǎn)生位置誤差，使精加工的加工余量不均勻，導(dǎo)管孔鉸刀容易鉸偏，精加工后導(dǎo)管孔的位置度易出現(xiàn)超差現(xiàn)象。特別是設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，這種超常現(xiàn)象斷續(xù)出現(xiàn)的頻率也在逐步增大。為了解決此問題，我們?cè)诔绦蛑性黾有拚€性補(bǔ)償變量，并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。在程序中增加修正線性補(bǔ)償變量，并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整后，導(dǎo)管孔的位置度的超差現(xiàn)象得到了有效的控制。由此我們認(rèn)為，如果產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段即考慮壓裝變形造成位置誤差偏置，并在圖紙各個(gè)導(dǎo)管座圈位置坐標(biāo)補(bǔ)償變形量，將會(huì)更利于保證氣門座圈和氣門導(dǎo)管孔精加工的密封面跳動(dòng)。經(jīng)過一段生產(chǎn)運(yùn)行，雖然導(dǎo)管孔的位置度的超差現(xiàn)象得到了有效的控制，但并沒有達(dá)到理想的程度。針對(duì)此問題，我們?cè)谂c國(guó)外機(jī)床廠家方案交流中，得知他們根據(jù)氣門座圈和氣門導(dǎo)管的壓裝要求，常常也應(yīng)用頂面及銷孔的定位方式，而且效果很好。鑒于此，我們對(duì)其定位方式又進(jìn)行了改進(jìn)。

3.2 改進(jìn)后定位方式

如圖 7 所示，改進(jìn)后定位方式采用頂面及兩銷孔定位，用測(cè)頭探測(cè)燃燒室面（底面）及兩銷孔作為加工基準(zhǔn)，修正加工原點(diǎn)，一次裝夾加工所有進(jìn)排氣門座圈及導(dǎo)管孔。

圖7 頂面及兩銷孔定位夾具形式

經(jīng)過生產(chǎn)線驗(yàn)證，此種定位方式加工夾具簡(jiǎn)單，剛性好，加工刀具刀桿懸伸減小，加工時(shí)更利于減小刀具本體的跳動(dòng)，更利于保證氣門導(dǎo)管對(duì)氣門座圈的跳動(dòng)要求，并且可忽略導(dǎo)管及座圈壓裝后產(chǎn)生變形對(duì)加工位置度的影響。通過兩條生產(chǎn)線比較（分別采用改進(jìn)前、后兩種定位方式），在常溫壓裝導(dǎo)管和座圈的條件下，采用探頭探測(cè)的定位夾緊方式更易保證氣門座圈密封面相對(duì)導(dǎo)管孔跳動(dòng)。

4 、刀具的選用

4.1 復(fù)合刀具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

氣門座圈和氣門導(dǎo)管孔加工尺寸精度要求高，材料一般為鐵基粉末冶金，加工特點(diǎn)是硬度高，加工難度大。如圖8和圖9所示，一般生產(chǎn)線選用SECO或MAPAL復(fù)合刀具，目前選用刀具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：a.采用整體刀柄，在同一刀體上安裝加工座圈密封面的刀片及加工導(dǎo)管孔的鉸刀；b.加工導(dǎo)管孔鉸刀采用整體硬質(zhì)合金刀桿上焊接 PCD 刀片或可換 PCD 刀片，整體剛性好，跳動(dòng)小于 5μ，無需預(yù)調(diào)，壽命長(zhǎng)，質(zhì)量穩(wěn)定；c.密封面加工時(shí)，采用 2 個(gè)刀片同時(shí)切削，保證切削過程平穩(wěn)，保證加工圓度和粗糙度。刀片采用4刃CBN貼面，所有刀片高度可調(diào)，調(diào)整方便。

4.2 鉸刀的選用

4.2.1 鉸刀刀片的選用

加工導(dǎo)管孔的鉸刀一般選用整體焊接刀片式鉸刀和可換刀片式鉸刀[1]。采用可換刀片式鉸刀最初想法是由于刀片可換，調(diào)整方便，成本低。但實(shí)際加工中，出現(xiàn)很多問題。由于導(dǎo)管材料為粉末冶金，硬度高，刀片經(jīng)常出現(xiàn)加工壽命達(dá)不到，甚至只加工 20-30 件就出現(xiàn)直徑小，刀片松動(dòng)等現(xiàn)象。經(jīng)過改進(jìn)，換成整體焊接刀片，加工尺寸穩(wěn)定，其壽命

