加工中心缸盖阀座导管的加工技术分析.pdf

主题 汽车翻造技术 I I o p lc s ． AU t O Ma I u t a c t In g 1 e c h n o lo y。 加工中心缸盖阀座导管的加工技术分析 马 小娟 一汽海马动力有限公司， 海南 海 口5 7 0 2 1 6 摘要 结合本公司生产的发动机缸盖所用刀具， 介绍了目前缸盖阀座导管孔 系的加工技术， 分析 了刀具的 结构及设计风险 。 并通过大量工艺试验及批量生产进行了验证。 关键词 阀座导管机械加工跳动 中图分类号 T G 6 5 9 文献标识码 B Th e t e c h n o l o g y a n a l y s i s o f ma c h i n i n g c y l i n d e r h e a d g u i d e s e a t o f NC ma c h i n e c e n t e r MA X i a o j u a n F a w Ha i m a E n g i n e C o ． ， L t d ． ， H a i k o u 5 7 0 2 1 6 ， C H N Ab s t r ac tRe f e r r i n g t o t h e p r o d uc t o f o u r c o mpa n y，t h i s pa p e r i n t r o d u c e s t h e t e c h no l o g y o f ma c h i ni n g g u i d e s e a t b y us i n g ma c h i n i n g c e n t e r a n d ma k i n g a n a l y s i s o n t h e t o o l s t r u c t u r e，po i n t s o u t t h e f o c u s p o i n t i n t he d e s i g n s t a g e，me a n wh i l e ma k e s ma n y p r o c e s s t e s t s a n d v o l u me p r o d u c t i o n t o s u p p o r t t h i s p o i n t ． Ke y wo r dsGu i d e S e a t ；Ma c h i n i n g；Ru n o u t 发动机缸盖阀座导管孔系的加工是发动机生产质 量控制的关键之一 。国内、 外刀具供应商一直在不断 地对所需的刀具进行技术创新及改进 。其主要的技术 要求为 1 阀座密封锥 面的圆度公 差 0 ． 0 0 8 m m， 导 管孔的圆柱度公差 0 ． 0 1 mm； 2 阀座 密封锥 面对 导 管孔的跳动值为 0 ． 0 3～0 ． 0 5 m m； 3 阀座密封锥面 和导管孔表面粗糙度 R 。 1 ． 6 m。这些要求影响气 门 的密封性从而影响气体的压缩及燃烧性能 ， 增大发动 机 的功率及降低燃油消耗 的关键。此外 ， 如果气 门工 作时中心发生偏移会导致导管孔的很快磨损而影响其 寿命。 1 气 门阀座导管子 L 系的J j n n - 发动机厂依据投资预算和产品特征选择不同的加 工工艺 ， 若采用专 机加工 ， 效率 高、 刀具 简单、 但柔 性 差 ， 不 同结构的缸盖不能共线 ； 采用柔性设备 ， 加工效 率高 、 投资成本大 、 不 同机型可共线、 刀具较复杂 。由 于产品的多品种系列化要求 ， 发动机厂采用加工 中心 组线加工缸盖。为保证质量 ， 从如下方面考虑。 1 ． 1机加 工艺 定位采用一面两销定位法 ， 与设计基准重合 。由 于阀座导管底孔的加工质量会造成阀座导管加工余量 分配不均 ， 且为减小重复定位误差及误 差复映对加工 精度的影响 ， 加工 阀座导管底孔时采用与精加工 阀座 ZUI I 1 ／一 I 导管孔同样的定位基准销孔／ 燃烧室粗加工面定 位 ， 面的精铣采用主动测量技术 ， 以保证燃烧室容积和 其他孔系和面的位置准确。导管来料需保证 内孔与外 径的同轴度 ， 阀座来料需保证较小的切削余量。导管 与阀座压装至缸盖后 ， 需保证导管 的位置度以保证导 管孔加工时余量的均匀。 1 ． 2 设备选型 产品的精度依赖于设备的精度， 机床主轴的刚性、 跳动及定位精度和重复定位精度 、 转 台定位精度重复 定位精度对阀座导管的加工至关重要。定位和重复定 位精度影响导管孔和阀座 的位置度 ， 主轴跳动直接影 响导管孔和阀座锥面的表面质量以及阀座锥面对导管 孔的跳动 。