對發(fā)動機缸蓋氣門導管孔精鉸刀具的優(yōu)化

林一 鄭文清

【摘 要】在競爭日益激烈的今天，制造企業(yè)如何在保證產(chǎn)品生產(chǎn)加工質(zhì)量的前提下，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本，成為其主要研究方向。文章介紹了某車企B系列發(fā)動機氣缸蓋氣門導管的加工方式、工藝要求及刀具選型，通過分析現(xiàn)有典型的可調(diào)式換片氣門導管加工刀具的結(jié)構(gòu)及其存在的缺陷，提出新型一體式刀具的優(yōu)化方案，提高了刀具加工的穩(wěn)定性，提升了生產(chǎn)效率，降低了加工成本，并實現(xiàn)了氣門導管加工刀具的國產(chǎn)化。

【關鍵詞】B系列發(fā)動機；氣門導管；刀具；一體式；優(yōu)化

【中圖分類號】TG71 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）06-0058-03

0 引言

發(fā)動機是汽車的最核心部分，而作為整臺發(fā)動機的重要箱體零部件之一，發(fā)動機氣缸蓋加工質(zhì)量的好壞、精度的高低，是決定發(fā)動機性能的基礎。氣門導管孔的加工是氣缸蓋加工的關鍵點之一，特別是氣缸蓋氣門導管孔的加工精度的好壞將直接影響發(fā)動機的性能。如果進、排氣門導管孔與氣門的密封配合不佳，產(chǎn)生泄漏，會給發(fā)動機造成以下后果：氣缸壓縮比不足以達到設計要求，功率降低；油耗增加，排放量增大，有產(chǎn)生黑煙并污染環(huán)境的風險；會造成進氣管內(nèi)部空氣混亂，排氣門的溫度上升，造成積碳等。

在保證氣缸蓋氣門導管孔的加工精度及產(chǎn)品的質(zhì)量的情況下，如何提高刀具加工的穩(wěn)定性，提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率和降低加工成本，是各加工制造企業(yè)的主要研究方向。長久以來，發(fā)動機氣缸蓋氣門導管孔加工一直是一個難以攻克的技術(shù)難點。

某車企B系列發(fā)動機鋁合金氣缸蓋在氣門導管加工中，設計工藝為使用直徑為φ6.90 mm的粗鉸刀具（刀具編號T 21206/T 21209）進行預鉸孔加工，之后由直徑為φ7.00 mm的精鉸刀具（刀具編號T21207/T21210）完成最終加工。在日常加工生產(chǎn)過程中，精鉸刀具（刀具編號T 21207/T 21210）在刀片的使用前期，其加工壽命很短，刀刃磨損較快，加工約10件零件時，導氣門管尺寸就接近下差，需要多次換刀進行調(diào)整，影響生產(chǎn)效率和節(jié)拍。

1 氣門導管加工工藝簡述

發(fā)動機氣缸蓋氣門導管的工藝要求包括導管孔的直徑尺寸、導管孔的圓柱度（包括上、下截面直徑差值）、導管孔的直線度、導管孔與氣缸蓋底面形成的角度、導管孔壁的粗超度、導管孔的位置度等，而由刀具進行精度保證且穩(wěn)定性較差的是導管的孔徑尺寸。該車企B系列發(fā)動機氣缸蓋氣門導管的直徑要求為φ7.0 mm（公差為0，+0.015 mm），其加工尺寸如圖1所示。

加工氣缸蓋氣門導管時，先使用直徑為φ6.90 mm的粗鉸刀具（刀具編號T 21206/T 21209）對導管進行預加工，留出0.10 mm左右的余量，再由直徑為φ7.00 mm的精鉸刀具（刀具編號T 21207/T 21210，如圖2所示）進行最終加工，以保證產(chǎn)品氣缸蓋氣門導管的最終尺寸精度達到要求（公差為0，+0.015 mm）。

2 加工刀具的結(jié)構(gòu)分析

從工藝方面分析，氣缸蓋氣門導管孔的孔徑很小且深，以B系列發(fā)動機為例，孔徑只有φ7.00 mm，這屬于深孔加工，加工刀具的精鉸刀桿，其懸伸之長，對刀桿的剛性要求非常高，目前導管孔精鉸刀具的配備一般選用世界上主流的剛性復合刀具。目前，該車企B系列發(fā)動機氣缸蓋氣門導管加工一直采用國外進口可調(diào)式換片刀具，此款刀具組成部分為刀片（1個）、導向塊（2個）、壓板、調(diào)整螺釘、壓緊螺釘、液壓刀柄及刀體等，為機夾刀片形式，可通過調(diào)刀儀進行微調(diào)處理以確保刀片的尺寸精度。刀具切削刃由鎖緊螺母固定，并且由調(diào)整螺母調(diào)節(jié)刃高，當?shù)镀庸つp到一定程度后，可更換新刀片繼續(xù)使用。此類刀具設計的原理為用支撐導條來吸收切削產(chǎn)生的振動和阻力，傳導至刀桿上，利用刀桿的剛性來確保加工中的穩(wěn)定性，以避免加工中造成直徑、圓度、跳動等超差。導管加工部分采用精密超硬材料（PCD）刀片，并在其后方有2塊PCD導條，導條在刀具進入導管孔加工表面之后，起到支撐和擠壓修光的作用，使氣門孔內(nèi)部表面粗糙度達到要求。刀具結(jié)構(gòu)如圖3所示。

