汽車發(fā)動機缸蓋機加工線工藝設(shè)計及應(yīng)用

林叢立

（玉柴機器股份有限公司，玉林 537005）

汽車發(fā)動機缸蓋機加工線工藝設(shè)計及應(yīng)用

林叢立

（玉柴機器股份有限公司，玉林 537005）

缸蓋是發(fā)動機總成核心部件之一。本文主要從功能角度介紹缸蓋各個部位的重要性，介紹缸蓋材料以及整個機械成型的過程，概述其工藝特點以及存在的重點和難點，并結(jié)合現(xiàn)場操作，根據(jù)設(shè)備的不同、生產(chǎn)情況的不同，做出科學(xué)合理的選擇，重點把握關(guān)鍵部位，靈活合理地安排工藝，以確保缸蓋產(chǎn)成品符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

汽車發(fā)動機 缸蓋 加工線

本文將分析加工過程中的工藝特點，探索了解加工中面臨的技術(shù)難題，以期推助整個行業(yè)的發(fā)展。

1　汽車發(fā)動機缸蓋機加工的概述

缸蓋使發(fā)動機總成中的主要零件之一，位于發(fā)動機上部，通過缸墊、螺栓，和氣缸體牢固地作用于一體。它主要的功能包含以下三方面：（1）將氣缸的上部封閉，讓活塞的頂部與汽缸壁共同作用形成燃燒室；（2）定制發(fā)動機的氣門等配氣機構(gòu)，也是進排氣管和出水管的主要裝配基體；（3）在氣缸內(nèi)部有冷卻水套，氣缸面上的冷卻水和內(nèi)部冷卻水相互貫通，運用循環(huán)水將內(nèi)部的高溫帶走?？梢?，缸蓋的加工工藝極為復(fù)雜，并對精度有較高的要求，而精度的優(yōu)劣對發(fā)動機的整體性能及可靠性影響極大。缸蓋內(nèi)部關(guān)鍵的部件是進/排氣孔和氣門座圈。這兩個重要部位對缸蓋的燃燒質(zhì)量具有重要的影響，隨之也將影響整個發(fā)動機的性能以及品質(zhì)。

2　發(fā)動機缸蓋的特點

發(fā)動機的缸蓋結(jié)構(gòu)主要包含以下兩方面：第一，缸蓋要確保足夠的剛度和強度，以確保氣體能夠在壓力和熱應(yīng)力的作用下穩(wěn)定工作；第二，汽缸蓋的形狀是六面體，一般為多孔薄壁件，孔壁的加工數(shù)量能夠達到100個，最薄的部分僅為3.5mm左右。

3　發(fā)動機缸蓋的加工工藝

3.1缸蓋材料簡述

發(fā)動機缸蓋材料一般為鋁合金、灰鑄鐵、蠕墨鑄件。汽油發(fā)動機一般采用鋁合金，柴油機一般采用灰鑄鐵或蠕墨鑄鐵，部分小型柴油發(fā)動機或?qū)χ亓坑休^高要求的柴油機也采用鋁合金缸蓋材料。隨著發(fā)動機排放的不斷提升以及對強度要求越來越高，柴油發(fā)動機總成在四氣門缸蓋中很容易出現(xiàn)氣門間的裂紋。因此，需要從缸蓋產(chǎn)品結(jié)構(gòu)布置、鑄造毛坯澆注工藝、機加工加工工藝、新材料應(yīng)用等方面進行研究。蠕墨鑄鐵的應(yīng)用，就是解決以上致命可靠性的手段/方法之一。對三種不同材質(zhì)的缸蓋，需采用不同的刀具種類及切削參數(shù)，且鋁合金加工效率最高，蠕墨鑄鐵加工效率最低。假如刀具及切削參數(shù)選擇不當(dāng)，蠕墨鑄鐵加工效率要比灰鑄鐵加工效率降低30%以上。

