淺談復(fù)合式缸孔加工工藝的技巧方法

黃幸周

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司 廣西玉林 537000）

氣缸體作為發(fā)動(dòng)機(jī)中重要的構(gòu)成，對(duì)氣缸體加工尺寸和誤差需要嚴(yán)格控制，避免對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生直接影響。以往由于我國(guó)缺乏氣缸體加工核心技術(shù)，只能從國(guó)外購(gòu)入氣缸體專用加工設(shè)備，國(guó)外企業(yè)在氣缸體加工技術(shù)領(lǐng)域中處于壟斷地位，技術(shù)和設(shè)備價(jià)格昂貴。經(jīng)過(guò)我國(guó)各個(gè)企業(yè)和科研團(tuán)隊(duì)的多年努力，南汽科研團(tuán)隊(duì)在氣缸體加工技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展，其研發(fā)的精鏜缸孔精密雙軸機(jī)床設(shè)備逐漸替代國(guó)外設(shè)備，為氣缸體加工提供重要支持。

1 復(fù)合式氣缸體缸孔加工技術(shù)背景

氣缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要構(gòu)成部件，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃機(jī)基礎(chǔ)骨架主要由氣缸套、氣缸蓋和氣缸體構(gòu)成。由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室處于高溫、高壓環(huán)境，對(duì)于氣缸體和氣缸蓋之間的密封度要求嚴(yán)格。傳統(tǒng)氣缸蓋為了保證達(dá)到密封條件，在缸孔周圍設(shè)置螺栓孔，安裝氣缸套后凸出缸體頂面，要嚴(yán)格控制凸出面的尺寸精度，同時(shí)也要嚴(yán)格控制缸墊厚度和螺栓力矩，才能保證缸墊受到壓力達(dá)到密封要求。為保證密封，在缸孔周圍設(shè)置多個(gè)螺栓孔，必然造成氣缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工生產(chǎn)困難，也影響到鼻梁區(qū)的冷卻效果。另外，氣缸墊厚度、頂面突出高度及螺栓力矩的加工都對(duì)工藝技術(shù)要求更高，若技術(shù)不達(dá)標(biāo)，很容易發(fā)生漏氣、漏油故障，影響發(fā)動(dòng)機(jī)整體質(zhì)量。

因此，需要對(duì)復(fù)合式氣缸蓋進(jìn)行開發(fā)，將氣缸體水套轉(zhuǎn)移至氣缸蓋上，于氣缸蓋上面設(shè)置缸孔，對(duì)缸孔底面的加工要求高，必須使用專用設(shè)備和刀具才能保證達(dá)到精度要求。由于開發(fā)新產(chǎn)品變動(dòng)性較大，使用的專用刀具和設(shè)備的周期性短，需要頻繁更換刀具，增加了設(shè)備開發(fā)和加工的成本。目前，氣缸蓋加工存在以下難點(diǎn)。（1）由于氣缸蓋底和缸孔交接位置均為弧面，復(fù)合缸孔位于燃燒室，需要在高溫、高壓環(huán)境下工作，若底面和缸孔連接位置銜接不佳，極容易受到高溫、高壓作用發(fā)生開裂問(wèn)題，造成發(fā)動(dòng)機(jī)故障。（2）缸孔底面對(duì)加工精度要求更高，對(duì)使用的加工刀具要求嚴(yán)格，加工期間在中心位置的徑向進(jìn)給速度為0，復(fù)合缸孔無(wú)法橫向銑削整個(gè)底面，只能由徑向銑削加工，加工難度高，因此，更需要研發(fā)缸孔加工技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化加工工藝提高氣缸加工精度，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量要求。積極應(yīng)用普通鏜刀和銑刀加工，減少制作專用刀具，在加工中心內(nèi)展開缸孔加工，以最大限度節(jié)約加工成本，最終得以延長(zhǎng)氣缸體部件的壽命，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的故障率［1］。

