毕业设计（论文）-EG04三缸发动机缸盖加工工艺.doc

济南大学毕业设计1 前言 缸盖是汽车发动机中一个十分重要的部件，结构复杂，其上部置有凸轮轴，下部与气缸体、活塞组成燃烧室，两边是进气道和排气道，与油气进入的进气歧管件和废气排出的排气管件相接，内有贯穿的冷却水道和润滑油路。因此，在对发动机的功率和工作性能的影响举足轻重也就很清楚了。气缸盖的工作情况是，当燃气在燃烧室内爆燃时，气体温度瞬间高达1100以上，这种高温热冲击反复作用产生高达7MPa压力直接于汽缸盖与汽缸体的连接处。因此，气缸盖在发动机整个工作过程中是处于高温状态下，承受巨大的热冲击作用，工作条件甚为恶劣。从气缸盖的铸件结构上来看，内腔结构复杂，形状多变化，壁厚不匀。随着经济的快速发展，我国对能源的需求越来越大，但我国石油等资源越来越少，而且随着汽车发动机向高效率、低油耗、少污染的方向发展，气缸盖的结构会变得愈来愈复杂。为了降低燃料消耗，缸盖朝着轻量化，精确化， 强韧化和复合化方向发展。而扩大铝合金的应用是汽车工业的重要发展趋势，预计有更多的缸体也采用铝合金生产。采用铝合金不仅可以减轻发动机的质量，还可以有很好的散热性能，对发动机的寿命有很好的好处。但是缸盖的生产过程需要很多机床的参与，由于种种原因，我国的制造工艺还不是很先进，制约着缸盖的生产。世界发达国家的缸盖制造技术已经相当完善，已经领先中国许多年。不仅采用的材料越来越轻，而且质量也越来越高，加上他们采用先进的生产工艺例如FMS生产线，他们已经在缸盖领域抢得先机。对于中国这个汽车大国来说，缸盖的生产的地位不言而喻，所以我们应潜心的研究，已使我国不受制于人。2零件分析2.1缸盖功用汽车发动机缸盖是发动机的主要零件之一，如上图。位于发动机的上部，其底平面经气缸衬垫用螺栓紧固在缸体顶面上，主要功用如下：1 封闭气缸上部，并与活塞顶部和汽缸壁一起形成燃烧室；2 作为顶置气门发动机的配气机构，进气管和出水管的装配基体； 3 汽缸盖内部有冷却水套，其底面上的冷却水孔与缸体冷却水孔相通，以便利用循环水套冷却燃烧室等高温部分。2.2 结构特点 缸盖应该具有足够的强度和刚度，以保证在气体的压力和热应力的作用下可靠的工作。他与汽缸垫的结合面应具有良好的密封性，其内部的进排气通道应使气体通过时流动阻力最小，还应冷却可靠，并保证安装在其上的零部件能可靠的工作；缸盖形状一般为六面体，系多孔薄壁件，其上有气门座孔，气门导管孔，汽油机的火花塞孔，柴油机的喷油器孔，还有各种孔及螺纹孔等。2.3 工艺性分析 缸盖的基本加工工序分为平面加工，一般孔加工，高精度孔加工。2.3.1平面加工工序缸盖的顶面、底面和排气管结合面等都是大面积的平面，精度要求高，又是全部工艺过程中的工艺基准，所以这些大面积平面的加工工序应注意合理的安排工艺顺序和采用高效率的加工方法。其中缸盖的上结合面即顶面如上图，对它有较高的要求，表面粗糙度为3.2um，平面度的要求为0.08mm，与下结合面的位置度要求为0.1mm。所以可先进行粗铣加工，最后在进行半精铣缸盖的下结合面即底面如下图，对它的要求更高，表面粗糙度为1.6um，平面度要求为0.05mm，位置度要求为0.4mm，可对它进行粗铣，在其它加工加工工序结束后，再进行精铣2.3.2高精度孔的加工工序缸盖上的气门座孔，导管孔和凸轮轴孔等都是孔系，有配合关系，其尺寸精度，位置精度和表面粗糙度要求极为严格，所以这些高精度孔系的加工工序是缸盖工艺的核心工序，应给予充分的注意。其中进、排气门座孔31 0+0.025如下图，其表面粗糙度值为0.8um，与基准的位置度要求为0.2mm，孔轴线的平行度要求为0.05mm，圆柱度值为0.01mm。