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對加工（gōng）中心加工氣門座圈與（yǔ）導管孔的技術探究

2019-12-6 來源：一汽轎車股份有限公司發傳中心作者：朱惠春

摘要：指出汽車發動機缸蓋上的氣門座圈和導管（guǎn）孔的重要性及其機械加（jiā）工精度的高要求，描述了為滿足此高（gāo）精度機械加工要求所進行的多方麵工作，尤其是通過在多條缸蓋（gài）加工中心（xīn）生產線中的實際（jì）加工與探討，找出了在工藝（yì）方案、工件定位方式以及刀具選用等方麵，提高其（qí）加工精度（dù）的有效途徑。

關鍵詞：氣門座圈氣門導管（guǎn）密封麵線性補償

1 、前言

氣門座（zuò）圈和氣門導管孔的加工是整個氣（qì）缸蓋機（jī）械加工（gōng）的關（guān）鍵技術（shù）工藝，它直接影響了發動機的工作性能與壽命。發動機工作時，氣門不斷開啟（qǐ）和關閉（bì），氣門（mén）、氣門導管與氣門座（zuò）圈長期處（chù）於 300 ℃-800 ℃的高（gāo）溫狀態，硬質燃燒產物、積碳、高（gāo）溫腐蝕和零件變形，造成（chéng）氣門（mén）導管與氣門座圈密封錐麵的磨損和燒蝕，致使氣門密封不嚴（yán），燃燒室氣密性受到破壞，排氣溫度上升，發（fā）動機（jī）功率下降。這就要求（qiú）氣門導管有良好的自（zì）潤滑性、氣門座圈密封錐（zhuī）麵有很高的耐磨和密封性。如果（guǒ）氣門導管孔位置度超差氣（qì）門閥杆工作中（zhōng）心發生偏移，會導致有害的熱傳導和氣門（mén）閥杆及導管孔（kǒng）的很快（kuài）磨損，還會造成耗油量的增加。

鑒於此，對氣門座（zuò）圈和導管孔的加工精（jīng）度提出了很（hěn）高的（de）要求，特別是對氣門座圈工作密封（fēng）麵對（duì）導（dǎo）管孔的跳（tiào）動規定了很嚴的公差。一般發動機規定其跳動≤0.05 mm，更嚴格要求其跳動≤0.03 mm。

氣門座圈和氣門（mén）導管孔的產品要求如圖 1 所示。由圖可見，氣門座圈密封麵對氣門導管孔的跳動和（hé）圓度要求均較高，同時，它們（men）也是（shì）機械加工的關鍵所在。為此，當前在在大批量生（shēng）產中，要滿足穩定的產品要求，普遍采用在加工（gōng）中心（xīn）的生（shēng）產線上加（jiā）工氣門座圈與導管孔，並（bìng）在優化加工工藝，定位基準的合理性，以及刀具的（de）選用等方麵都在進行著不斷的探索與改進（jìn）。

圖1 氣門導管和氣門座圈產品圖

2 、對氣門座圈和氣門導管孔加工工藝方案的探討（tǎo）與改進

為了提高機械加工的精度與（yǔ）穩定性，當前對氣門座圈密封麵對氣門導管孔的加工的機床均采用加工中心，而加工的基本工藝，目前（qián）也都是采用專用複合刀具分粗、精兩次加工至最（zuì）終尺（chǐ）寸，但實施的具體工藝還是值得探討的，如粗、精加工如何進行，工件的定位方式，選用何（hé）種刀具等。

2.1 初始采用的工藝（yì）

初始采用的工藝及其加工方式是：粗加工隻加工氣門座圈 2 個截麵及導管導引孔，導管（guǎn）導引（yǐn）孔留 0.04-0.08 mm 餘量,精加工時以導管（guǎn）導引孔作為導向加工導管孔和密封麵至最（zuì）終尺寸，如圖 2 及圖3 所（suǒ）示。應用此種工（gōng）藝主要應注意的是，在導管孔鉸刀切削刃鉸出導管後再加工密封麵，這樣可避免加工（gōng）中的幹涉，使加工相（xiàng）對平穩，有利於保證密封麵相對導管孔的跳動要求。

