汽車發(fā)動機(jī)氣缸蓋加工工藝技術(shù)研究

江文濤 趙鳳輝

（江蘇省揚(yáng)州市嶸泰工業(yè)發(fā)展有限公司，揚(yáng)州 225200）

氣缸蓋主要具有四種功能。一是氣缸蓋與缸體裝配后，與活塞頂部共同形成燃燒室，燃油混合氣體在燃燒室內(nèi)點(diǎn)燃燃燒，產(chǎn)生推力，推動活塞上下的運(yùn)動，為汽車提供動力；二是氣缸蓋是發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)、進(jìn)排氣歧管、進(jìn)出水管、鏈條罩蓋等部件的裝配基座；三是氣缸蓋內(nèi)鑄造有冷卻水套，冷卻水循環(huán)通過缸蓋和缸體水套，對發(fā)動機(jī)冷卻降溫，防止缸蓋及缸體的形變扭曲，保證其性能；四是缸蓋內(nèi)設(shè)計有油道，機(jī)油通過油道為各運(yùn)動部件提供潤滑機(jī)油，同時為可變氣門正時（Variable Valve Timing，VVT）機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動力。基于此，本文探討了發(fā)動機(jī)缸蓋的加工工藝。

1 氣缸蓋材料簡述

氣缸蓋承受著高溫高壓的作用，同時由于與高溫氣體接觸而承受很高的熱負(fù)荷。為了保證氣缸蓋的良好密封，氣缸蓋既不能損壞，也不能變形。為此，氣缸蓋必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。發(fā)動機(jī)氣缸蓋材料通常是鋁合金、灰鑄鐵和蠕墨鑄件。汽油發(fā)動機(jī)通常使用鋁合金，柴油發(fā)動機(jī)一般使用灰鑄鐵或蠕墨鑄鐵。鋁合金導(dǎo)熱性好，有利于提高發(fā)動機(jī)的壓縮比。另外，鋁合金鑄造性能優(yōu)異，適于澆鑄結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。下面針對鋁合金氣缸蓋加工工藝進(jìn)行介紹分析。

2 生產(chǎn)線工藝與設(shè)備概述

在現(xiàn)代加工工藝中，加工中心組成的柔性加工系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用，而之前的專用設(shè)備生產(chǎn)線已逐漸被淘汰。柔性生產(chǎn)線可適用于多型號的產(chǎn)品，也方便產(chǎn)品的換型及后期改造，從而減少投入及改造成本。從成本及加工工藝的角度出發(fā)，立式加工中心（多采用BT40直聯(lián)主軸）與臥式加工中心（多采用HsK63電主軸）組合的柔性生產(chǎn)系統(tǒng)是一種更具成本效益的解決方案，同專用的打標(biāo)、壓裝、清洗以及測漏設(shè)備組成氣缸蓋生產(chǎn)線。氣缸蓋各面孔系、下表面的半精加工可采用立式加工中心完成。臥式加工中心加工產(chǎn)品高精度要求內(nèi)容，包括下表面的精加工、進(jìn)排氣導(dǎo)管座圈孔和凸輪軸承孔。在生產(chǎn)線的整體布局中，常采用“一”或“U”型生產(chǎn)線。設(shè)計過程中必須嚴(yán)格認(rèn)真考慮最短的物流、最快的人機(jī)工程學(xué)、操作員的人體工程學(xué)、生產(chǎn)線周期的平衡以及投資和產(chǎn)出的綜合成本。

3 鋁合金氣缸蓋加工工藝的分析及難點(diǎn)

3.1 氣缸蓋重要加工內(nèi)容的介紹

因氣缸蓋功能的多樣性及重要性，其設(shè)計結(jié)構(gòu)是發(fā)動機(jī)中最復(fù)雜的部件，也是加工精度要求最高的部件。氣缸蓋的加工精度對發(fā)動機(jī)的整體性能和可靠性有著直接的影響。氣缸蓋內(nèi)的關(guān)鍵加工部位是導(dǎo)管座圈安裝孔、導(dǎo)管座圈孔、進(jìn)排氣挺桿孔、進(jìn)排氣凸輪軸孔以及VVT閥安裝孔（部分VVT閥安裝孔設(shè)計在氣缸蓋罩上）。以上的加工內(nèi)容的質(zhì)量需嚴(yán)格進(jìn)行控制。