可先进行粗镗孔，在进行精镗，最后在磨孔。 进气孔旁的一个孔如下图，加工精度要求也挺高并且很复杂，位置度要求为0.2mm,表面粗糙度为1.6um，其加工工艺为先钻孔11，然后再扩孔至14，最后再铰孔。 2.3.3一般孔的加工工序精度要求不是特别高的孔加工比较简单，例如排气孔面的58螺纹孔的加工，其加工工序如下：先用钻头钻深20，然后直接攻丝，深16即可。3工艺流程设计3.1毛坯的制造形式此缸盖的材料为压铸铝合金ZALSi5Cul-Mg，批量生产，采用低压铸造，充型平稳，工艺出品率高，铸件轮廓清晰，力学性能好。3.2基准的选择选择定位基准是制定工艺过程中首要解决的问题，合理的基准可以使加工质量得到保证，生产效率提高。3.2.1粗基准的选择（1）如果必须首先保证工件上加工表面与不加工表面之间的位置要求，应以不加工表面为粗基准；如果在工件上有很多不需加工表面，则应以其中与加工表面的位置精度要求高的表面作为粗基准 1；（2）如果必须首先保证工件某重要表面的余量均匀，应该选择该表面作为粗基准。1（3）选作粗基准的表面，应平整，没有浇口，冒口或飞边等缺陷，以边定位可靠。1（4）粗基准一般只能使用一次，以免产生较大的位置误差。1经过分析选用一面两销定位方式进行定位，粗基准为上结合面和火花塞孔。3.2.2 精基准的选择 精基准的选择原则 （1）应尽可能选用设计基准为定位基准，实现基准重合，以免产生基准不重合误差，这叫座基准重合原则；1（2）应尽可能选用统一的定位基准加工各表面，以保证各表面的位置精度,同时还可以减少工装设计费用，提高生产效率，避免基准转换误差，称为统一基准原则；1（3）为了获得均匀的加工余量或较高的位置精度，可遵循互为基准原则，反复加工的原则；1（4）有些精加工工序要求加工余量小而均匀，以保证加工质量和提高生产效率，这时以加工表面作为精基准面，称为自为基准原则该加工表面与其他面的位置精度要求由先行工序保证。1精基准也选用一面两销定位方式，下结合面和它面上的两个210对角孔。3.3加工阶段的划分 零件的加工质量要求较高时，必须把整个加工过程划分为几个阶段：1）粗加工阶段，在这一阶段要切除较大的加工余量，加工变速箱箱体时，主要是粗铣前后端面及粗镗各孔。2）半精加工阶段，在这一阶段应为主要表面的精加工阶段作好准备（达到一定的加工精度，保证一定的精加工余量），并完成一些次要表面的加工（钻孔、攻螺纹、铣键槽等），一般在热处理之前进行。3）精加工阶段 保证各主要表面达到图样规定的质量要求。4）光整加工 对于精度要求很高、表面粗糙度值要求很小的零件，还要有专门的光整加工阶段。光整加工阶段以提高零件的尺寸精度和降低表面粗糙度为主，一般不用于提高形状精度和位置精度。 3.4 加工顺序的安排3.4.1 切削加工顺序1）先粗后精。先安排粗加工，中间安排半精加工最后安排精加工和光整加工。12）先主后次。先安排主要表面的加工，后安排次要表面的加工。3）先基面后其他。加工一开始，先把精基面加工出来。如果精基面不止一个，则应按照几面转换的顺序和逐步提高加工精度的原则来安排基面和主要表面的加工。4）先加工平面后加工孔。箱体类零件的加工应遵循先面后孔的原则：即先加工箱体上的基准平面，以基准平面定位加工其他平面。然后再加工孔系。其次，先加工平面可以先切去铸件表面的凹凸不平。为提高孔的加工精度创造条件，便于对刀及调整，也有利于保护刀具。5）为保证加工质量的要求，有些零件的最后加工必须放在部件装配后或在总装过程中进行。