可提高10-20倍，并且最多可修磨5次，成本低。

圖8 復(fù)合短鉸刀

圖9 復(fù)合長(zhǎng)鉸刀

4.2.2 鉸刀頭部刃口的選用

鉸刀頭部刃口一般選用單刃或多刃形式。為了提高加工效率，常常采用多刃鉸刀[1]。但實(shí)際加工中，多刃鉸刀會(huì)造成密封面相對(duì)導(dǎo)管孔跳動(dòng)經(jīng)常超差。其原因是采用背部掏空夾具，壓裝后導(dǎo)管位置度變化了，而多刃鉸刀的特點(diǎn)是更利于保證孔的尺寸精度。改進(jìn)后采用單刃 PCD 帶導(dǎo)條的鉸刀，實(shí)踐證明，單刃帶導(dǎo)條支撐的鉸刀更利于修正孔的位置，加工更穩(wěn)定。但導(dǎo)管孔精鉸刀加工時(shí)易出現(xiàn)精鉸導(dǎo)管孔內(nèi)壁有劃痕現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)鉸刀桿上加工幾十件后粘有黑的粉末狀屑，冷卻孔里有碎屑。為了解決此問題，在加工程序上增加導(dǎo)管鉸刀加工完成后進(jìn)行 2s 的停留，斷屑。但仍有切屑冷卻液進(jìn)入鉸刀冷卻孔里，堵塞冷卻通道。我們?cè)跈C(jī)床增加磁輥過濾，大大減少機(jī)床對(duì)切削的過濾效果，并在鉸刀桿上打了兩個(gè)內(nèi)冷孔，利于沖屑，加工后導(dǎo)管孔內(nèi)壁光滑，明顯改善了導(dǎo)管孔的加工質(zhì)量及加工尺寸精度。

4.3 刀柄的選用

對(duì)于氣門座圈和氣門導(dǎo)管孔這種復(fù)雜加工部位，特別是加工中心加工方式對(duì)刀具刀柄的要求也很高。氣缸蓋加工中心生產(chǎn)線 COMAU、MAG、GROB、Heller 等加工中心主軸刀柄形式是 HSK63A，采用刀柄與刀桿連接處加調(diào)整螺母來消除主軸的徑向跳動(dòng)，特別是 HSK 形式刀柄采用錐面、端面兩面同時(shí)定位，錐體長(zhǎng)度較短有利于實(shí)現(xiàn)換刀及高速化。

經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐，加工中心生產(chǎn)線使用的刀柄不選用熱脹刀具，因?qū)Ч芸足q刀加工壽命幾百件，在生產(chǎn)中需頻繁更換，安裝及拆卸此鉸刀多次后會(huì)造成刀體本身與鉸刀同軸度超差，最終造成導(dǎo)管孔與座圈密封面跳動(dòng)超差，影響密封面加工質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至造成導(dǎo)管孔直徑超差。刀體裝鉸刀處采用快換結(jié)構(gòu)或拉釘結(jié)構(gòu)，減少了多次裝刀造成的刀柄本身變形，而且調(diào)節(jié)方便。

5 、結(jié)語

對(duì)多條氣缸蓋加工中心生產(chǎn)線加工氣門座圈和導(dǎo)管孔實(shí)踐中,從工藝方案驗(yàn)證、工件定位方式選擇及刀具的選用等方面，我們總結(jié)出提高其加工精度的有效途徑主要如下:a.減少密封面加工余量的加工工藝方案，可提高氣門座圈和導(dǎo)管孔密封面圓度和跳動(dòng)要求，使加工質(zhì)量穩(wěn)定，有效減少 20%不必要的廢品。b.采用“頂面一面兩銷+探頭探測(cè)”的定位方式，不僅避免壓裝變形，更利于提高 10%生產(chǎn)效率。c.專用合理的整體焊接單刃復(fù)合刀具，使加工精度更穩(wěn)定，刀具成本降低 20%，降低換刀頻次50%。

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