鋁制缸蓋生產(chǎn)線關(guān)鍵工序工藝設(shè)計分析

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鋁制缸蓋生產(chǎn)線關(guān)鍵工序工藝設(shè)計分析

孫景新

（東風(fēng)朝陽朝柴動力有限公司，朝陽122000）

摘要鋁制缸蓋加工生產(chǎn)線在關(guān)鍵工序應(yīng)用新的工藝方法：改變毛坯鑄造形式，優(yōu)化傳統(tǒng)鑄造工藝；改進(jìn)缸蓋粗加工定位，保證加工精度；創(chuàng)新缸蓋精加工工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量：創(chuàng)新凸輪軸孔加工方法，使關(guān)鍵尺寸達(dá)到要求；改變傳統(tǒng)的工藝方法，對氣門閥座和導(dǎo)管孔實現(xiàn)整體加工。先進(jìn)的、合理的鋁制缸蓋加工工藝，使公司具備了鋁制缸蓋批量加工生產(chǎn)能力。

關(guān)鍵詞：鋁制缸蓋粗基準(zhǔn)新工藝精度

來稿日期：2014-11-27

1　引言

我公司新引進(jìn)的NGD3.0型發(fā)動機(jī)為電控高壓共軌柴油機(jī)。它采用了鋁制缸蓋、滾輪搖臂、直立布置中央噴油器、帶冷卻的機(jī)油濾清器、平衡軸等先進(jìn)技術(shù)。柴油機(jī)可在各種工況下取得排放、噪聲、經(jīng)濟(jì)性、動力性等方面的最理想效果。該柴油機(jī)為四缸機(jī)，動力強(qiáng)勁，最大功率可達(dá)120 kW，目前排放達(dá)到國Ⅳ要求，可直接升級為國Ⅴ水平。我公司傳統(tǒng)的四缸柴油機(jī)，缸蓋均為合金鑄鐵，工藝設(shè)計上沒有可借鑒性。如何建立鋁合金缸蓋柔性加工線，是實現(xiàn)NGD3.0柴油機(jī)國產(chǎn)化進(jìn)程中的主要難題。

考慮到鋁制缸蓋為薄壁鑄鋁件，鑄造應(yīng)力集中，時效時間長，加工變形量大等因素，工藝總體設(shè)計上選用高效的加工設(shè)備和高速切削工具，充分利用各種工藝技術(shù)，合理安排各工序，保證產(chǎn)品加工質(zhì)量，有效提高生產(chǎn)效率。

為了實現(xiàn)鋁制缸蓋大批量加工，關(guān)鍵工序的工藝設(shè)計采用了新工藝和新技術(shù)。為驗證新工藝的可行性，開展了小批加工的工藝試驗以及性能驗證，用數(shù)據(jù)說話，使分析和結(jié)論更加可靠。

2　鋁制缸蓋關(guān)鍵工序工藝設(shè)計

2.1改變毛坯鑄造形式，優(yōu)化傳統(tǒng)工藝

鋁制缸蓋毛坯的材料為A356鋁合金。毛坯原先是從巴西進(jìn)口，由于進(jìn)口毛坯鑄造工藝落后，毛坯質(zhì)量較差。巴西毛坯鑄造采用傳統(tǒng)重力鑄造模式，缸蓋壁厚較薄厚，最薄處僅為3.6 mm。缸蓋鑄造主要為實芯結(jié)構(gòu)，其主要質(zhì)量問題為：（1）缸蓋鑄造毛坯表面加工余量大，且不均勻，加工過程中易出現(xiàn)刀具斷裂現(xiàn)象；（2）缺少預(yù)鑄孔，毛坯孔系的加工工藝通常為，鉆孔－擴(kuò)－鏜，其中涉及的表面鉆孔刀具共計十余種，刀具成本高，生產(chǎn)效率低；（3）缸蓋水道內(nèi)腔圓弧過渡不平滑，影響發(fā)動機(jī)的冷卻效果；（4）進(jìn)、排氣道系一次鑄造成型，不加工，鑄造表面質(zhì)量差。