13.4.2 热处理工序EG04三缸缸盖采用的是铸造铝合金，由于铸造后会有残余应力，力学性能还没达到最佳，需进行热处理。铝合金铸件的热处理就是选用某一热处理规范，控制加热速度到某一相应温度下保温一定时间并以一定的速度冷却，改变其合金的组织，其主要目的是提高合金的力学性能，曾倩耐腐蚀性能，改善加工性能，获得尺寸的稳定性。对于铝合金，它经过淬火后，强度与硬度并不会立即升高，至于塑性非但没有下降，反而有所上升，但放置一段时间（46昼夜后），强度和硬度会显著提高，塑性明显降低。淬火后铝合金的强度、硬度随时间增长而显著提高的称为时效。时效可以在常温下发生，称为自然时效。该缸盖选用的材料是铸造铝合金ZALSi5Cul-Mg，缸盖工作时由于燃烧产生大量的热量，温度高，所以必须要经过热处理，选用T7处理。先淬火处理，加热温度为5255，保温时间为35 h，冷却水温度为60100；然后进行时效处理，加热温度为24010，保温时间为35 h，采用空气冷却。3.4.3 辅助工序如检验，在零件全部加工完毕后、各加工阶段结束时、关键工序前后，都要适当安排。其他辅助工序还有清洗、去毛刺、表面处理、气密试验、包装等，也应按其要求加入工艺过程。3.5 机床的选择机床选择原则1） 机床主要规格的尺寸应与工件的轮廓尺寸相适应。即小的工件应选择小的规格2） 的机床加工，而大的工件则选择大规格的机床加工，做到设备的合理使用。 3） 机床的结构取决于机床规格尺寸、加工工件的重量等因素的影响。4） 机床的工作精度与工序要求的加工精度相适应。根据零件的加工精度要求选择机床，如精度要求低的粗加工工序，应选择精度低的机床，精度要求高的精加工工序，应选用精度高的机床。5） 机床的功率与刚度以及加工范围应与工序的性质和最合适的切削量相适应。如粗加工工序取出的毛坯余量大，就要求机床有大的功率和较好的刚度。6） 装夹方便、夹具结构简单也是选择数控设备最需要考虑的一个因素。选择采用卧式加工中心，还是选择立式加工中心，将直接影响所选择的夹具的结构和加工坐标，直接关系到数控编程的难易程度和数控加工的可靠性。根据以上原则可选择出以下各机床：本次加工的是缸盖，需要加工的面有六个，有顶面，底面，两个侧面，前后面，各个表面上还有很多需要加工的孔，螺纹孔，为了提高加工精度，减小误差，方便加工，提高生产效率，加之前面通过对零件的分析，加工工序复杂，且类型多，所以选择卧式加工中心MA400HA。其参数如下：工台面积400400mmX Y Z轴行程分别为 560mm、610mm、625mm主轴最高转 8000rpm刀库容量 30把主轴电机 15/11kw(vac)占地面积 23944532mm23.6 工艺路线的制定3.6.1制定工艺路线时需要注意的问题工艺路线的制定是工艺规程的设计过程中的重要的一步。制定工艺路线的出发点应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求得到合理保证。在生产纲领以确定为大批生产的条件下，通过对缸盖的分析，可以考虑采用卧式加工中心，卧式加工中心配以专用夹具，并尽量采用工序集中的原则来提高生产效率。此外，还应当从企业经济环境和使用环境等诸多因素方面进行具体分析，使生产成本尽量降到最低。 因此我们需要从以下几个方面来考虑：1） 对于那些加工精度要求较高和粗糙度值要求较低的零件，在制定工序时常常需要将其划分为粗加工和精加工两个阶段；对于加工精度要求很高、粗糙度值要求很低的零件，则常需要划分为粗加工阶段、半精加工阶段、精加工阶段和光整加工阶段。