槍鉸、精車工藝在氣門座圈和導(dǎo)管孔加工中的應(yīng)用

杭智剛，黃建松，王樹林，李金濤

(1.江蘇大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000;2.一汽解放汽車有限公司無錫柴油機(jī)廠，江蘇 無錫214000)

0 引言

傳統(tǒng)的氣門座圈和導(dǎo)管孔成組加工主要有以下幾種加工工藝:①先加工導(dǎo)管孔，以導(dǎo)管孔定位，精锪座圈錐面。這種加工工藝存在著導(dǎo)管孔加工精度差，座圈錐面表面粗糙度差和圓跳動(dòng)量不好等問題。②以“一面兩銷”定位，在一次安裝下，使用專用復(fù)合精密刀具加工座圈錐面和導(dǎo)管孔。這種加工工藝對于導(dǎo)管孔的定位精度和復(fù)合精密刀具的制造精度要求很高，在實(shí)際生產(chǎn)中，無法保證氣門導(dǎo)管底孔的位置度要求。③采用專用機(jī)床，根據(jù)基準(zhǔn)重合原則，以頂面和導(dǎo)管外圓作為定位面，槍鉸導(dǎo)管孔、精锪座圈錐面的工藝方法。這種工藝方法容易保證氣門導(dǎo)管的外圓的中心線與精加工的導(dǎo)管孔的中心線的同軸度要求和提高導(dǎo)管孔的加工精度，滿足產(chǎn)品圖紙要求，但是存在的主要不足是采用成形锪刀進(jìn)行锪削座圈錐面，使得座圈錐面的粗糙度不好，另外，槍鉸刀和精锪刀是一次性整體刀具，在實(shí)際生產(chǎn)中大大增加了生產(chǎn)成本。

因此，解決槍鉸導(dǎo)管孔、精锪座圈錐面加工工藝中存在的座圈錐面表面精度不好，槍鉸刀和精锪刀的利用率低等問題，確保能高效率、高精度、高穩(wěn)定性的加工座圈錐面和導(dǎo)管孔，是目前改進(jìn)槍鉸導(dǎo)管孔、精锪座圈錐面加工工藝迫切需要做的工作。這對于提高柴油機(jī)的核心競爭力具有重要意義。

1 主要技術(shù)要求

CA6DL 缸蓋進(jìn)、排氣氣門座圈材料為硬粒子分散強(qiáng)化型，型號為X4125，硬度為HRC 40～50。氣門導(dǎo)管材料為鐵基粉末冶金，硬度為HRB 60～100。

主要技術(shù)要求如圖1 所示。

圖1 氣門座圈和導(dǎo)管孔的技術(shù)要求

2 加工工藝研究

2.1 槍鉸、精車加工的關(guān)鍵措施

槍鉸、精車加工是指槍鉸導(dǎo)管孔、精車座圈錐面的工藝加工。這種復(fù)合切削加工的是設(shè)計(jì)一種雙層套裝主軸，加工刀具選擇MAPAL 槍鉸動(dòng)力頭(如圖2 所示)，在同一軸線上，采用雙速電機(jī)變速進(jìn)行槍鉸導(dǎo)管孔、精車座圈錐面的切削加工。這樣方法可以提高導(dǎo)管孔的直線度以及座圈錐面對導(dǎo)管孔的同軸度的技術(shù)要求。

圖2 MAPAL 槍鉸動(dòng)力頭

2.1.1 氣門座圈加工

精锪氣門座圈錐面加工時(shí)，機(jī)床主軸是軸向進(jìn)給，用成形的整體式精锪刀進(jìn)行加工的，這種加工的缺點(diǎn)在于加工中精锪刀和座圈錐面是一條線接觸，錐面質(zhì)量取決于刀具的成形精度和耐磨度。所以在生產(chǎn)中很難保證更高的錐面精度。而改成車削座圈錐面，就能很好的解決座圈錐面精度不高的問題。機(jī)床主軸采用座圈錐面成形的斜向進(jìn)給的切削方式，車刀的刀尖和座圈錐面是點(diǎn)接觸，從而對座圈錐面進(jìn)行連續(xù)的切削。這種加工方法使得座圈錐面精度取決于機(jī)床進(jìn)給的狀態(tài)和切削參數(shù)是否合理，這在實(shí)際生產(chǎn)中更加容易得到控制與優(yōu)化。此外，MAPAL 槍鉸動(dòng)力頭上的車刀采用的可轉(zhuǎn)位刀片，能大大增加刀桿的使用價(jià)值，降低刀具的成本。