隨著對高質(zhì)量鋁制缸蓋的需求日益增加，鑄造工藝不斷改進(jìn)，砂型低壓鑄造新工藝在鋁制缸蓋生產(chǎn)中逐步得到應(yīng)用。采用這種新工藝得到的毛坯，精度高、壁厚薄。經(jīng)過項目組對鑄造毛坯供應(yīng)商的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力的評估，最終確定廣東肇慶動力技研有限公司作為缸蓋鑄件供應(yīng)商。鋁合金蓋缸鑄件采用型砂和金屬模組合：（1）鑄件外形尺寸由金屬?？刂疲＞叱叽缇冗_(dá)到±0.05 mm，表面粗糙度達(dá)Ra＜0.8滋m，這樣缸蓋鑄件表面加工余量均勻，控制在2 mm；（2）在缸蓋毛坯上增加預(yù)鑄孔，取消鉆孔加工，新的加工工藝為，擴(kuò)－鏜；鑄件整體公差按ISO 8062－94 CT7級控制，表面粗糙度達(dá)到Ra＜6.4滋m，從而保證了孔的加工尺寸和位置精度，如圖1所示是缸蓋前端面凸輪軸預(yù)鑄孔1和傳感器預(yù)鑄孔2；（3）缸蓋水道采用砂芯造型，工序中控制砂芯的燒結(jié)溫度、射砂時間、射砂壓力和固化時間，保證砂芯表面光潔度；然后把砂芯定位放置在金屬模上，采用低壓鑄造方式可得到平滑的圓弧過渡；（4）進(jìn)、排氣道采用同樣的鑄造方式，表面粗糙度達(dá)到圖紙要求Ra≤12.5滋m。

同時，要求供應(yīng)商在毛坯出廠前進(jìn)行100%檢查，檢測關(guān)鍵尺寸和滲漏。鑄件不允許有任何鑄造缺陷，包括裂紋、冷隔、縮孔、疏松、澆不足等。不合格毛坯不出廠，提高進(jìn)入生產(chǎn)線的毛坯質(zhì)量和加工效率，減少了機(jī)械加工的毛坯廢品，增加了成品合格率。

2.2缸蓋粗加工定位基準(zhǔn)的選擇

鋁制缸蓋粗基準(zhǔn)遵循6點定位原理，選擇缸蓋底面1個定位點Z1和進(jìn)氣座圈內(nèi)腔2個凸臺Z2、Z3組成毛坯Z方向定位基準(zhǔn)，2個進(jìn)氣座圈孔Y1、Y2為縱向Y方向定位基準(zhǔn)，1個進(jìn)氣座圈錐面X1為橫向X方向定位基準(zhǔn)，如圖2所示。為控制進(jìn)氣道渦流比1.7，進(jìn)氣道鑄件要實現(xiàn)Z方向凸臺定位表面的平面度和共面性，缸蓋底面Z1點在金屬模具上成型，容易保證精度，進(jìn)氣座圈內(nèi)腔2個凸臺Z2、Z3為砂芯成型面，存在制造誤差，不能保證平面度。

為此，在金屬模具上增加浮動限位塊，控制進(jìn)氣道砂芯成型面。通過控制毛坯尺寸，即靠近缸蓋中心線的4個進(jìn)氣座圈凸臺高度差控制在±0.05 mm，保證了加工中粗加工基準(zhǔn)的定位準(zhǔn)確。粗加工基準(zhǔn)不僅關(guān)系到毛坯的孔系和面系的鑄造位置，也關(guān)系到下一工序——精加工基準(zhǔn)的加工。針對鋁制缸蓋特殊的定位方式，設(shè)計了手動夾具?？紤]到鑄鋁缸蓋壁薄、剛性差、易變形等因素，重點規(guī)范了缸蓋裝料操作順序，確認(rèn)安裝到位。合理選擇壓緊點，壓緊點下方有定位點或輔助支撐，壓緊力適當(dāng)，以避免壓緊變形。

2.3改進(jìn)缸蓋精加工工藝

2.3.1凸輪軸孔加工方法

圖1　NGD3.0缸蓋毛坯前端面視圖

圖2　鋁缸蓋粗加工定位基準(zhǔn)

