鑄鋁缸蓋凸輪軸孔加工工藝分析

魏偉， 夏紹彤

（東風(fēng)朝陽(yáng)朝柴動(dòng)力有限公司，遼寧朝陽(yáng)122000）

0 引言

圖1 缸蓋結(jié)構(gòu)圖

NGD3.0缸蓋的生產(chǎn)線(xiàn)為高速臥式加工中心配輔機(jī)和組合機(jī)床形成的生產(chǎn)線(xiàn)，在鑄鋁缸蓋上加工凸輪軸孔，是一個(gè)新的工藝嘗試。本文以我公司NGD3.0鑄鋁缸蓋過(guò)程開(kāi)發(fā)為例，探討鑄鋁材質(zhì)上凸輪軸孔的加工工藝。

1 傳統(tǒng)的凸輪軸孔加工方式

1.1 普通鏜床

該加工方式用于工件的試制和小批量生產(chǎn)階段，屬于過(guò)程開(kāi)發(fā)初期為了減小投資而使用的工藝。其特點(diǎn)是依據(jù)機(jī)床的工作臺(tái)，設(shè)計(jì)工件的夾具，多為手動(dòng)夾具。夾具主要包括：刀桿的前后導(dǎo)向裝置、工件的抬起落下讓刀裝置、工件的定位銷(xiāo)及定位墊鐵、工件的夾緊裝置等。刀桿為線(xiàn)性雞心鏜桿，在鏜桿上根據(jù)工件的檔寬，布置半精加工和精加工刀夾，刀桿與機(jī)床主軸采用聯(lián)軸器進(jìn)行連接。其操作比較麻煩，勞動(dòng)強(qiáng)度大。

1.2 組合機(jī)床

該加工方式應(yīng)用于批量生產(chǎn)階段。根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)要求非標(biāo)設(shè)計(jì)，制造周期一般為1 a。機(jī)床特點(diǎn)是依據(jù)一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，兼容能力差，其夾具為液壓夾具，夾具前后導(dǎo)向裝置上有認(rèn)刀機(jī)構(gòu)。刀具與普鏜加工方式的刀具基本一致。該機(jī)床加工多為全自動(dòng)加工，操作者只需要負(fù)責(zé)上下工件和工件檢測(cè)，機(jī)床加工精度也較高。

1.3 臥式加工中心

該加工方式應(yīng)用于批量生產(chǎn)階段[1]。臥式加工中心配備專(zhuān)用的夾具和刀具，臥式加工中心為雙托盤(pán)，其中一個(gè)用于加工，另一個(gè)用于工件的上下料。由于夾具需要在機(jī)床工作臺(tái)之間進(jìn)行交換，所以?shī)A具設(shè)計(jì)為保壓夾具，與前兩種夾具方案基本一致。凸輪軸孔加工刀具使用自導(dǎo)向鉸刀、鏜刀或?qū)Ｓ玫木€(xiàn)性鏜刀桿配機(jī)夾式鏜刀，由于刀庫(kù)的空間限制，不能在刀庫(kù)內(nèi)進(jìn)行選刀和更換刀具，一般在機(jī)床加工室內(nèi)設(shè)計(jì)機(jī)床刀具的存放裝置和導(dǎo)向裝置。

1.4 立式加工中心

該加工方式應(yīng)用于批量生產(chǎn)階段。受立式加工中心的行程限制，主要應(yīng)用在鑄鋁缸蓋和缸蓋體積較小的加工。夾具為液壓夾具或者保壓夾具，工件立放，凸輪軸孔與機(jī)床主軸平行。刀具為非標(biāo)專(zhuān)用刀具，一般為兩把，一把短的和一把長(zhǎng)的，多為鉸刀或鏜刀，第一把短刀具先在缸蓋加工出一個(gè)孔，之后第二把刀具以該孔作為基準(zhǔn)，進(jìn)行其余孔的加工，由于刀具沒(méi)有前后支撐，因此刀具自身具有自導(dǎo)向功能。