使用可調(diào)式換片刀具的優(yōu)點為刀具可調(diào)至固定的尺寸，可穩(wěn)定、精確地獲得需要的尺寸要求；采用單刃加工，不會受到雙向擠壓，加工出來的氣門導管孔幾何形狀精度較高；自行導向增加的刀具的剛性，保證了孔型的圓度和直線性；調(diào)刀時使用調(diào)刀儀、千分表等工具，保證儀器精確，操作可靠。

此刀具的缺點為由于是可調(diào)式換片結(jié)構(gòu)，調(diào)整螺釘存在間隙，新刀片在加工時，刀刃會有一定的回縮量，會有氣門導管孔徑急速縮小、刀桿斷裂等風險；新刀片前期加工壽命低，換刀頻次高，平均每天約換6次刀，生產(chǎn)效率較低；刀桿較為昂貴，刀片前期磨損較快，生產(chǎn)成本比較高；加工的氣門導管表面粗糙度較低；更換刀片時調(diào)刀工作比較繁瑣，刀具回刀調(diào)整時間比較久，浪費人力成本。

3 刀具一體式優(yōu)化

為提高缸蓋氣門導管的加工效率，降低加工成本，氣門導管加工采用新設計的焊接PCD一體式刀具，通過焊接處理的方式，將切削刀刃直接焊接在刀桿上，即刀刃與刀桿結(jié)合為一體，無需鎖緊螺釘，無需調(diào)整螺釘，無需調(diào)節(jié)刃高，氣門導管孔的最終尺寸精度通過刀具制造精度保證（如圖4所示）。

一體式刀具的特點為由于刀具采用的是刀刃刀桿焊接一體式結(jié)構(gòu)，制造時可考慮其加工中的形變量，進而保證刀具的切削精度，刀刃可直接加工至壽命結(jié)束，無需在加工過程中進行調(diào)整；可選擇采用多刃切削方式，在相同轉(zhuǎn)速時，多刃鉸刀的進給是單刃鉸刀的2倍以上，加工效率高；加工過程中，切削刀刃所受的徑向力和切向力均由鉸刀桿承載，而刀桿的強度足以承受切削加工中所產(chǎn)生的綜合力；新設計刀具的切削刀刃不存在松動情況，則避免了刀具壽命過低、刀刃回縮或者螺母松動等問題造成的換刀頻繁現(xiàn)象，提高生產(chǎn)效率，同時降低了刀具的加工成本，減少了調(diào)刀工作量。

4 優(yōu)化成果及經(jīng)濟效益

將優(yōu)化設計的氣缸蓋氣門導管一體式焊接刀具于該公司二期、三期生產(chǎn)現(xiàn)場展開測試加工，測試合格后，進行批量驗證。驗證加工過程中，氣缸蓋氣門導管孔加工合格，且直徑分布與可調(diào)式換片刀具加工沒有明顯差異，對比2種類型刀具的加工數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)差異、穩(wěn)定性、成本等方面（見表1）。

此優(yōu)化成果的創(chuàng)新性體現(xiàn)為氣缸蓋氣門導管刀具一體式優(yōu)化屬創(chuàng)新型，在目前刀具結(jié)構(gòu)的基礎之上進行改造設計，新刀具的使用可減少換刀頻率及調(diào)刀時間；簡化了刀具的制造工藝，降低了刀具的制造成本；采用國內(nèi)刀具供應商進行刀具制造，實現(xiàn)了刀具國產(chǎn)化優(yōu)化；將刀具刀刃由可調(diào)式優(yōu)化為不可調(diào)試，減少了繁瑣的調(diào)刀工作，降低了人力成本；刀具結(jié)構(gòu)的改變，可滿足該公司原有的機床設備的加工要求，無需調(diào)整加工工藝及對設備進行改造。

根據(jù)該公司《節(jié)約效益換算標準》，經(jīng)濟效益計算如下：使用一體式優(yōu)化后的刀具CPU（單臺制造成本）節(jié)約1.26-0.68=0.58元，該公司發(fā)動機年產(chǎn)量為75萬臺；經(jīng)濟效益為0.58×75×10 000=510 000元；一體式刀具使用不需要換刀，可調(diào)式換片刀具按照每天換刀6次計算，每次換刀約花費時間10 min，即使用優(yōu)化后的一體式刀具可節(jié)約時間60 min，該企業(yè)發(fā)動機工廠缸蓋生產(chǎn)線共有104人；經(jīng)濟效益為10×21×6×12×26.77×104/60×10 000=702 000元；總共節(jié)約費用為510 000+702 000=1 212 000元。

5 結(jié)語

綜上所述，通過對B系列發(fā)動機鋁合金氣缸蓋氣門導管加工工藝及主流的可調(diào)換片式精鉸刀具結(jié)構(gòu)的分析，明確了刀具的優(yōu)化改進方向，采用一體式精鉸刀具代替?zhèn)鹘y(tǒng)的可調(diào)換片式精鉸刀具。該刀具優(yōu)化方案在柳州某汽車發(fā)動機工廠缸蓋生產(chǎn)線使用，成功地解決了氣缸蓋氣門導管加工過程中存在的加工穩(wěn)定性較差、換刀頻繁、生產(chǎn)效率較低、生產(chǎn)成本較高等問題，優(yōu)化方案實施后，生產(chǎn)線運行狀況良好，取得了可觀的經(jīng)濟效益。

參 考 文 獻

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[2]劉偉達.汽缸蓋座圈導管加工刀具結(jié)構(gòu)與加工質(zhì)量的分析[J].工具技術(shù)，2017（5）.

[3]史勝祥，黃建松.氣缸蓋導管孔槍鉸刀具優(yōu)化試驗研究[J].汽車工藝與材料，2008（5）.

[責任編輯：鐘聲賢]