2 復(fù)合式氣缸體缸孔加工工藝安排

2.1 復(fù)合式氣缸體缸孔加工工藝安排原則

復(fù)合式氣缸體缸孔的加工工藝安排原則主要為以下3 個(gè)方面。（1）在大表面上，將多余的加工層進(jìn)行切除，以此確保在對(duì)其進(jìn)行精加工切削處理后切削處理造成其形變量較小。（2）將容易發(fā)現(xiàn)復(fù)合式氣缸體內(nèi)部缺陷的工序安排在前幾道工序中，降低不必要加工浪費(fèi)情況的發(fā)生概率。（3）將復(fù)合式氣缸體缸孔的深孔加工措施及大孔徑加工措施安排在復(fù)合式氣缸體缸孔加工工藝的前面工序中，避免由于加大內(nèi)引力對(duì)后續(xù)復(fù)合式氣缸體缸孔加工工序的精細(xì)加工產(chǎn)生影響。

2.2 影響復(fù)合式氣缸體缸孔精度的因素

對(duì)復(fù)合式氣缸體缸孔精度產(chǎn)生影響的加工因素主要有以下3 方面。（1）復(fù)合式氣缸體缸孔加工工藝順序。（2）復(fù)合式氣缸體缸孔加工定位的精度。（3）復(fù)合式氣缸體缸孔加工的硬件條件。

復(fù)合式氣缸體缸孔加工工藝順序?yàn)椋盒枰葘?duì)氣缸體的頂部、底部、前部及后部4個(gè)區(qū)域中的大面積大部分加工余量進(jìn)行切除，以此釋放氣缸體的鑄造應(yīng)力。在對(duì)復(fù)合式氣缸體缸孔進(jìn)行精加工之前，還需要完成各個(gè)面的孔加工操作，避免精加工缸孔時(shí)對(duì)其他缸孔造成缸孔變形的影響。主軸承孔的剛性和缸孔剛性相比更高，所以，在進(jìn)行復(fù)合式氣缸體缸孔精加工操作時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行主軸承孔的加工，之后再進(jìn)行其他缸孔加工。

復(fù)合式氣缸體缸孔加工定位的精度指的是由于定位基準(zhǔn)不準(zhǔn)確造成的加工工藝問(wèn)題，這一問(wèn)題主要表現(xiàn)為缸孔的壁厚不均、鏜削余量分配不均，使得復(fù)合式氣缸體缸孔的加工階段出現(xiàn)受力分布不均的情況，使得復(fù)合式氣缸體缸孔精加工操作后無(wú)法達(dá)到孔徑、圓柱度及圓度等加工精度方面的要求。

復(fù)合式氣缸體缸孔的硬件條件主要包括加工設(shè)備精度保證、加工設(shè)備的穩(wěn)定性保證、工裝夾具的剛性保證、工裝夾具的定位準(zhǔn)確程度、刀具切削過(guò)程中的均勻受力等。

復(fù)合式氣缸體缸孔的加工主要使用的加工工藝為鏜削工藝。鏜削工藝的流程為：將復(fù)合式氣缸體工件在工作臺(tái)上進(jìn)行固定，之后讓刀具隨著加工設(shè)備的主軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，依靠工作臺(tái)移動(dòng)運(yùn)動(dòng)及主軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，達(dá)到鏜削操作目的。通常使用的鏜刀類型為微調(diào)鏜刀和定位鏜刀。

復(fù)合式氣缸體缸孔的加工工藝流程為：毛坯孔；粗鏜缸孔；半精鏜缸孔；精鏜缸孔；鏜止口；珩磨缸孔［2］。

3 復(fù)合式氣缸體缸孔加工的技術(shù)要求

3.1 加工設(shè)備的選擇

對(duì)于復(fù)合式氣缸體缸孔加工設(shè)備的選擇，首先需要根據(jù)加工工藝設(shè)計(jì)技術(shù)要求對(duì)設(shè)備的工作任務(wù)、預(yù)計(jì)產(chǎn)能、質(zhì)量目標(biāo)及柔性條件等進(jìn)行明確，并結(jié)合技術(shù)學(xué)習(xí)調(diào)研、與設(shè)備制造商溝通、同行業(yè)對(duì)比、以往應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)反饋和工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化原則等進(jìn)行復(fù)合式氣缸體缸孔加工工藝的設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)成果在加工設(shè)備選擇的具體技術(shù)要求中進(jìn)行應(yīng)用。加工中心是對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字控制設(shè)備，其在可靠性及柔性方面都進(jìn)行了有效的提高，具有加高的性價(jià)比。