鋁制缸蓋凸輪軸孔加工是精加工中的重點工序。NGD3.0柴油機(jī)鋁制缸蓋上凸輪軸孔為1組5檔孔，孔總長445 mm，長徑比達(dá)15，屬典型的深孔加工，孔精度要求較高。凸輪軸孔直徑為Φ28+00.021，表面粗糙度Ra為0.3~0.8滋m，圓柱度為0.01 mm，位置度為Φ0.05 mm。為保證精度要求，借鑒了我公司4D47Ti四缸柴油機(jī)頂置凸輪軸鑄鐵缸蓋的經(jīng)驗，加工方式采用加工中心設(shè)備和專機(jī)設(shè)備相組合的加工模式，但在刀具選擇和加工工藝方法上有區(qū)別。4D47Ti缸蓋為鑄鐵件，剛性好不易變形，所以刀具選擇在刀桿上安裝線鏜單元，刀桿為前支撐；線鏜單元對應(yīng)缸蓋的5檔孔，共5組，每組各2個刀具，分別為半精加工和精加工，可以實現(xiàn)凸輪軸孔5檔同時加工；但加工孔精度一致性差。NGD3.0缸蓋為鑄鋁件，剛性差易變形，刀具選擇單刃線鏜刀，為后支撐結(jié)構(gòu)；刀桿上只有1組刀片，是半精加工和精加工刀具，加工凸輪軸孔為單孔遞進(jìn)加工；第1孔加工完成后，刀具導(dǎo)向條在第1檔孔中旋轉(zhuǎn)支撐，加工第2孔，完成后刀具導(dǎo)向條在第2檔孔中旋轉(zhuǎn)支撐，加工第3孔，依次類推。因加工刀片相同，刀具輔助支撐距離變短，加工孔精度提高。精加工后的凸輪軸孔表面粗糙度達(dá)到了Ra 0.4~0.5滋m，圓柱度＜0.01 mm。4D47Ti和NGD3.0凸輪軸孔加工方式對比參見表1。

表1　2種凸輪軸孔加工方式對比

2.3.2氣門閥座、導(dǎo)管孔整體加工

眾所周知，氣門閥座和導(dǎo)管孔的加工是缸蓋加工中的關(guān)鍵工序。長期以來，國內(nèi)外許多刀具制造廠，如國內(nèi)的北京科勘、鄭州鉆石公司，國外的Komet、Beck、Mapal、日研等公司都十分重視這類刀具的開發(fā)，也取得了長足進(jìn)步，這些都對提高缸蓋產(chǎn)品加工精度、刀具耐用度和加工效率起著積極作用。

2.3.2.1氣門閥座和導(dǎo)管孔的底孔加工

缸蓋氣門閥座和導(dǎo)管孔的底孔精度是直接影響氣門閥座和導(dǎo)管孔最終加工精度的重要因素。因為底孔的同軸度誤差會造成氣門閥座和導(dǎo)管孔精加工余量的分配不均，從而影響到最終加工精度。我公司QD32柴油機(jī)缸蓋氣門閥座和導(dǎo)管底孔的加工刀具采用Beck公司的復(fù)合專用刀具，刀具為整體結(jié)構(gòu)，單刃鉸刀，導(dǎo)條支撐。由于結(jié)構(gòu)限制，刀具調(diào)整繁瑣，一旦出現(xiàn)刀具局部損壞，則整個刀具報廢，造成刀具使用成本高；且刀片采用大面積斜壓板緊固，加工過程中易松動，造成不合格品發(fā)生，嚴(yán)重時會造成停產(chǎn)。刀具、壓板結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3　Beck復(fù)合專用刀具斜壓板結(jié)構(gòu)

借鑒了QD32柴油機(jī)缸蓋氣門閥座和導(dǎo)管底孔加工的經(jīng)驗教訓(xùn)，NGD3.0柴油機(jī)鋁制缸蓋刀具選用分體結(jié)構(gòu)，液壓連接，整體加工方式，刀體調(diào)整可靠、簡便。在刀片安裝方式上首次采用了鋸齒限位，壓板為杠桿結(jié)構(gòu)，增大了壓緊力，提高了刀片定位精度和夾緊力。刀具和壓板結(jié)構(gòu)見圖4。為獲得更佳的尺寸精度和表面光潔度，刀片的選擇也很重要。我公司鋁制缸蓋材料的硅含量為6.5%~7. 5%，一般硅含量>8%，適合選擇金剛石刀片，含量<8%適合選擇硬質(zhì)合金刀片。結(jié)合鋁合金硬度低，難加工等特點，確定選擇大前角、大后角不帶涂層的超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金刀片。經(jīng)過試驗和跟蹤驗證，氣門座圈，導(dǎo)管底孔同軸度達(dá)到圖紙<Φ0.05