因为缸盖表面最高的表面粗糙度要求为Ra=3.2m，精加工就可以达到技术要求，所以零件加工时将各个表面的粗精加工分开进行，可以将整个工艺过程划分为粗加工、半精加工、精加工阶段就可以了，不必进行光整加工阶段。但是对于表面粗糙度要求更高的孔。2)充分的分析和研究零件图，并参考同类零件的加工方法，对各表面选择相应的加工方法，选择合理的加工顺序，并将工艺过程划分为若干个工序，划分工序时采用工序集中的原则，因为这样可以减少工件的装夹次数，在一次装夹中可以加工许多表面，有利于保证各表面之间的相互位置精度，也可以减少机床的数量，相应地减少工人的数量和机床的占地面积。3)为了改善工件材料的机械性能和切削性能，采用热处理工序也是必要的。除此之外，检验工序也是保证产品质量和防止产生废品的重要措施。在每个工序中，操作者都必须自行检查。在操作者自检的基础上，在下列场合还要按排独立检验工序，粗加工全部结束后，精加工之前；送往其他车间加工的前后（特别是热处理工序的前后）；最终加工之后等。另外，在工序过程中，还可根据需要在一些工序的后面安排去毛刺、去磁、清洗等工作3.6.2制定工艺路线1）工艺路线方案一工序 粗铣下结合面，前端面，钻孔210，钻孔311 ，钻孔8 ，钻孔510 工序 粗铣上结合面 ，钻212孔 ，精铰212 ，钻26孔 ，精铰26孔 ，钻孔5工序 钻126 ，扩孔到7.5 ，钻孔46 ，钻孔46工序 攻丝126（攻深16mm） ，攻丝46（攻深13mm），攻丝46（攻深16mm）铣进气孔面工序 铣孔的凸台面 ，铣孔凸台的面工序 镗火花塞孔 ，攻丝20孔 ，立铣 ，钻孔5（深30.6mm） 锪孔58 钻孔5 ，钻孔4工序 钻孔58（深20mm） ， 钻48（深20mm） ， 钻210（深21mm） ，攻丝210（深16mm）工序 攻丝58（深16mm） ，攻丝38 ，攻丝58（深16mm） ，工序 钻孔65（钻通） ，钻孔28 （钻深10mm）工序 镗孔 ， 铣削 工序 钻孔 ， 钻孔8 ，铰孔28工序 铣削 ， 深钻5 ，深钻4工序 镗孔 ， 铣削工序 铣 ， 钻孔48（深20mm） ，钻孔10（深25mm） ，钻孔8（深15mm），攻丝48(深18mm) ，攻丝10（深20mm） ，攻丝8（深12mm）工序 钻孔12（钻通） ，攻丝12（深18mm） ，钻孔16.5 ，镗孔16.5 ，钻孔18 ，镗孔18 ，钻孔32 ，镗孔32工序 钻孔106（深15mm） ，钻孔6（深16mm） ，钻孔6 ，攻丝106（深12mm） ，攻丝6 ，攻丝6工序 精镗 810 ，精镗 810工序 镗进气气门座空 ，镗出气气门座空 ，铣工序 镗孔 ，镗孔，攻丝410工序 精铣各表面 2)工艺路线方案二 工序 粗铣下结合面 ，前端面 ，进气孔面 ，排气孔面 ，后端面 工序 钻45（钻通） ，钻孔310 ，精铰310（深12mm） 工序 粗铣进气口面 ，钻孔6（钻通），钻48（钻深20mm） ，攻丝48（攻深16mm） ，镗孔33 工序 粗铣排气孔面 ，钻孔10（钻深20mm） ，攻丝10（攻深16mm） ，钻孔58（钻深20mm） ,攻丝58（攻深16mm）工序 粗铣上结合面 ，钻46（钻深16mm） ，攻丝46（攻深13mm） ，钻孔126 ，锪孔使126到127.5（深5mm） ，精铰 ，攻丝126（攻深16mm） ，钻孔815 ，钻孔26 ，粗铣c0.75 ，精铰 26，钻孔212 ,粗铣c2 ，精铰212 工序 钻孔5 ，锪孔使5到8 ，攻丝8 （精度要求6H） ，钻孔5 ，钻孔5 ，钻孔 4 ，粗镗53 ， 粗镗33.5 工序 钻孔610 ，镗孔1231（精镗） ，镗孔1257.5(粗镗) ，镗孔630（粗镗），粗铣c0.5 ，镗孔636 (粗镗) 工序 粗镗422 ，钻孔126 ，攻丝126（攻深6mm） ，钻孔311 ，精铰311 ，锪孔使311到314 3）工艺方案的比较与分析通过分析，两套方案表面上看都是可行的，但经仔细分析就会发现两者的不同所在。