3.2 工裝夾具的設(shè)計(jì)

復(fù)合式氣缸體缸孔加工中使用工裝夾具設(shè)備，需要在完成工件加工工藝的設(shè)定之后，根據(jù)加工工序內(nèi)容及加工工序要求開展。工裝夾具的設(shè)計(jì)質(zhì)量會(huì)直接對(duì)工件加工質(zhì)量、工件加工生產(chǎn)效率、工件加工操作安全程度、工件加工操作便捷程度及工件加工設(shè)備維護(hù)等方面產(chǎn)生影響。工裝夾具的設(shè)計(jì)是確保工件加工精度的關(guān)鍵點(diǎn)，其首先需要對(duì)定位基準(zhǔn)、定位方法、支撐點(diǎn)及壓緊點(diǎn)進(jìn)行正確的選擇，并且還需要設(shè)計(jì)工件定位裝夾氣密性的檢測(cè)功能，確保工件定位的準(zhǔn)確性，若有必要，還應(yīng)進(jìn)行加工受力分析及定位誤差分析操作，確保夾具設(shè)計(jì)可以達(dá)到工件加工的精度要求。工裝夾具設(shè)計(jì)應(yīng)盡量使用各類快速、高效的裝夾設(shè)施，盡量使用標(biāo)準(zhǔn)原件和結(jié)構(gòu)，以此確保操作的便捷程度，降低輔助時(shí)間和夾具制造成本，提高生產(chǎn)效率［3］。

4 復(fù)合式缸孔加工的技術(shù)的設(shè)計(jì)原理和具體實(shí)施方式

4.1 復(fù)合式缸孔加工技術(shù)的設(shè)計(jì)原理

根據(jù)復(fù)合式缸孔加工技術(shù)要求及原理，本文以使用普通銑刀和鏜刀便可以完成的復(fù)合式缸孔加工方法，這種方法具有操作簡(jiǎn)單、通用性較強(qiáng)的特點(diǎn)，其加工工藝流程如下。

（1）定位和安裝銑刀及鏜刀。即操作人員將需要加工的氣缸蓋進(jìn)行定位，使氣缸蓋的開口向上，并在加工中心部位進(jìn)行銑刀和鏜刀的安裝。

（2）銑操作。即操作人員使用銑刀對(duì)缸孔底部進(jìn)行螺旋插補(bǔ)精銑操作，之后，再對(duì)缸孔底部使用圓弧插補(bǔ)精銑操作，圓弧插補(bǔ)的直徑計(jì)算公式為“D=缸孔的設(shè)計(jì)直徑-鏜刀R×2”，銑削后的缸孔深度（h1）需要達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（3）鏜操作。即操作人員通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤及更換鏜刀的方式對(duì)缸孔側(cè)壁進(jìn)行加工，通常使用的鏜刀R應(yīng)在0.2～0.4mm 之間，確保鏜操作后的缸孔直徑也可以符合設(shè)計(jì)要求，鏜操作后的缸孔深度為h2，其需要比銑削后的缸孔深度（h1）小。

（4）加工完成后退出刀具操作。操作人員需要進(jìn)行以下4 步操作：①氣缸蓋的缸孔在實(shí)施螺旋插補(bǔ)操作之前需要進(jìn)行精銑和半精銑兩個(gè)步驟，缸孔的底部需要留出0.3～0.6mm 的余量，缸孔側(cè)壁則需要留出0.8～1.2mm 的余量；②進(jìn)行氣缸蓋缸孔加工操作，使缸孔底部的留有余量達(dá)到0.5mm，缸孔側(cè)壁的留有余量達(dá)到1.0mm；③在上述②操作中，操作人員需要將螺旋插補(bǔ)操作分成兩刀銑削進(jìn)行處理，第一刀銑削0.1mm，第二刀銑削0.4mm；④上述③操作中，操作人員通過(guò)鏜刀進(jìn)行鏜孔操作后的缸孔深度需要確保h2＜h1，并且缸孔深度應(yīng)在0.08～0.1mm的范圍內(nèi)。