圖4　KENNAMETAL復(fù)合專用刀具杠桿壓板結(jié)構(gòu)

2.3.2.2氣門閥座和導(dǎo)管孔的加工

目前我公司在加工中心上生產(chǎn)的缸蓋產(chǎn)品，如QD32缸蓋和AZL缸蓋氣門閥座和導(dǎo)管孔加工刀具都采用分體結(jié)構(gòu)，座圈工作錐面只有1個角度，為90毅或120毅，刀具傾斜角與氣門閥座工作錐面的半錐角相等。但鋁制缸蓋不同于傳統(tǒng)產(chǎn)品，導(dǎo)管直徑小，僅為Φ60mm。氣門座圈工作錐面涉及3

-0.025

個角度，分別為30毅、60毅和90毅。刀具整體設(shè)計有利于提高氣門閥座和導(dǎo)管孔的同軸度。同樣采用了分體結(jié)構(gòu)，液壓連接，整體加工，便于加工精度保證和方便調(diào)整。針對3個刀具角度，選擇刀片立裝，均布在刀體周圍，利用工藝手段保證了關(guān)鍵尺寸的加工精度要求。

2.3.3精加工實現(xiàn)基準(zhǔn)統(tǒng)一

鋁制缸蓋以毛坯頂面為基準(zhǔn)定位，形成頂面的一面二銷的精加工工藝基準(zhǔn)。為平衡工序節(jié)拍保證產(chǎn)量4000臺/年工藝能力，頂面的一面二銷可重復(fù)利用，雖然實現(xiàn)了加工中的基準(zhǔn)統(tǒng)一，但鋁缸蓋材質(zhì)較軟，重復(fù)定位會導(dǎo)致定位孔變形、喪失定位精度。如若采用短銷和長銷相結(jié)合，定位孔相同但定位點不同，以上所提問題便迎刃而解。

3　結(jié)論

1）對于加工方式和刀具設(shè)計等方面的改變，必須進(jìn)行工藝驗證和裝機(jī)試驗，對此進(jìn)行了鋁制缸蓋生產(chǎn)線工藝試制和工藝驗證。試制驗證完成后，在公司技術(shù)中心試驗室進(jìn)行了鋁制缸蓋的裝機(jī)和發(fā)動機(jī)臺架試驗，經(jīng)過低溫高速爆壓超速試驗、熱沖擊試驗和600 h可靠性試驗，缸蓋關(guān)鍵工序加工尺寸精度達(dá)到了試驗要求。

2）目前，我公司具備批量加工鋁制缸蓋的生產(chǎn)能力，尤其在加工凸輪軸孔，氣門座圈孔、導(dǎo)管孔積累了經(jīng)驗，但這僅僅是第一步。就鋁制缸蓋加工而言，要解決的問題還有很多，需要在今后的工作中不斷探索、不斷創(chuàng)新、著眼全局，注重細(xì)節(jié)，不斷解決問題，才能使產(chǎn)品質(zhì)量和加工能力得到不斷的提高。

圖5　進(jìn)氣門閥座和導(dǎo)管孔加工刀具

Analysis and Design of Key Process of Aluminum Alloy Cylinder Head Production Line

Sun Jingxin

（Dongfeng Chaoyang Diesel Co., Ltd., Chaoyang 122000, China）

Abstract:New processing technique is applied in key processes of aluminum alloy cylinder head machining line: changing the cylinder head casting process to optimize the traditional process, improving cylinder head rough reference positioning to guarantee the machining accuracy, innovating fine machining processes to improve product quality, innovating overhead cam shaft bore processing to meet the key size requirements and machining valve seat and valve guide at the same time. The advanced and reasonable processing of aluminum cylinder head machining enables our company to produce aluminum alloy cylinder head in large scale.

Key words:aluminum alloy cylinder head, initial datum, new processing, precision

作者簡介：孫景新（1979-），男，工程師，主要研究方向為柴油機(jī)缸體、缸蓋機(jī)加工生產(chǎn)線工藝開發(fā)設(shè)計。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.01.010