2.1.2 導(dǎo)管孔加工

傳統(tǒng)的槍鉸導(dǎo)管孔加工工藝中，槍鉸刀是多刃的整體式，能滿足導(dǎo)管孔的技術(shù)要求。但容易因刀具磨損而造成整根槍鉸刀報(bào)廢，槍鉸刀刀桿的利用率不高，不適合在大批量生產(chǎn)中應(yīng)用。而采用MAPAL 單刃槍鉸刀進(jìn)行切削加工，由于采用了精密研磨的可轉(zhuǎn)位刀片，因此大大提高了槍鉸刀刀桿的利用率，降低了刀具成本。此外，刀體上鑲有的2 兩塊短支撐導(dǎo)條起到支撐和吸收切削所引起的振動(dòng)的作用，這樣有利于提高刀具的剛性，有利于提高座圈錐面對導(dǎo)管孔加工的圓跳動(dòng)。槍鉸刀因細(xì)且長，配有襯套，刀體上4 塊長支撐導(dǎo)條與襯套的配合能起到糾正因壓裝導(dǎo)管而產(chǎn)生的導(dǎo)管孔軸線偏移的作用。

常規(guī)的加壓噴淋冷卻方式，不能對槍鉸刀進(jìn)行及時(shí)的冷卻，也不易清除這些殘留在導(dǎo)管孔和氣道內(nèi)的鐵屑，這主要是由于導(dǎo)管孔的直徑比較小以及氣門座圈與導(dǎo)管孔連接部分的氣道形狀復(fù)雜等問題所致，如果選用刀具加壓內(nèi)冷卻可以很好的解決以上問題，從槍鉸刀柄部到切削刃有1～2 個(gè)通孔，使壓縮切削液穿過刀桿并從切削刃旁邊的通孔噴射而出，起到冷卻刀具和沖走導(dǎo)管孔和氣道內(nèi)的鐵屑的作用。

2.2 定位方式的確定

傳統(tǒng)的座圈錐面和導(dǎo)管孔加工定位中，“一面兩銷”定位方式存在著定位銷與定位孔，氣門座圈和導(dǎo)管孔與定位孔之間的兩種定位誤差，定位精度不好;以頂面和導(dǎo)管外圓的定位方式，不存在上訴定位誤差，并能保證氣門導(dǎo)管的外圓的中心線與半精加工的導(dǎo)管孔的中心線的同軸度要求，定位精度最好。但在大批量生產(chǎn)中，工件一次定位安裝后，刀具一次只能加工一個(gè)孔，生產(chǎn)效率不高。

由于傳統(tǒng)加工定位存在諸多缺點(diǎn)，在槍鉸、精車加工工藝中，需要合理選擇定位基準(zhǔn)面。采用“三面基準(zhǔn)”定位方式雖然存在著氣門座圈和導(dǎo)管孔與定位面之間的定位誤差，但多次工藝試驗(yàn)加工結(jié)果都能滿足產(chǎn)品要求，且這種定位方式的最大優(yōu)點(diǎn)是，工件在專業(yè)機(jī)床上一次定位安裝后，采用多個(gè)MAPAL 槍鉸動(dòng)力頭完成一次性加工，大大提供了生產(chǎn)效率。

2.3 刀具材料的選擇

氣門導(dǎo)管材料硬度較低，采用普通的硬質(zhì)合金刀具加工就可以滿足精度要求，然而X4125 氣門座圈材料硬度很高，一般涂層的硬質(zhì)合金刀片加工容易出現(xiàn)刀片承受切削力大而易磨損，壽命較低，座圈錐面表面粗糙度差等問題。因此，為了提高刀片壽命，座圈錐面加工精度，生產(chǎn)效率，綜合對比各種刀具材料的優(yōu)缺點(diǎn)，選用車削座圈錐面刀具所采用的的刀片材料為PCBN(聚晶立方氮化硼)。