3.2 氣缸蓋平面的加工工藝

氣缸蓋的上下表面和進(jìn)排氣面都是密封安裝面，平面的平面度、平行度及表面粗糙度等精度要求較高，是整個加工過程的基礎(chǔ)。因此，要求機(jī)床具有較高的幾何精度和刀具調(diào)整精度?，F(xiàn)在PCD金剛石刀具已被廣泛地應(yīng)用到鋁合金的加工中，PCD刀片可很好地保證加工面的精度，平面度可保證在0.04以內(nèi)，粗糙度可達(dá)到Ra1.2以內(nèi)（部分表面有網(wǎng)紋粗糙度區(qū)間要求，需調(diào)高部分刀片，通過調(diào)整轉(zhuǎn)速及進(jìn)給加工參數(shù)實(shí)現(xiàn)，保證其粗糙度在要求的范圍內(nèi)），其加工效率及刀具壽命至少比硬質(zhì)合金刀具提高50%。目前，加工氣缸蓋各平面多采用可轉(zhuǎn)位PCD面銑刀，常采用75°主偏角刀片，并根據(jù)加工要求安裝不同數(shù)量的修光刃。進(jìn)排氣面因其結(jié)構(gòu)常采用小直徑的面銑刀，分粗精加工兩道工序。上下端面有很高的精度要求，精加工時多采用大直徑的面銑刀（Ф220面銑刀）一刀完成加工，可保證面的精度要求。

3.3 氣缸蓋挺桿孔、導(dǎo)管座圈安裝孔的加工工藝

氣缸蓋的導(dǎo)管座圈安裝孔、挺桿孔和凸輪軸孔相互關(guān)系十分密切。在加工過程中，必須嚴(yán)格控制表面粗糙度、尺寸精度和位置精度。如果座圈導(dǎo)孔底孔、挺桿孔的尺寸精度不穩(wěn)定，將導(dǎo)致導(dǎo)管座圈的壓裝出現(xiàn)異常，并導(dǎo)致氣門導(dǎo)管與氣缸蓋的配合受到嚴(yán)重影響，影響發(fā)動機(jī)的可靠性。

氣缸蓋座圈安裝孔和導(dǎo)管安裝孔有很高的同軸度、直徑、圓柱度要求，導(dǎo)管底孔需采用硬質(zhì)合金鉆頭預(yù)加工，此處需注重刀具的排屑；再采用PCD刀具完成導(dǎo)管座圈的粗加工。座圈導(dǎo)管底孔的精加工是一個難點(diǎn)，座圈底孔和導(dǎo)管底孔刀具需為一體式刀具，刀具為4刃瑪帕PCD鉸刀，在刀具修磨時需一次上機(jī)完成修磨，保證刀具的精度。精加工刀具需采用法蘭盤結(jié)構(gòu)，將刀具安裝至機(jī)床主軸內(nèi)，刀具的跳動需通過法蘭機(jī)構(gòu)調(diào)整至3μm以內(nèi)。需根據(jù)刀具加工情況給予加工參數(shù)，一般座圈底孔切削速度設(shè)定為300～450m/min，導(dǎo)管底孔的切削速度設(shè)定為150～220m/min。粗加工前端加工引導(dǎo)孔，以保證精加工刀具的加工精度。加工此孔前需確認(rèn)機(jī)床主軸的跳動、直線度，4軸轉(zhuǎn)臺精度及切削液濃度等，這些都會影響導(dǎo)管座圈孔的加工。

挺桿孔是用來安裝挺桿驅(qū)動氣門上下動作，完成四沖程過程的吸氣和排氣。一般工藝安排挺桿孔與導(dǎo)管座圈底孔在同一道工序完成加工。為保證此孔的加工精度，常采用導(dǎo)條鉸刀和四刃鉸刀加工，現(xiàn)多常采用4刃鉸刀加工，既可保證孔的精度，又可提高加工效率，降低加工成本。因?yàn)橥U孔與導(dǎo)管孔有同軸度要求，需確認(rèn)機(jī)床4軸轉(zhuǎn)臺的精度。