圖2 凸輪軸孔技術(shù)要求

2 NGD3.0缸蓋凸輪軸孔加工方式

2.1 凸輪軸孔的技術(shù)要求

凸輪軸孔產(chǎn)品圖樣要求如圖2所示，加工定位基準(zhǔn)為缸蓋底面基準(zhǔn)A，底面兩定位銷(xiāo)孔基準(zhǔn)B、C，總長(zhǎng)為445 mm，直徑為，表面粗糙度為Ra0.3～0.8 μm，圓柱度為0.01 mm，位置度為φ0.05 mm。

自然景觀(guān)是不可移動(dòng)的旅游資源，觀(guān)賞石是可流動(dòng)的旅游景觀(guān)，通過(guò)加工、包裝，將成為獨(dú)具特色的旅游紀(jì)念品、旅游工藝品、特色收藏品，也是寶貴的地質(zhì)科普陳列品。

凸輪軸孔在缸蓋上的半圓部分半精加工完成后，將軸蓋把合在安裝面上，并用螺栓擰緊，使之成為一個(gè)整體，是一組等徑五檔孔。該孔加工主要有以下特點(diǎn)：

1）材質(zhì)為鑄鋁合金，特點(diǎn)是傳熱系數(shù)高，線(xiàn)膨脹系數(shù)大，在加工過(guò)程中會(huì)大量吸收切削熱，使工件發(fā)生熱變形，而且鋁合金硬度和熔點(diǎn)都較低，因此加工過(guò)程中切屑容易與刀具發(fā)生“膠焊”或粘連，形成積屑瘤。

2）軸蓋合成后，毛坯余量不均，內(nèi)孔及端面非常不規(guī)則，易造成刀具的振動(dòng)。

3）NGD缸蓋凸輪軸孔無(wú)軸瓦，當(dāng)凸輪軸孔加工不能滿(mǎn)足要求時(shí)，只能報(bào)廢缸蓋，需要保證成品率。

4）凸輪軸孔的長(zhǎng)徑比達(dá)15，等徑五檔孔屬典型的深孔斷續(xù)加工。

5）孔徑是細(xì)長(zhǎng)的，切削刀桿也是細(xì)長(zhǎng)的，加工時(shí)易發(fā)生撓曲變形，需要支撐加強(qiáng)刀桿的剛度，但由于NGD3.0缸蓋的結(jié)構(gòu)限制，無(wú)法在缸蓋中間增加支撐。

表1 凸輪軸孔加工工藝

2.2 凸輪軸加工工藝分析

考慮NGD缸蓋凸輪軸孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，及參考傳統(tǒng)凸輪軸的加工工藝，NGD3.0缸蓋加工工藝采取臥式加工中心進(jìn)行粗加工、半精加工，組合機(jī)床進(jìn)行精加工的加工工藝如表1所示。

工序10、工序20、工序30與傳統(tǒng)的加工工藝沒(méi)有區(qū)別，本文不做重點(diǎn)介紹，著重介紹凸輪軸半精加工工序40和工序50，該序?qū)儆诤贤吆蟮陌刖庸ず途庸すば?，直接決定凸輪軸孔的加工質(zhì)量。

2.3 凸輪軸孔的半精鉸加工

1）技術(shù)方案。凸輪軸孔半精加工工序40，其需要去除軸蓋把合變形、切削余量不均勻等因素的影響，保證精加工凸輪軸孔加工余量均勻。同時(shí)考慮缸蓋長(zhǎng)度較長(zhǎng)，立式加工中心行程不夠，所以選擇“高速臥式加工中心+保壓夾具+專(zhuān)用刀具”的工藝方案。

2）機(jī)床、夾具。機(jī)床選用豐田FH63S高速臥式加工中心，最高轉(zhuǎn)速12 000 r/min，雙托盤(pán)交換式。夾具為保壓夾具，工件姿態(tài)正放，凸輪軸孔軸線(xiàn)與機(jī)床主軸平行，定位使用缸蓋底面和底面2×φ16H7定位銷(xiāo)孔，夾緊點(diǎn)為進(jìn)、排氣面內(nèi)氣道。