這種方法和現(xiàn)階段使用的技術(shù)相比具有以下3個(gè)方面優(yōu)勢(shì)。（1）操作人員使用這種方法進(jìn)行氣缸蓋缸孔加工時(shí)，不需要依靠專業(yè)的刀具及設(shè)備來(lái)完成加工操作，可以通過(guò)現(xiàn)有的普通鏜刀和銑刀，借助加工中心就可以完成加工處理，可以有效節(jié)省設(shè)備采購(gòu)花費(fèi)的成本。（2）可以嚴(yán)格對(duì)鏜削后的缸孔深度進(jìn)行控制，確保鏜削操作的缸孔深度h2小于銑削操作的缸孔深度h1，若是出現(xiàn)鏜削操作的缸孔深度h2大于銑削操作的缸孔深度h1的情況，則會(huì)導(dǎo)致缸孔底部根處由于銑削操作出現(xiàn)凹坑。（3）可以選擇使用合理的圓弧插補(bǔ)直徑，圓弧插補(bǔ)直徑的計(jì)算公式為“D（圓弧插補(bǔ)直徑）=缸孔設(shè)計(jì)直徑-鏜刀R×2”。在“圓弧插補(bǔ)直徑D＜缸孔設(shè)計(jì)直徑-鏜刀R×2”的情況下，則會(huì)導(dǎo)致缸孔底部根處出現(xiàn)一圈突出的圓環(huán)；若是“圓弧插補(bǔ)直徑D＞缸孔設(shè)計(jì)直徑-鏜刀R×2”的話，則會(huì)導(dǎo)致氣缸底部和側(cè)壁的連接圓弧被銑削掉。

4.2 復(fù)合式缸孔加工技術(shù)的具體實(shí)施方式

作為對(duì)照，對(duì)復(fù)合式缸孔加工技術(shù)的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，此說(shuō)明僅為示范性說(shuō)明，并沒(méi)有對(duì)本方法的使用范圍及應(yīng)用進(jìn)行限制。通過(guò)進(jìn)行非限制性及非排他性案例的描述，其中，相同的標(biāo)記代表著相同部件，若有差異，則會(huì)特別標(biāo)注出來(lái)［4］。

4.2.1 案例一

一種復(fù)合式缸孔加工技術(shù)需要包括以下四步。（1）定位和安裝銑刀及鏜刀。即將需要加工的氣缸蓋進(jìn)行定位，使氣缸蓋的缸孔1開口向上，并在加工中心部位進(jìn)行銑刀和鏜刀的安裝。（2）銑操作。對(duì)缸孔1實(shí)施精銑和半精銑兩步，使缸孔1的底部可以留有0.3mm的余量，缸孔1的側(cè)壁可以留有0.8mm的余量。之后，使用銑刀對(duì)缸孔地面實(shí)施螺旋插補(bǔ)操作，螺旋插補(bǔ)操作需要分成兩刀銑削完成，第一刀銑削0.1mm，第二刀銑削0.4mm。之后，使用圓弧插補(bǔ)精銑，缸孔1的底面圓弧插補(bǔ)精銑也需要分成兩刀銑削完成，第一刀銑削0.3mm，第二刀銑削0.2mm，圓弧插補(bǔ)的直徑計(jì)算公式為“D=缸孔的設(shè)計(jì)直徑-鏜刀R×2”，銑削后的缸孔1深度h1需要達(dá)到設(shè)計(jì)要求。（3）鏜操作。操作人員對(duì)刀盤2進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，更換好鏜刀，鏜刀的規(guī)格為R0.4mm，對(duì)缸孔1的側(cè)壁進(jìn)行加工處理，使缸孔1的直徑可以滿足設(shè)計(jì)要求，鏜孔操作完成后的缸孔1深度為h2，h2需要小于h1，也就是0.08mm。（4）完成全部加工操作后，退出刀具。