3.4 氣缸蓋導(dǎo)管座圈孔的加工工藝

導(dǎo)管和座圈具有嚴(yán)格的密封和匹配要求，對圓度、同心度和跳動有嚴(yán)格的要求。除此以外，還需控制座圈的加工深度，并需控制90°密封面的寬度（1.0～1.4mm），因其會直接影響發(fā)動機(jī)的性能。進(jìn)排氣門導(dǎo)管和座圈均為鐵基粉末冶金材料，座圈部位尺寸較大（Ф28，Ф31粗糙度Ra1.6），導(dǎo)管孔徑很?。ě? H7，圓柱度0.007，粗糙度Ra0.8），要保證其孔徑、圓柱度及座圈對導(dǎo)管的跳動（0.025）要求，需安排合理的加工工藝。由于座圈和導(dǎo)管的硬度和材料成分不同，刀片需采用不同材質(zhì)，座圈硬度較高（66～76HRA），采用CBN刀片加工；導(dǎo)管的硬度（60～90HRB）相對低一些，采用PCD刀片加工。加工此孔采用臥式加工中心，分粗精加工兩道工序，第一道工序采用瑪帕復(fù)合短刀具在導(dǎo)管上鏜出一預(yù)加工孔作為精加工的導(dǎo)向孔，座圈部位加工出30°、90°、140°三個錐面，并在90°錐面留0.2mm的精加工余量，主要目的是利用短刀具較好的剛性實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向孔與座圈孔的同軸。第二道工序采用瑪帕刀具獨(dú)特的導(dǎo)管座圈刀具，導(dǎo)管加工刀具為單刃帶導(dǎo)條PCD鏜刀，刀桿材質(zhì)為硬質(zhì)合金，沿預(yù)孔方向精鏜出導(dǎo)管孔；精加工座圈刀只有90°錐面的刀片，可通過調(diào)節(jié)螺釘調(diào)整刀片的高度，以達(dá)到可調(diào)整座圈加工深度的目的，并最終將座圈全部切出，完成整個導(dǎo)管座圈的加工。

3.5 氣缸蓋凸輪軸孔的加工

凸輪軸孔是氣缸蓋最長的孔，長徑比達(dá)20，無法采用常規(guī)的鏜刀和鉸刀完成加工。如果采用轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)自兩端加工，無法消除轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)定位誤差及機(jī)床的定位誤差。這就需要一種特殊的加工工藝，目前加工此孔多采用瑪帕的導(dǎo)條鏜刀（或與瑪帕刀具結(jié)構(gòu)類似）加工此孔。

采用兩把刀具完成此孔的加工，兩把刀具均采用法蘭盤結(jié)構(gòu)，刀具在加工前需在機(jī)床調(diào)整刀具的跳動在3μm以內(nèi)。刀具需在瑪帕專用凸輪軸承孔調(diào)刀機(jī)構(gòu)上調(diào)整精鏜刀片，鏜刀片的背錐一般調(diào)整為5～12μm，overhang一般為2～8μm，具體需要根據(jù)刀具的加工情況進(jìn)行調(diào)整。第一把刀具為引導(dǎo)的導(dǎo)條鏜刀，此刀具比較短，剛性好。刀具前端為兩片可換PCD粗鏜刀片，采用螺釘鎖緊，后端為可調(diào)的PCD精加工刀片，刀具前端安裝有三個PCD導(dǎo)條，以保證孔加工的圓度，后端為4個硬質(zhì)合金導(dǎo)條，以起到對刀具的支撐作用。引導(dǎo)刀具完成第1檔（直徑Ф34.5H7，圓柱度0.01）的粗加工和第2檔（直徑Ф23H7，圓柱度0.01）的精加工。第2把刀具結(jié)構(gòu)與第一把刀具結(jié)構(gòu)類似，但是刀具長度更長，通常四缸機(jī)的凸輪軸承孔精加工刀具長度為420mm左右。采用第一把刀具加工的第2孔作為支撐孔（支撐孔一般比第二把刀具直徑大5μm），粗精加工第3、4、5檔孔，精加工第1檔孔，從而完成凸輪軸孔的加工。加工中需保證冷卻液充分覆蓋，切削濃度一般控制在8%以上，切削液會在導(dǎo)條與凸輪軸孔間形成一層油膜，對刀體起到支撐作用，并避免導(dǎo)條不劃傷孔壁。

4 結(jié)語

本文通過分析氣缸蓋功能及其裝配零部件關(guān)系，明確了氣缸蓋加工工藝的關(guān)鍵加工部位。這有助于人們在現(xiàn)場加工過程中把握關(guān)鍵，合理地選擇設(shè)計加工刀具及機(jī)床，靈活地編排加工工藝。筆者分享了通過現(xiàn)場加工獲得的經(jīng)驗(yàn)，為現(xiàn)場加工中解決問題及工藝改進(jìn)提供了思路。