可看出，两套方案的基准相同。方案一跟方案二都上结合面跟火花塞孔为粗基准。方案一中相同的加工工序集中，这样不仅能够使加工误差减小，更加满足精度要求，不用经常性的换刀具，也便于生产管理，提高效率；方案二的将不相同的加工工序集中在了一起，这样经常换刀具，使装夹次数过多，工时大大增长，加工效率下降。工艺路线一很好的划分了粗加工阶段和精加工阶段，这样加工质量得到了保证，便于安排热处理工序，同时粗加工各表面后可以及时发现毛坯的缺陷，及时报废和补修。方案二加工面和孔的很多工序中把粗、精加工区分的过于明显，致使工序过于分散，故选方案一3.7机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定本部分内容参照实用机械加工工艺手册（机械工业出版社 陈宏钧），以下简称文献2该零件材料为铸造铝合金ZALSi5Cul-Mg，铸造毛坯，铸造方法是压力铸造（参照表2-70），强度高，铸造性能和耐腐蚀性尚可，切削性能优于ZALSi9Mg，形成气孔的倾向比ZALSi9Mg和ZALSi12小，可热处理强化。生产类型为大批生产，根据加工工艺，分别确定表面的机械加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸如下:根据实用机械加工工艺手册的表392-表3103和3104-3112部分面、孔加工余量的选择如下表加工部位加工方法加工余量值加工部位加工方法加工余量值下结合面粗铣1.7mm气门孔精镗0.1mm上结合面粗铣1.7mm凸轮轴孔粗镗0.3mm前端面粗铣1.7mm14孔粗钻孔1mm孔310钻孔0.2mm14孔铰孔0.05mm孔8钻孔0.2mm48钻孔0.2mm孔510钻孔0.2mm48攻丝0.2mm3.8确定切削用量本部分内容参照文献2铣刀根据970，选用端铣刀，刀具材料为硬质合金工序1 缸盖下结合面工序内容工步 1 ：粗铣缸盖下结合面 工步2：粗铣前端面 工步3：钻孔310 工步4: 钻孔8 工步5：钻孔510 机床：卧式加工中心MA400HA（日本大隈）工步 （1）粗铣缸盖下结合面刀具：硬质合金端铣刀 铣刀 d=80mm 齿数z=20 铣削深度：=1mm每齿进给量：根据文献2表9-67， 铣削速度：根据文献2表9-65，取 机床主轴转速：，取 工步 （2）粗铣前端面刀具：硬质合金端铣刀 80铣刀 d=80mm 齿数z=20根据文献2表9-67得: 铣削深度： =1mm每齿进给量： 铣削速度：取 机床主轴转速：，取 工步 （3）钻孔310刀具：硬质合金钻头 9.8、根据文献2表9-105：进给量： f=0.5mm 切削速度： v=160m/min 机床主轴转速：，取 工步 (4) 钻孔8刀具：硬质合金钻头 7.8根据文献2表9-105：进给量： f=0.5mm 切削速度： v=160m/min 所以机床主轴转速：，取 工步（5）钻孔510刀具：硬质合金钻头 9.8根据文献2表9-105得：进给量： f=0.5mm 切削速度：，v=160m/min 因此，机床主轴转速：，取 3.9 夹具的设计3.9.1机床夹具设计的通用原则定位要则1.1 