發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)座圈密封錐面加工裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

(上海柴油機(jī)股份有限公司，上海 200438)

0 引言

氣缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，它的加工精度直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。而氣門(mén)座圈密封錐面和氣門(mén)導(dǎo)管孔的加工是整個(gè)氣缸蓋加工過(guò)程的關(guān)鍵工序，其加工精度影響柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力和排放指標(biāo)[1]。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的大批量生產(chǎn)中，氣門(mén)座圈密封錐面與導(dǎo)管孔的加工，除需要優(yōu)化加工工藝外，定位方式、加工方式、加工刀具結(jié)構(gòu)形式及刀具材料均需要重點(diǎn)關(guān)注。本文對(duì)氣門(mén)座圈密封錐面加工刀具結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了一種氣門(mén)座圈密封錐面加工裝置，其既能保證產(chǎn)品質(zhì)量，又能降低加工成本。

1 加工技術(shù)要求

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，氣門(mén)不斷地周期性開(kāi)啟和關(guān)閉，在氣門(mén)導(dǎo)管中往復(fù)運(yùn)動(dòng)并反復(fù)沖擊氣門(mén)座圈，因此氣門(mén)、氣門(mén)導(dǎo)管、氣門(mén)座圈三者是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最?lèi)毫拥哪Σ粮敝?。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)由于采用壓燃，壓縮比遠(yuǎn)高于汽油機(jī)，使氣門(mén)座圈承受更高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷沖擊。這就要求氣門(mén)座圈密封錐面具有良好的密封性，否則會(huì)導(dǎo)致氣門(mén)密封不嚴(yán)，燃燒室氣密性受到破壞，排氣溫度上升，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。

隨著當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊化程度不斷提升，氣門(mén)、氣門(mén)導(dǎo)管與氣門(mén)座圈附近更不易散熱，并長(zhǎng)期處于600～800 ℃的高溫狀態(tài)。如果此時(shí)氣門(mén)桿的中心有偏移，會(huì)造成有害的熱傳導(dǎo)及氣門(mén)桿與氣門(mén)導(dǎo)管的快速磨損，導(dǎo)致氣門(mén)導(dǎo)管上部裝配的油封密封不良，機(jī)油消耗增加[2]。因此，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不僅對(duì)氣缸蓋上的氣門(mén)座圈密封錐面中心與氣門(mén)導(dǎo)管孔中心有較高的同心度要求，即氣門(mén)座圈密封錐面對(duì)氣門(mén)導(dǎo)管中心的跳動(dòng)要求，而且對(duì)氣門(mén)座圈密封錐面的角度也有一定的要求。

批量生產(chǎn)中將上述2項(xiàng)要求轉(zhuǎn)化為氣門(mén)座圈密封錐面與氣門(mén)密封錐面的貼合度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定，通常采用涂色法進(jìn)行檢驗(yàn)；而且氣門(mén)座圈密封錐面上的加工紋理應(yīng)呈360°連續(xù)，這樣才能保證進(jìn)、排氣門(mén)密封良好，才能確保發(fā)動(dòng)機(jī)的有效輸出功率和排放指標(biāo)。氣門(mén)座圈密封錐面技術(shù)要求見(jiàn)圖1。

2 刀具要求

氣門(mén)座圈密封面加工，通常采用加工中心配以成型刀具的加工方式，密封錐面由成型刀具(見(jiàn)圖2)刮削而成，密封面形狀由成型刀具形狀所決定。成型刀具采用較大的切削刃面刮削，切削阻力較大，容易造成刃口開(kāi)裂。一旦成型刀具切削刃口開(kāi)裂就會(huì)導(dǎo)致密封表面不平整。因此，采用成型刀具加工氣門(mén)座圈密封錐面，需維持較高的刀具更換率，才能確保工序成品合格率。這樣不僅切削效率低，而且加工成本也偏高。