圖3 凸輪軸半精加工刀具

3）刀具。專(zhuān)用非標(biāo)自導(dǎo)向鉸刀，與機(jī)床主軸接口為BT50，刀具如圖3所示，刀具分為兩把，一把短鉸刀，一把長(zhǎng)鉸刀，刀具上帶有導(dǎo)向條，可以使用已加工過(guò)的孔進(jìn)行導(dǎo)向，保證孔的同軸度。

圖4 凸輪軸半精加工工步圖

4）切削過(guò)程。其切削工步[3]如圖4所示，先采用短凸輪軸孔鉸刀，加工凸輪軸孔1；工作臺(tái)轉(zhuǎn)位，加工凸輪軸孔5；之后換長(zhǎng)凸輪軸孔鉸刀，以凸輪軸孔5導(dǎo)向，加工凸輪軸孔3、4；工作臺(tái)轉(zhuǎn)位，以凸輪軸孔1導(dǎo)向，加工凸輪軸孔2。

2.4 凸輪軸孔的槍鏜加工

1）技術(shù)方案?；谕馆嗇S孔長(zhǎng)徑比大于15，長(zhǎng)度為445 mm，圓柱度要求很高；標(biāo)準(zhǔn)立、臥式加工中心行程不夠；鏜刀桿的導(dǎo)向裝置布置及刀桿自身強(qiáng)度；組合機(jī)床相關(guān)切削參數(shù)可調(diào)整范圍大、節(jié)拍快，確定“組合機(jī)床+液壓夾具+專(zhuān)用槍鏜刀具”的工藝方案。

2） 機(jī)床、夾具。機(jī)床為組合機(jī)床，如圖5所示，機(jī)床單面臥式布置，由機(jī)床底座、夾具、滑臺(tái)、鏜頭、鏜桿、刀具、排屑裝置、液壓站、電氣柜等組成。其中系統(tǒng)采用西門(mén)子802DC數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)給電動(dòng)機(jī)為伺服電動(dòng)機(jī)，濕式加工，自動(dòng)排屑，鏜頭采用德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DSS80通用鏜頭。

圖5 凸輪軸孔加工專(zhuān)用機(jī)床

夾具為推進(jìn)拉出式液壓夾具，如圖6所示，工件以缸蓋底面及2×φ16H7銷(xiāo)孔定位，與半精加工定位基準(zhǔn)統(tǒng)一，固定式定位銷(xiāo)，多點(diǎn)定位墊鐵，頂面夾緊，夾具鏜模架采用滾動(dòng)式導(dǎo)套，導(dǎo)套軸承采用進(jìn)口軸承。

圖6 凸輪軸孔精加工夾具和刀具

3）刀具。專(zhuān)用非標(biāo)槍鏜刀，德國(guó)瑪帕刀桿配可調(diào)機(jī)夾式單刃鏜刀如圖6所示，刀片材料為金剛石（PCD），刀柄為HSK刀柄，刀具帶有內(nèi)冷卻裝置。

采用可調(diào)式單刃槍鏜刀[2]可以實(shí)現(xiàn)自導(dǎo)向多孔加工，刀桿上安裝有兩條均布的導(dǎo)向條，可以保證刀具加工中徑向跳動(dòng)，也能承受由于余量不均勻引起的切削力不平衡，造成刀桿振動(dòng)，且增加導(dǎo)向條后，刀桿的懸臂長(zhǎng)度大大減小，可增加刀具的剛性。

采用HSK刀柄[3]是因?yàn)槠溴F面、端面過(guò)定位的結(jié)合形式，可以有效地提高結(jié)合剛度，接口的重復(fù)精度在3μm以下，空心短圓錐結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的抗扭能力。

精加工刀片采用金剛石（PCD）材質(zhì)[4]，是因?yàn)槠渚哂懈叩挠捕群湍湍バ?，具有非常鋒利的刀刃，有很好的導(dǎo)熱性，線(xiàn)膨脹系數(shù)很小，摩擦因數(shù)也小，由于金剛石硬度高，表面與鋁合金親和力小，且刀具一般拋光成鏡面，不易產(chǎn)生積屑瘤，對(duì)加工孔的粗糙度也比較好。