圖2 導（dǎo）管導引孔加工示意圖

圖3 導（dǎo）管孔加工示意圖

早期加工中心的（de）生產線采用的都是上述的工藝及其加（jiā）工的方式。但長期運行下來，加（jiā）工的穩定性（xìng）並（bìng）不太好，偶爾會（huì）有跳動超差現象（xiàng），並出現靠近氣道截（jié）麵 3 的刀片壽命達不到（dào）要求，頻（pín）繁折斷等缺陷。針對此缺陷，優化了切削參數，更換刀體，降低刀具壽命。但此問題隻是略有好轉，而沒有得到有效的解決。

通過對密封麵的加工工藝進行分析，如圖 4 所示，由於導引孔刀具去除 2 個截（jié）麵餘量後，直接加（jiā）工（gōng）密封麵至最（zuì）終尺寸，尚留有 0.24 mm 餘量，而要加工粉末冶金材（cái）料的（de）密封麵時，一次（cì）加工就要去除這麽大的餘量，極有可能會對加（jiā）工穩定性產生影（yǐng）響。鑒於此，通過與刀具技術人員進行探討，並到相關廠家調（diào）研後，最終決定對原工藝（yì）進行改（gǎi）進。

圖4 初始密封麵加工示（shì）意圖

2.2 改進後的工藝

改（gǎi）進後的工藝及其加工（gōng）方式是：粗加工氣門座圈的3個截（jié）麵和導管（guǎn）的導引孔，其中密封麵留0.1 mm餘量，導管導引孔留（liú）0.04-0.08 mm餘量，精加工時鉸導管孔及密封麵至最終尺寸。另導管孔加工可根據材質及硬度（dù）要求，可做成階梯（tī）尺寸，分兩次加工至最（zuì）終尺寸。改進後（hòu）的密封麵加工示意圖如圖5所示。

圖5 改進後密封麵加工示意圖

采用（yòng）此工藝及其加（jiā）工的（de）方式進行批（pī）量工藝驗證後，密封麵相對導管（guǎn）孔跳動加工穩定。此種方案已經在我廠多條生產（chǎn）線中得到了（le）應用，其加工精度穩定，刀具壽命長，加（jiā）工的成（chéng）本也相（xiàng）應降低。通過（guò）實踐驗證，我們認為改進後的工（gōng）藝（yì）及其加（jiā）工的方式應該是目前總結出比較成熟穩定的工藝方案。

3 、對（duì）定位方式的探討與改進

眾所周知（zhī），工件的定位方式對（duì）其加工精（jīng）度和加工效率影（yǐng）響是很大的。

3.1 初始采用的定位方式

初始采（cǎi）用的定位方式是：用（yòng）燃燒室麵（底麵）及兩銷孔（kǒng）定位，因其加工氣門錐麵與定位麵在一（yī）側，為了避免（miǎn）加工時刀具與（yǔ）夾具發生（shēng）幹涉，此時的夾（jiá）具采用背部掏空結構。底麵銷孔定位，背部掏空的夾具示（shì）意圖如圖 6 所示。