PCBN 刀具作為一種高性能的超硬材料刀具，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用PCBN 刀具可以提升工件的加工質(zhì)量，提高切削加工效率，尤其是對于保證加工精度要求，高效切削等方面發(fā)揮了無可比擬的作用。在槍鉸導(dǎo)管孔中，相對于原來的硬質(zhì)合金鉸刀片壽命500 孔而言，使用PCBN 材質(zhì)的鉸刀片壽命達(dá)到2000 孔。精車座圈錐面時(shí)，相對于原來的硬質(zhì)合金車刀片壽命300 而言，PCBN 材質(zhì)刀片壽命達(dá)到800。PCBN 材質(zhì)刀片是槍鉸導(dǎo)管孔、精車座圈錐面的理想材料之一。

2.4 切削參數(shù)的選擇

在加工過程中，切削參數(shù)的選擇對工件的質(zhì)量和刀具的壽命尤為重要，如果切削速度、進(jìn)給率太低，刀具容易振動(dòng)，導(dǎo)致工件表面粗糙度降低;如果切削速度、進(jìn)給率太高，刀具受到的切削力將會增高，導(dǎo)致刀具磨損加快，刀具壽命降低。在槍鉸、精車加工過程中，由于選擇的MAPAL 槍鉸動(dòng)力頭，單刃槍鉸刀，精車刀以及采用PCBN 材質(zhì)刀片等原因，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率、切削速度將高于槍鉸、精锪加工時(shí)的切削參數(shù)，將達(dá)到高進(jìn)給、高切削速度的加工狀態(tài)，從而大大提高生產(chǎn)效率。綜合多次工藝試驗(yàn)后確定的較佳切削參數(shù)為:

車削座圈錐面:主軸轉(zhuǎn)速S=1600r/mm，進(jìn)給F=90mm/min，切削速度Vc=164m/min

槍鉸導(dǎo)管孔:主軸轉(zhuǎn)速S=2000r/mm，進(jìn)給F=250mm/min，切削速度Vc=50m/min

3 不同工藝方法與刀具的加工效果的對比與分析

在確定了槍鉸、精車工藝的加工刀具、定位方式、刀具材料、切削參數(shù)后，不同工藝方法與刀具的加工效果的對比見表1、表2 和表3。

表1 槍鉸、精車工藝與槍鉸、精锪工藝精度對比

MAPAL 槍鉸刀與整體式槍鉸刀(6 刃)對比情況見表2:

表2 MAPAL 槍鉸刀與整體式槍鉸刀(6 刃)對比

精車刀與精锪刀對比情況見表3。

表3 精車刀與精锪刀對比

從表1、表2、表3 中可以分析得出:

(1)從各項(xiàng)加工精度檢測內(nèi)容來看，槍鉸、精車工藝要優(yōu)越于槍鉸、精锪工藝;

(2)MAPAL 槍鉸刀具刀桿利用率高，在大批量生產(chǎn)中，相對于整體式槍鉸刀來說，MAPAL 槍鉸刀具使用的費(fèi)用低;

(3)精車刀刀具成本相對與精锪刀較高，但是從滿足座圈錐面精度、粗糙度和刀具利用率的角度看，選擇精車刀要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于精锪刀。

4 總結(jié)

本文通過對氣缸蓋座圈錐面和導(dǎo)管孔的加工工藝的研究，可以得出，提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量的有效途徑是:選用MAPAL 單刃槍鉸刀提高導(dǎo)管孔的加工精度和槍鉸刀的經(jīng)濟(jì)性;車削座圈錐面提高座圈錐面的表面精度;采用“三面基準(zhǔn)”定位方式可以在保證加工精度的前提下，最大化的提高生產(chǎn)效率;采用PCBN 刀具加工高硬度的氣門座圈材料，能提高加工精度及刀具壽命;采用刀具加壓內(nèi)冷卻方式，提高了刀具的壽命和工件加工質(zhì)量。因此，采用槍鉸導(dǎo)管孔、精車座圈錐面的加工工藝完全可以滿足座圈錐面和導(dǎo)管孔的加工要求和提高生產(chǎn)效率。

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