4）切削過(guò)程。工件由人工推送到夾具中，工件落下，進(jìn)行定位和夾緊，然后加工，加工時(shí)刀具通過(guò)機(jī)床夾具上靠近主軸側(cè)的導(dǎo)向套進(jìn)行導(dǎo)向，5檔凸輪軸孔遞進(jìn)加工，上一個(gè)加工完成孔作為下一個(gè)孔加工過(guò)程中的刀具支撐，加工完成后，工件夾緊松開(kāi)，工件抬起，人工將工件拉出夾具。

2.5 切削驗(yàn)證

槍鏜鑄鋁缸蓋凸輪軸孔在加工調(diào)試過(guò)程中，出現(xiàn)了以下問(wèn)題：1）凸輪軸孔粗糙度超差；2）凸輪軸孔4、5有劃傷；3）圓柱度不穩(wěn)定，時(shí)有超差。

通過(guò)人、機(jī)、料、法、環(huán)進(jìn)行原因分析，查找影響因素，主要有幾個(gè)方面：1）加工過(guò)程中的鋁屑受熱粘在導(dǎo)向條上，造成對(duì)內(nèi)孔的劃傷，鋁屑排出不及時(shí)，在刀具表面形成積屑瘤。2）刀具的跳動(dòng)和加工刀片的倒錐太大（超過(guò)0.01 mm），刀片凸出導(dǎo)向條太高。3）切削液的影響[5]。切削過(guò)程中，刀片與工件接觸，發(fā)生劇烈摩擦，產(chǎn)生大量的切削熱，而90%以上的切削熱需要切削液帶走，同時(shí)切屑也需要切削液帶走，如果切削液不能完成這些任務(wù)，就會(huì)導(dǎo)致孔徑產(chǎn)生超差、劃傷等質(zhì)量問(wèn)題。同時(shí)切削過(guò)程中，導(dǎo)向條式刀具和工件加工表面應(yīng)形成一層潤(rùn)滑膜，這就要求切削液濃度和礦物油含量較高，如達(dá)不到要求，就無(wú)法形成油膜，也會(huì)出現(xiàn)粗糙度超差、加工表面拉毛現(xiàn)象。

圖7 凸輪軸孔改進(jìn)前后對(duì)比圖

根據(jù)原因分析，制定改進(jìn)方案：1）增大內(nèi)冷壓力，同時(shí)增加外部冷卻，用噴槍冷卻鏜刀片加工的部位，保證鋁屑順利排出；2）機(jī)床的主軸跳動(dòng)和導(dǎo)向套的跳動(dòng)調(diào)整到0.01 mm以?xún)?nèi)，半精鏜刀的倒錐調(diào)整到0.005 mm，精鏜刀的倒錐調(diào)整到0.008 mm；3）更換切削鋁件專(zhuān)用的切削液，切削液的濃度在10%以上，同時(shí)切削液中應(yīng)含有防止鋁變色的成分和礦物油成分。

效果驗(yàn)證：通過(guò)以上措施，消除了由于切削熱產(chǎn)生的導(dǎo)向條粘屑劃傷孔的問(wèn)題，保證了凸輪軸孔的粗糙度和圓柱度，改進(jìn)前后凸輪軸孔的對(duì)比如圖7所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

凸輪軸孔的加工質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)是非常重要的，而如何達(dá)到凸輪軸孔的加工質(zhì)量，需要借鑒傳統(tǒng)的加工工藝，分析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，形成凸輪軸孔的最終解決方案。我公司NGD鑄鋁缸蓋凸輪軸孔半精加工使用高速臥式加工中心配專(zhuān)用夾具和刀具，在保證其加工質(zhì)量合格的基礎(chǔ)上，利用組合機(jī)床和帶有自導(dǎo)向、內(nèi)冷的槍鏜刀具精加工凸輪軸孔，不但保證了凸輪軸孔的加工精度，而且提升了加工效率，進(jìn)而得出了鑄鋁缸蓋凸輪軸孔加工精度可靠的工藝方法，為同行業(yè)有類(lèi)似加工需求的企業(yè)提供參考。