3.2生產(chǎn)線工藝與設(shè)備概述

在近代機加工工藝中，鋁合金缸蓋生產(chǎn)線一般采用加工中心組成的柔性制造系統(tǒng)，且設(shè)備主軸大部分采用電主軸，主軸轉(zhuǎn)速超過7000轉(zhuǎn)以上?；诣T鐵或蠕墨鑄鐵缸蓋生產(chǎn)線一般有3種設(shè)備布置狀態(tài)。（1）專用設(shè)備生產(chǎn)線，適用于大批量生產(chǎn)定型缸蓋。在整個產(chǎn)品的生命周期內(nèi)，要求此類產(chǎn)品更改少。這種生產(chǎn)線效率較高，刀具等運行成本低，但假如產(chǎn)品有設(shè)計變更，則需要對生產(chǎn)線設(shè)備進行比較麻煩的改造，改造的成本及工作量大。（2）加工中心+專用設(shè)備生產(chǎn)線，適用于在產(chǎn)品的全生命周期，不斷有產(chǎn)品小更改的產(chǎn)品，是柔性與剛性的有機結(jié)合。（3）全由加工中心組成的柔性生產(chǎn)線，適用于產(chǎn)量較低或未定型的發(fā)動機產(chǎn)品生產(chǎn)。該生產(chǎn)線刀具等運行成本較高。加工灰鑄鐵或蠕墨鑄鐵的加工中心一般選用機械主軸。

針對缸蓋柔性加工生產(chǎn)線，頂?shù)酌娴募庸た梢赃x用立式加工中心完成，四側(cè)面孔加工可以選用臥式加工中心完成。但對比臥式加工中心，立式加工中心的性價比更容易讓用戶接受。因此，多應(yīng)用一次多件裝夾以及在立式加工中心中置備第四回轉(zhuǎn)軸的方式。事實上，在缸蓋加工中，大量應(yīng)用立式加工中心的配置也是投資成本更具優(yōu)勢的方案。

在生產(chǎn)線的總體布置中，比較常用的集中工序單元是“一”或“U”型布線。此外，作為高水平的工藝方案設(shè)計人員，必須嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真地考慮物流最短/最快、作業(yè)人員的人體工程學(xué)最優(yōu)、線節(jié)拍平衡、投資與產(chǎn)出綜合成本等。

3.3鋁合金缸蓋加工工藝的難點

3.3.1平面加工工藝

缸蓋的頂面、底面以及進/排氣面都是大面積的平面，所要求的平面度、表面粗糙度等精度比較高，且是全部工藝過程的基礎(chǔ)。因此，要求機床有較高的幾何精度和刀具調(diào)整精度。早期的缸蓋大平面加工工藝，主要是運用硬質(zhì)的合金刀片加工，并且融入金剛石的修光刃?，F(xiàn)在，毛坯情況比較好，可以運用金剛石刀片的加工工藝，提高加工表面的精度[1]。

3.3.2高精度孔加工

缸蓋上面的氣門閥座、氣門導(dǎo)管孔、挺桿孔和凸輪軸孔等，彼此之間的配合關(guān)系較為嚴(yán)格。加工過程中，要嚴(yán)格控制其表面的粗糙度、尺寸精度、位置精度等。因而，這些精度孔的加工工藝處于缸蓋的核心工藝水準(zhǔn)。

缸蓋氣門閥座與氣門導(dǎo)管一般都是同時進給加工。這種方案的優(yōu)勢可以一次定位，從而能夠減少重復(fù)和誤差，保障氣門閥座以及氣門導(dǎo)管的的同軸度。有嚴(yán)格密封配合功能要求的氣門閥座與氣門錐面，對圓度及跳動有嚴(yán)格的要求；有運動件間配合要求的氣門導(dǎo)管孔有很高的尺寸精度要求，且由于兩者的材質(zhì)不同，加工過程中對設(shè)備精度的選擇、刀具材料及刀具結(jié)構(gòu)的選用等有嚴(yán)格的控制。這將增大加工的總體難度[2]。

3.3.3缸蓋挺桿孔、氣門導(dǎo)管底孔加工

氣門導(dǎo)管底孔尺寸精度要求較高，加工時一定要注意其加工精度的穩(wěn)定控制。氣門導(dǎo)管底孔尺寸精度假如控制不穩(wěn)定，將嚴(yán)重影響氣門導(dǎo)管與缸蓋的緊配合度，從而影響發(fā)動機的可靠性。因此，加工過程中一定