4.2.2 案例二

另一種復(fù)合式缸孔加工技術(shù)需要包括以下四步。（1）定位和安裝銑刀及鏜刀。即將需要加工的氣缸蓋進(jìn)行定位，使氣缸蓋的缸孔開口向上，并在加工中心部位進(jìn)行銑刀和鏜刀的安裝。（2）銑操作。對(duì)缸孔實(shí)施精銑和半精銑兩步，使缸孔的底部可以留有0.5mm 的余量，缸孔的側(cè)壁可以留有1.0mm的余量。之后，使用銑刀對(duì)缸孔地面實(shí)施螺旋插補(bǔ)操作，螺旋插補(bǔ)操作需要分成兩刀銑削完成，第一刀銑削0.1mm，第二刀銑削0.4mm。之后，使用圓弧插補(bǔ)精銑，缸孔的底面圓弧插補(bǔ)精銑也需要分成兩刀銑削完成，第一刀銑削0.3mm，第二刀銑削0.2mm，圓弧插補(bǔ)的直徑計(jì)算公式為“D=缸孔的設(shè)計(jì)直徑-鏜刀R×2”，銑削后的缸孔1深度h1需要達(dá)到設(shè)計(jì)要求。（3）鏜操作。操作人員對(duì)刀盤進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，更換好鏜刀，鏜刀的規(guī)格為R0.4mm，對(duì)缸孔的側(cè)壁進(jìn)行加工處理，使缸孔的直徑可以滿足設(shè)計(jì)要求，鏜孔操作完成后的缸孔深度為h2，h2需要小于h1，也就是0.1mm。（4）完成全部加工操作后，退出刀具。

4.2.3 案例三

還有一種復(fù)合式缸孔加工技術(shù)需要包括以下四步。（1）定位和安裝銑刀及鏜刀。即將需要加工的氣缸蓋進(jìn)行定位，使氣缸蓋的缸孔開口向上，并在加工中心部位進(jìn)行銑刀和鏜刀的安裝。（2）銑操作。對(duì)缸孔實(shí)施精銑和半精銑兩步，使缸孔的底部可以留有0.6mm 的余量，缸孔1的側(cè)壁可以留有1.2mm的余量。之后，使用銑刀對(duì)缸孔地面實(shí)施螺旋插補(bǔ)操作，螺旋插補(bǔ)操作需要分成兩刀銑削完成，第一刀銑削0.1mm，第二刀銑削0.4mm。之后，使用圓弧插補(bǔ)精銑，缸孔的底面圓弧插補(bǔ)精銑也需要分成兩刀銑削完成，第一刀銑削0.3mm，第二刀銑削0.2mm，圓弧插補(bǔ)的直徑計(jì)算公式為“D=缸孔的設(shè)計(jì)直徑-鏜刀R×2”，銑削后的缸孔深度h1需要達(dá)到設(shè)計(jì)要求。（3）鏜操作。操作人員對(duì)刀盤進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，更換好鏜刀，鏜刀的規(guī)格為R0.2mm，對(duì)缸孔1的側(cè)壁進(jìn)行加工處理，使缸孔的直徑可以滿足設(shè)計(jì)要求，鏜孔操作完成后的缸孔1深度為h2，h2需要小于h1，也就是0.1mm。（4）完成全部加工操作后，退出刀具。

上述操作可以進(jìn)行變通應(yīng)用，因此，案例只是對(duì)某種或多種特定實(shí)施方式進(jìn)行描述［5-6］。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，因?yàn)閺?fù)合式氣缸蓋應(yīng)用在試制新產(chǎn)品過(guò)程中容易出現(xiàn)變動(dòng)，并且使用的刀具和設(shè)備的專用程度明顯，加工操作具有較大的局限性，并且采購(gòu)耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)等缺點(diǎn)。而本文所提到的加工方法只需要使用普通銑刀和鏜刀，借助加工中心便能夠完成復(fù)合式氣缸蓋的缸孔加工任務(wù)，不需要專用的設(shè)備和刀具，所以，這一方法在新產(chǎn)品試制開發(fā)階段的復(fù)合式氣缸蓋制作中具有良好的應(yīng)用效果。