加工 中心 I S O标准 X ／ Y ／ Z定位精度不大 于 0 ． 0 0 8 m m， 重复定位精度不大于 0 ． 0 0 4 mm， 主轴伸 出 3 0 0 m m跳动不大于 0 ． 0 0 5 mm， 转台定位精度不大 于 4 ” ， 重复定 位精度 不大 于 2 ” ， 可 以满足 加工要 求。 主轴的刚性是保证加工工件质量长期稳定的关键。实 际生产中直径 6 5 m m的电主轴即能够满足需求。 1 ． 3 加工刀具 采用复合刀具 ， 由粗加工刀具与精加工刀具组成 ， 如图 1 所示 。高速加工对刀具 的材料、 刀具结构、 刀具 的夹紧方式、 刀体动平衡提 出很高要求。刀体 与刀杆 的设计关注的 3个关键 因素 切削力、 切削热 和排屑。 切削力的作用点 、 方向及大小影响刀具的强度、 加工的 3 3 振动 ， 最终影响到工件的质量 ； 切削热的存在影响刀具 的寿命 ； 切屑的形状影响排屑的顺畅性 ， 从而影响孔的 表 面的质量和加工效率 ， 如发生切屑堆积堵塞将导致 切削力陡然增大而引发刀杆折断。本案例所加工导管 孔 的孔径为 b 5 H 7 mm， 长径 比为 8 ． 7 ， 细长孔使加工的 工艺性更差， 对刀具整个系统的可靠性要求更高。刀 具结构设计本着最大限度保证刚性的原则。 1 一粗加工铰刀刀体 ；2一短铰刀杆 ；3一精加工铰 刀刀体 ；4 一长铰 刀秆 a 图1 复合刀具 1 ． 3 ． 1 粗加工刀具 加工导管孔的引导孔 ， 为长铰 刀加工前 5～7 mm 起 到导 向支承作用 ， 阀座处 的加工完成 7 3 。 、 1 5 。 角度 的加工及 4 4 。 的粗加工 ， 如 图 2所示 。粗加工刀体上 对应的刀片分布如图 3所示。加工过程 中产生的径 向 分力将导致刀具 的径 向振 动和绕 曲变形影响加 工质 量 ， 因此径 向合力为 “ 零 ” 是设计 的重要考虑 因素， 各 刀片的角度分布需进行合理分析计算。 图2 阀座粗加工图 图3 刀体径 向受力 图 1 ． 3 ． 2 精铰刀 采用 P C D焊片刀杆 ， 其属于镗刀范畴 ， 纠偏作 用 3 4 强 ， 刀体装 4 4 。 C B N刀片用 于阀座锥面的精加工。经 试验 ， 单边导管 内孔加工前 的位置度偏差 0 ． 1 m m可 以修正 。P C D刀片的主偏 角 7 5 。 ， 导条后 置度为 0 ． 2 m m， 刀片切入瞬间 ， 由于没有导条支撑 ， 其径 向力 由于 加工余量单边为 0 ． 0 2 5 m m， 因此径向力很小； 加工 1 ～ 2转后 ， 导条起到支撑作用 ， 刀具稳定切削。切 削液 采用乳化液 ， 浓度为 l 1 ． 5 ％ ～1 3 ． 5 ％ ， 压力为 4 MP a ， 冷却孔的位置及角度需考虑力的平衡及力矩的平衡。 刀具设计 的关注焦点为 刀杆的强度 、 导条 的位置及宽 度 、 冷却孔的孔径位置及角度 、 刀具的几何角度 。 多刃硬质合金铰刀杆如 4刃 、 6刃可以将效率大 幅度提升。其设计难点为刀杆的材料及结构。材料与 结构不合理将导致刀杆异常折断及快速磨损。经多次 试验 ， 目前批量生产的硬质合金刀杆线速度可达到 9 0 m ／ ra i n ， 每齿进给． 0 ． 0 3 6 m m。加工相 同的导 管多刃硬质合金 刀杆所需 时间为 P C D刀杆 的一半。 多刃硬质合金铰刀杆新刀杆寿命达到 1 4 8 ． 2 m后进行 修磨 ， 降低 了修磨 的工作量 ， 但多刃的铰刀的修磨是难 点 ， 通常可修磨 2 3次。 2 生产中出现的质量问题及对策 2 ． 1 批量生产 中经常出现的J j n - r 及质量问题 1 导管孔入 口约 5 m m范围内， 表面粗糙度不合 格 ， 出现螺圈、 划痕 ， 部分还存在孔径超差 ； 2 导管孔内有划痕； 3 阀座密封锥面对导管孔的圆跳动或 同轴度超 差 ； 4 阀座密封锥面刀痕 ； 5 导管孑 L 轴线倾斜度超差 ； 6 短刀杆、 长刀杆异常折断。 以上问题最严重的是进气侧孔系 进气侧相对排 气侧长径比大 。由以上原因造成的工废率达 5 ％。 2 ． 2问题 分析 问题分析从人 、 机 、 料 、 法 、 环 、 测各个影响因素着 手 。进行分析后形成如图4的鱼骨图。各 因素 中刀具 的原因分析最为 困难 ， 通常采用对 比分析法进行原 因 排查。 1 断刀 问题 长刀杆异常折断的问题按照图4所示 的方式进行 排查后将 问题锁定在刀杆的结构上， 对长刀杆 断刀件 进行剖切 ， 发现大量切屑堆积在刀杆周围， 是排屑不畅 所致。该刀杆为圆柱形 ， 刀尖至圆柱面的高度为 2～ 4 m， 冷却孔 1 个只用于刀尖处的排屑及冷却润滑。