要考慮精度的要求，以避免不必要的誤差出現(xiàn)。

3.3.4缸蓋凸輪軸孔的加工

作為缸蓋的最長孔，缸蓋的凸輪軸孔如果運用分段或調(diào)頭加工的方式，雖然對機床設(shè)備及刀具相對簡單，一般也能基本保障凸輪的軸孔加工精度，但是不能滿足凸輪軸孔與同軸度的加工要求。因而，加工時應(yīng)盡量滿足一次成型的要求。對于長桿件而言，有效清除有關(guān)刀桿自身的重力是機械加工中一項很重要的難題。實際應(yīng)用中，需要采用帶有鏜模架的自動專機生產(chǎn)線或者運用刀具的自導(dǎo)向，清除刀桿對整體加工的重力影響因素。

3.3.5缸蓋加工過程中的毛刺

鋁合金材料的缸蓋加工材料是塑性材料，所以在整體加工中毛刺的產(chǎn)生不可避免。對于這些毛刺，加工中除了要選擇比較合適的參數(shù)外，更要提高工件材料的各類硬度。為了弱化加工過程中產(chǎn)生的各類毛刺，要經(jīng)常運用去除毛刺的方式，如尼龍刷去毛刺、高壓水去毛刺等。但是，這些操作存在一定的危險性,所以加工過程中一定要確保人身的安全。

4　缸蓋機加工工藝的注意事項

第一，為了有效控制工序質(zhì)量，工藝總體設(shè)計時必須同步考慮工序加工后的檢測。如在以毛坯定位的第一道工序后，應(yīng)專門設(shè)計有跟毛坯定位夾緊一致的專用檢具，按抽檢頻次對毛坯定位后加工件進行相符性檢測，防止本工序銑/鉆偏而嚴(yán)重影響后序的加工余量或壁厚。第二，由于缸蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)應(yīng)力在重新分布后會發(fā)生形變，這將嚴(yán)重影響其加工的精度。一般的加工原則是先面后孔，粗加工和精細(xì)加工分散進行，從而使應(yīng)力很好地釋放。第三，為了避免缸蓋的結(jié)合面出現(xiàn)劃傷，一般結(jié)合面都運用精加工工藝，以防止后續(xù)工藝對其產(chǎn)生破壞。第四，對自動化程度高的生產(chǎn)線，最好附帶夾具噴氣檢測和刀具折斷檢測，以避免不必要的損失。

5　結(jié)語

國外很多鋁合金缸蓋加工生產(chǎn)線都是運用全臥式的柔性加工線，但其綜合性成本偏高，一次加工投資金額較大。因此，根據(jù)實踐，按照國內(nèi)/外設(shè)備制造狀態(tài)，選用不同的國內(nèi)/外多型號的設(shè)備進行組線，按照粗、精加工，立臥結(jié)合的方式，優(yōu)化資源配置，降低成本，減少不必要的投資，在實現(xiàn)人工以及自動上下線生產(chǎn)考量中，制定最具性價比及適宜的工藝方案。

[1]孫宏根.NSE發(fā)動機項目工藝規(guī)劃設(shè)計創(chuàng)新技術(shù)研究[J].輕型汽車技術(shù)，2012，（Z3）：12-32.

[2]劉立波.發(fā)動機柔性制造策略及工藝探索[J].制造技術(shù)與機床，2014，（2）：23-56.

Automobile Engine Cylinder Head Machining Line of Process Design and Application

LIN Congli
(Yuchai machinery co., LTD., Yulin 537005)

Cylinder head is one of the core engine assembly parts, suc h as cooling and airway function to its i nternal structure is complex, this paper int roduces the importance of different parts from a functional perspective, the first si mple introduction of cylinder head material, and the wh ole mechanical m olding process, a n overview of the key and difficult point for all the process c haracteristics a nd existing, and combined with the si te operation, depending on the equipment, the production situation, make scientific and rational choice, the key to grasp the key parts, flexible and reasonable arrangement process, to ensure that the cylinder head finished goods in accordance with product standards.

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