為了解決以上難題，特設(shè)計(jì)和制造了氣門(mén)座圈密封錐面加工裝置(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“加工裝置”)，并通過(guò)改變工藝方案，啟用閑置的進(jìn)口5軸鏜床來(lái)提高生產(chǎn)效率，降低單件產(chǎn)品加工成本。

3 加工裝置設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

將成型刀具切削加工改成帶一定角度的切削加工，利用閑置的進(jìn)口5軸鏜床設(shè)備來(lái)完成氣門(mén)座圈錐面加工。根據(jù)閑置的進(jìn)口5軸鏜床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)利用鏜床鏜頭內(nèi)部液壓活塞桿的軸向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)來(lái)設(shè)計(jì)加工裝置，使加工裝置上的鏜削刀具沿著一定角度方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行鏜削，從而完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)座圈密封錐面的加工。

3.2 裝置結(jié)構(gòu)

加工裝置外形如圖3所示，具體結(jié)構(gòu)如圖4～6所示。

鏜頭安裝在5軸鏜床旋轉(zhuǎn)主軸上，加工氣門(mén)座圈密封錐面的鏜刀安裝在刀具底座上，刀具底座固定在鏜頭上；加工氣門(mén)導(dǎo)管孔的鏜刀安裝在鏜桿上，鏜桿固定在鏜頭的前端，鏜桿中心線(xiàn)與鏜頭中心線(xiàn)同軸線(xiàn)，確保氣門(mén)座圈錐面對(duì)氣門(mén)導(dǎo)管中心的跳動(dòng)要求。

導(dǎo)向蓋板固定于鏜頭的凹槽基準(zhǔn)面上，導(dǎo)向蓋板上設(shè)有T型導(dǎo)向槽，與鏜頭軸線(xiàn)形成一定角度。鏜頭內(nèi)裝有凹槽的活塞桿和定位銷(xiāo)，定位銷(xiāo)上裝有撥銷(xiāo)，其可圍繞定位銷(xiāo)自由轉(zhuǎn)動(dòng)；撥銷(xiāo)一端位于活塞桿凹槽內(nèi)，另一端位于刀具底座凹槽內(nèi)。通過(guò)油缸使活塞桿作軸向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)撥銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)刀具底座沿導(dǎo)向蓋板中T型導(dǎo)向槽的既定軌跡斜向運(yùn)動(dòng)，對(duì)氣門(mén)座圈密封錐面進(jìn)行鏜削。加工不同錐角的氣門(mén)座圈密封錐面，需要采用相應(yīng)角度的導(dǎo)向蓋板和刀具底座。

刀具底座斜面上設(shè)有鍵槽，斜面鍵槽內(nèi)設(shè)有2個(gè)螺孔，2個(gè)螺孔內(nèi)各安裝一壓簧和調(diào)節(jié)螺釘，在導(dǎo)向蓋板的凹槽底面與斜面鍵槽之間安裝一阻尼鍵，見(jiàn)圖5～6。阻尼鍵、壓簧和調(diào)節(jié)螺釘構(gòu)成一阻尼裝置。在刀具底座中增加阻尼裝置，以消除機(jī)構(gòu)間隙；另外，刀具底座與導(dǎo)向蓋板T型導(dǎo)向槽配合采用能消除機(jī)構(gòu)間隙的契型配合，實(shí)現(xiàn)高精度加工要求。

4 加工裝置制造及試驗(yàn)驗(yàn)證

以排氣門(mén)座圈為例說(shuō)明加工裝置的制造及生產(chǎn)驗(yàn)證。

4.1 刀具底座

排氣門(mén)座圈密封錐面的角度技術(shù)要求為45°±0.5°。為保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量，加工裝置的公差取值范圍是技術(shù)要求公差的1/5，即45°±0.1°。因此，將刀具底座兩側(cè)斜面的鍵槽角度加工精度定為45°±0.1°。刀具底座主要零件見(jiàn)圖7。