刀 具切削速度 8 6 m ／ m i n ， 每齿进绐 0 ． 1 2 m m， 进 主轴跳 动 定位 、重复 定位精度 嚣 、 一 给速度为 6 5 5 mm ／ m i n 。对切 削速度进行 调整后 断刀频率降低到原状态的一半 。为便 于切屑 的排 出， 将圆柱刀杆进行 削边处理。圆柱 导条 12 m m共 3 条保证加工过程的导 向及力 的平衡作用 ； 其余进行削 边 ， 为保证 刀杆强度 ， 削边的棱宽不超过 0 ． 5 mm。为 避免应力集中需进行去毛边及圆角处理 ， 并增加冷却 孔至 3个 。刀杆改善后 ， 其换刀后 的加工寿命为可加 工 2 0 0件 ， 可修磨 8～l 0次 ， 成本仅为原来的 1 ／ 3 。 2 跳动超差 、 刀痕等质量问题 气门阀座导管孔系的加工是典型的成形轴向进给 加工 。要想获得理想 的内孔加工精度 和质量 ， 所用刀 具在切削加工 时， 所有作用在刀具上的径向作用分力 的矢量和应等于零。而且应以作用在切削刃上的作用 力为主。这就要求刀具结构完全与轴 心对称 ， 其精度 在允许范围内。经测量分析 ， 阀座精加工后锥 面的位 置度与导管孔位置度 测量 3个截面 ， 呈现明显 的倾 斜 ， 单个方向倾斜 0 ． 0 4 mm。该现象说明导管孔加工 过程 中有走偏现象。以下对加工过程进行分析。 粗加工短铰刀 ， 单刃切削 ， 单刃所在直径位置与圆 周方 向的圆柱等径 ， 且后 面圆柱导 向面相对于切削刃 的轴 向位置滞后 0 ． 2 m m， 约 2倍的每转进给量 ， 刚一 进入切削 ， 后面的导 向面就能起到 良好 的支承导 向作 用。还有切削刃离刀具夹持部位的距离短 ， 所 以， 此刀 相当于一把刚性很好 的单刃镗刀 ， 即使被加工孔 的预 孔偏了， 在单边余量 0 ． 2～ 0 ． 3 m m的情况下， 也会具 有 良好的纠偏作用。当然该刀的后角的锋利程度也影 响纠偏效果 ， 经试验第一后角保证在 1 0 。 范 围纠偏效 果能保证位置度 4 , 0 ． 1 mm内； 粗铰刀的阀座铰刀片上 装有三片主偏角 K ， 为 l 5 。 、 4 4 。 及 7 3 。 的可转位刀片 。 作用在他们上面的径向作用分力分别为 F 1 5 F1 5 c o s l 5。 Fm F4 4 X c o s 1 5。 等 ， ‘uI l II 。r 7 3 F7 3 X c o s l 5。 式 中 F为作用在切削刃上的合力 ， 它的大小与该切削 刃的切削量有关 。实际切 削过程 中， F 切 削量最大 ， 的切削量最少。特别是这个情况 出现在切削终止 时。它们的相互 关 系如下 F F F r 4 4 。在 此 时， F F F 。 ≠0， 3个力 的矢量和不等于零 。当加工 前 的位置精度出现较大偏差 时， 作 用在 K为 1 5 。 的那 片刀片上 的力 F 最大 ， 若刀体的强度不能承受该径 向力 ， 造成径向振动而使前端 的粗短铰刀将孔或扩大 或增大表面粗糙度值 ， 最终造成精铰刀阀座密封锥面 的跳动超差或导管孔倾斜度超差 。 为减小该径向切削力的影 响， 加工 阀座时 的线速 度 1 2 0 m ／ mi n ， 每齿进给 0 ． 0 8～ 0 ． 0 9 m m。针对上 述径向力不平衡问题 ， 此后在另一产品上采用增加一 把两刃粗加工刀去除余量 ， 该产品批量生产 1年来的 跳动稳定在 0 ． 0 3 mm内， 未出现刀痕、 倾斜度超差 等 质量问题。 3 结语 目前加工中心阀座导管加工复合刀具的设计及制 造 的核心技术一直由国外的刀具公 司掌控 ， 特别在刀 具 的材料及热处理方面 ， 我国还有很大 的差距 。本文 从刀具 的工艺试验及批量生产应用情况的角度浅析 了 阀座导管刀具设计 的要素 ， 以便为今后在刀具 的国产 化方面提供经验 ， 降低刀具成本 。 参考文献 [ 1 ] 李松如． 缸盖气 门阀座和导管 的加工技术[ OL ] ． 切削技术 网， [ 2 0 0 4 - 3 - 1 3 ] ．h t t p ／ ／ w w w． e - c u t t e c h ． c o m ／ R e a d N e w s ／ 3 3 1 ． h t ml 作者 马 小娟 ， 女 ， 1 9 8 0年 生， 硕 士研 究 生， 工程 师 ， 主要从事发动机制造工艺。 编辑谭弘颖 收稿E t 期 2 0 1 1 0 7 2 1 交it i l i t 1 1 1 0 9 一 如 果 您 想 发 表 对 本 变 的 看 法， 请 将 文 章 编 号 填 入 读 者 意 见 调 查 表 中 的 相 应 位 置 。