圖6 背部掏空（kōng）定（dìng）位夾具（jù）形式

該夾具的（de）本體較厚重，夾具（jù）夾緊采（cǎi）用氣動方式，夾緊牢（láo）靠。雖然夾具的成本高，但是定位準確，節省夾（jiá）緊時間，有利於生產節拍的保證。經過一（yī）段時間的（de）運行，我們發現由於夾具定位銷與氣門座（zuò）圈及導管孔（kǒng）壓裝後的缸蓋變形，產生位置誤差，使精加工的加工餘量不均勻，導管孔鉸刀容易（yì）鉸偏，精加（jiā）工後（hòu）導管孔的位置度易出（chū）現超差（chà）現象。特別（bié）是設備（bèi）長時間運行後，這種超常現（xiàn）象斷續出現的頻率也在逐步（bù）增大。為了解決此問題，我（wǒ）們在程序中（zhōng）增加修正線性補償變量（liàng），並進行（háng）自動調整。在程序中增加修正線性補償（cháng）變量，並進行自動調（diào）整後，導管孔的（de）位置度的（de）超差現象得到了有效的控製。由此我們認為，如果產品在（zài）設計階段即考慮（lǜ）壓裝變形造成位置誤差偏置，並在圖紙各（gè）個導管座圈位置（zhì）坐標補償變（biàn）形量，將會更（gèng）利於保（bǎo）證氣門座圈和氣門導管孔（kǒng）精加工（gōng）的密封麵跳動（dòng）。經過一段生產運行，雖然導管孔的位置度的超差現象得到了有（yǒu）效（xiào）的控製，但並沒有達到（dào）理想的程度。針對此問題，我們在與國外機（jī）床廠家方案交流中，得知他們根據氣門座圈和（hé）氣門導管的壓（yā）裝要求，常常也（yě）應用頂麵及銷孔的定位方式，而且效果很好。鑒於此（cǐ），我們對其定位方式（shì）又進行（háng）了改進。

3.2 改進後定位方式

如圖 7 所示（shì），改進後定位方式采用頂（dǐng）麵及兩銷（xiāo）孔定位（wèi），用測頭探測燃燒室麵（miàn）（底麵）及兩（liǎng）銷孔作為加工基準，修正加工原點，一次裝夾加工所有進排氣門座圈及導管孔。

圖7 頂麵及（jí）兩銷孔（kǒng）定位夾具形式

經過（guò）生產（chǎn）線驗證，此種定位方式加（jiā）工夾（jiá）具簡單，剛性好，加工刀具刀杆懸伸減小，加工時更（gèng）利於減小刀具本體（tǐ）的跳動，更利於（yú）保證氣門導管對（duì）氣門座圈的（de）跳動（dòng）要求，並且（qiě）可忽略導管（guǎn）及座圈壓裝後產生變形對加工位置度的影響。通過兩條生產線比較（分別采用改進前、後兩種定（dìng）位（wèi）方（fāng）式），在常（cháng）溫壓裝導管和座（zuò）圈（quān）的條件下，采用（yòng）探頭探測的定位夾緊方式更易保（bǎo）證氣門座圈密封麵相對導（dǎo）管孔（kǒng）跳動。

4 、刀具的（de）選（xuǎn）用

4.1 複合刀具結構特點

氣門座圈和氣門導管孔加（jiā）工尺寸精（jīng）度要求高，材料一般為鐵基粉末冶金，加工特點是硬度高，加工難（nán）度大。如圖8和圖9所示，一般（bān）生（shēng）產線選用SECO或MAPAL複合刀具，目前選用刀具結構特點是：a.采用整體刀柄，在同一刀體上安裝加工座圈密封麵的刀片及加工導管孔的鉸刀；b.加工（gōng）導管孔鉸刀采用整體硬質合金刀杆上焊接 PCD 刀片或（huò）可換 PCD 刀片，整（zhěng）體（tǐ）剛性（xìng）好，跳動小於（yú） 5μ，無需（xū）預調，壽命長，質量穩定；c.密封麵加工時（shí），采用 2 個刀片同時（shí）切削，保證（zhèng）切削過程平穩，保證加工圓度和粗糙度。刀片采用4刃CBN貼麵，所有（yǒu）刀片高度可調，調整方便。

4.2 鉸（jiǎo）刀的選用

4.2.1 鉸刀（dāo）刀片的選用

加工導管（guǎn）孔的（de）鉸刀一般選用整體焊接刀片式鉸刀和（hé）可換刀（dāo）片式鉸刀[1]。采（cǎi）用可（kě）換刀片式（shì）鉸刀最初想法是由於刀片可換，調整方便，成本低。但實際加工中，出現很（hěn）多問題。由於導管材料為粉末冶金，硬度（dù）高，刀片經常出現加工壽命達不到，甚至（zhì）隻加工（gōng） 20-30 件就出現（xiàn）直徑（jìng）小，刀片鬆動等現象。經過改進，換成整體焊接刀片，加工尺寸穩（wěn）定，其壽命