4.2 導(dǎo)向蓋板

因鏜床鏜頭體錐面角為120°，當(dāng)工作臺(tái)進(jìn)給至導(dǎo)管孔鏜削完成時(shí)，工作臺(tái)觸及限位器而停頓，此時(shí)的鏜頭與氣缸蓋夾具端面只剩10 mm的間隙，因此加工裝置的導(dǎo)向蓋板外形必須小于鏜頭體外形，且與刀具底座是動(dòng)配合。因此，導(dǎo)向蓋板上的T形導(dǎo)向槽的半錐角也須加工成45°±0.1°，并設(shè)定合適的配合精度。導(dǎo)向蓋板主要結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

將加工裝置各部件組裝后安裝到5軸鏜床專(zhuān)機(jī)上，讓設(shè)備空運(yùn)轉(zhuǎn)5 min，確保各系統(tǒng)運(yùn)作正常。先對(duì)夾具和工件面進(jìn)行清理、裝夾，然后開(kāi)機(jī)加工6個(gè)排氣座圈密封錐面。切削刀具材料為立方氮化硼。加工到第5個(gè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)加工過(guò)的排氣座圈密封錐面上有擠壓痕跡。經(jīng)分析確認(rèn)，是由切削速度過(guò)快造成的，故對(duì)設(shè)備的切削速度進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)立方氮化硼的車(chē)削用量表，按下列公式[3]計(jì)算，得到切削進(jìn)給時(shí)間為20 s：

t=h/(nf)

(1)

式中：t為進(jìn)給時(shí)間，s；h為切削深度，mm；n為主軸轉(zhuǎn)速，r/min；f為進(jìn)給量，mm/r。

將設(shè)備的切削速度調(diào)整為20 s，重新開(kāi)機(jī)再加工12個(gè)排氣座圈密封錐面。加工完成后，未發(fā)現(xiàn)加工后的排氣座圈密封錐面上有擠壓痕跡。然后按工藝要求，用涂色法檢驗(yàn)排氣門(mén)座密封錐面的密封質(zhì)量。將錐面涂有顏色的排氣門(mén)涂色規(guī)插入相應(yīng)的排氣門(mén)導(dǎo)管孔(見(jiàn)圖9)，壓緊氣門(mén)座圈并旋轉(zhuǎn)，然后取出涂色規(guī)，檢測(cè)氣門(mén)座圈密封錐面上的顏色是否周向均勻分布，再用三坐標(biāo)儀測(cè)量氣門(mén)座圈密封錐面角度。

檢驗(yàn)結(jié)果：氣門(mén)座圈密封錐面加工紋理360°連續(xù)，錐面上的顏色周向均勻分布，三坐標(biāo)檢測(cè)座圈密封錐面錐度全部合格，如表1所示。

表1 試加工檢測(cè)數(shù)據(jù)

5 應(yīng)用效果

加工裝置的試驗(yàn)成功，使氣門(mén)座圈密封錐面加工工序的節(jié)拍由原加工中心加工的20.5 min減少到現(xiàn)在專(zhuān)機(jī)加工的13.5 min，生產(chǎn)線(xiàn)由2班作業(yè)減為單班作業(yè)；同時(shí)，還理順了加工工藝線(xiàn)路，避免來(lái)回駁運(yùn)中零件磕傷碰壞現(xiàn)象，有利于產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；而且閑置專(zhuān)機(jī)得以激活，調(diào)劑出一臺(tái)柔性加工中心，取消了高價(jià)值刀具的使用；綜合各項(xiàng)，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品制造成本下降了3.6%。

6 結(jié)論

本文介紹的氣門(mén)座圈密封錐面加工裝置，結(jié)構(gòu)比較緊湊、加工質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率較高。其不但解決了氣門(mén)座圈密封錐面加工這一氣缸蓋工藝加工過(guò)程中的關(guān)鍵性難題，還增加了一種使用普通專(zhuān)機(jī)加工氣門(mén)座圈密封錐面的工藝方法，極大地提高了生產(chǎn)效率，開(kāi)辟了一種用非數(shù)控手段解決高精度加工問(wèn)題的思路和方法。