可提高10-20倍，並且（qiě）最（zuì）多可修磨5次，成本低。

圖（tú）8 複合短鉸刀

圖9 複合長鉸刀

4.2.2 鉸（jiǎo）刀頭部刃口的選用

鉸刀頭部刃口一般（bān）選用單刃或多刃（rèn）形式。為了提高加工效率，常常采用多（duō）刃鉸刀[1]。但實際加工中，多刃鉸刀會造成密封麵（miàn）相對（duì）導管孔跳動經常超差。其原因是采（cǎi）用背部掏（tāo）空夾具，壓裝後導管位置度變化了，而多刃鉸刀的特點是更利於保證孔的尺寸（cùn）精度。改進後采用單刃 PCD 帶導（dǎo）條的（de）鉸刀，實踐證明，單刃（rèn）帶導條支撐的鉸刀更利於修（xiū）正孔的（de）位置，加工更穩定。但導管孔（kǒng）精鉸刀（dāo）加工（gōng）時易出現精（jīng）鉸（jiǎo）導管孔內壁有劃痕現象，發現鉸（jiǎo）刀杆上加工幾十件後粘有黑的粉末狀屑，冷卻孔裏（lǐ）有碎屑。為了解決此（cǐ）問題，在加工程（chéng）序上增加導管鉸刀加工完成後（hòu）進行 2s 的停留，斷屑。但仍有切屑冷卻液（yè）進入鉸刀冷（lěng）卻孔裏，堵塞冷卻通道。我們（men）在機床增加磁輥過濾，大（dà）大減少機床對切削的過濾效果（guǒ），並（bìng）在鉸刀（dāo）杆上打了兩個內冷孔，利於衝屑，加工後導管孔內壁光滑，明顯改善了導（dǎo）管（guǎn）孔的加工質量及加工尺寸精度。

4.3 刀柄（bǐng）的選用

對於氣門座圈和氣門導管孔這種複雜加工部位，特別是加工中心加工方式對刀具刀柄的要求也很高。氣缸蓋加（jiā）工中心生產線 COMAU、MAG、GROB、Heller 等加工中心主軸刀柄形式是 HSK63A，采（cǎi）用（yòng）刀柄（bǐng）與刀杆連接處加調（diào）整螺母來消除主軸的徑向跳動，特別是 HSK 形式刀柄采用錐麵（miàn）、端麵兩麵同時定位，錐體長度較短有利於實現換刀及高速化。

經過生產實踐，加工中（zhōng）心（xīn）生產線使（shǐ）用的刀柄不選用熱脹刀具，因導管（guǎn）孔鉸刀（dāo）加工（gōng）壽命幾百件（jiàn），在（zài）生產中（zhōng）需頻繁更換，安裝及拆卸（xiè）此鉸刀多次後會造成刀體本身與鉸刀同軸度超差，最終造成導管孔與座圈密封麵跳動超（chāo）差，影響（xiǎng）密封麵（miàn）加（jiā）工質量，嚴重時甚至造成導管孔直徑超差。刀體裝鉸刀（dāo）處采用快換結構或拉釘結（jié）構，減少了多（duō）次裝（zhuāng）刀造成的刀柄本身變形，而且調（diào）節方便。

5 、結語

對多條氣缸蓋加工中心生產線（xiàn）加工氣門座（zuò）圈和導管孔實踐中,從工藝（yì）方案驗（yàn）證、工件定位方式選擇及刀具的（de）選用等方麵，我們（men）總結出提高其加工精度的有效途徑主要如下:a.減少密封麵加工餘量的加工工藝方案，可（kě）提高氣門座圈和導管孔密封（fēng）麵圓度和跳動（dòng）要求，使加工質（zhì）量穩（wěn）定，有（yǒu）效減少 20%不必要的廢品（pǐn）。b.采用“頂（dǐng）麵一麵（miàn）兩銷+探頭探測”的（de）定位方式，不僅避免壓裝變形（xíng），更（gèng）利（lì）於提高 10%生產效率。c.專用（yòng）合理（lǐ）的整體焊（hàn）接單刃複（fù）合刀具，使加工精度更穩定，刀具成本降低 20%，降（jiàng）低換刀（dāo）頻（pín）次50%。

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