1 定位基准的选择如前述粗精基准的选择原则 2 自由度的限制根据文献2表8-94表8-963 定位要求根据文献2表8-971.2加紧要则根据文献2表8-98和8-99 1.3结构设计要则根据文献2表8-100 3.9.2 切削力与夹紧力的计算 1） 切削力的计算粗铣下结合面时的切削力计算查金属切削机床夹具设计手册表3-56可得：铣削切削力计算公式： 2式中，p- 铣削力（kgf）； t - 铣削深度 （mm）； - 每齿进给量 （mm）； D- 铣刀直径（mm） B- 铣削宽度（mm） n - 铣刀每分钟转数 z - 铣刀的齿数由切削用量计算可知， t=1 mm， =0.3mmz，D=80mm，B=30mm，n=800rmin，z=20切削力 =277.62 N 2）夹紧力的计算（1）为防止工件在切削力P作用下平移所需夹紧力为 2 式中，-定位销上允许承受的一部分切削力，对于精加工机床，定位销不允许受力，即=0。 -夹紧元件与工件间的摩擦系数； -工件与夹具支撑面间的摩擦系数。其中，安全系数 2-基本安全系数； - 加工状态系数； - 刀具钝化系数； -切削特点系数； - 考虑加紧动力稳定系数。夹具简图参照金属切削机床夹具设计手册第三章 各种典型夹紧形式所需夹紧力的计算 根据分析可知：=1.5，=1.2，=1.4，=1.0，=1.0 即 = 1.51.21.411 = 2.52查表3-19可知，=0.25，=0.25综上可知： 2 = =11193.6 N （2）、为防止工件在切削力P的作用下绕圆柱销轴心线转动所需的夹紧力为： 式中，-定位销上允许承受的一部分切削力，对于精加工机床，定位销不允许受力，即=0。由零件图可知两个定位销之间的距离为249mm.即 =10039.68N 综上所述，夹紧力 大于切削力P，所以压板提供的夹紧力完全可以胜任，满足加工要求。3.9.3定位误差分析及计算 定位误差包括定位基准与设计基准不重合产生的定位误差，即基准不重合误差；定位副制造不准确产生的基准位移误差，即基准位移误差。通常定位误差可按下述方法进行计算：一是先分别求出基准位移误差和基准不重合误差，再求出其在加工尺寸上的代数和，即d w=j b +j w；二是按最不利情况，确定一批工件设计基准的两个极限位置，在根据几何关系求出此二位置的距离，并将其投影到加工尺寸方向上，便可求出定位误差。【1】下面以孔100+0.018 分析 由于这个孔和基准孔是同一个孔，所以定位基准与设计基准重合，所以基准不重合误差为0，即j b = 0 缸盖加工时放在卧式加工中心上，可知定位销是水平方向的，所以基准位移误差 j w= （D+d）2 ，D为内孔公差，d为定位销的公差通过金属切削机床夹具设计手册选择定位的定位销的尺寸为100-0.009j w=（0.018+0.009）2=0.0135所以定位误差d w=j b +j w =0+0.0135=0.0135mm4 结 论本次毕业设计研究的是EG04三缸发动机缸盖的加工工艺，通过查阅相关的资料和老师的帮助，了解了发动机缸盖加工工艺的大致加工过程，本次完成的工作有下；（1） 通过对零件的分析，了解了缸盖的结构及工作特点；（2） 根据基准的选择原则，确定出了此缸盖的粗加工基准和精加工基准；并对零件材料的分析，制定出热处理工序（3） 结合实际情况，选择出了适合加工缸盖的加工中心，即卧式加工中心MA400HA；（4） 经过多次对缸盖的分析，制定出了两套加工工艺路线，并通过比较，选择出了最优方案；（5） 定下加工路线之后，通过查阅相关手册，计算出相应的机械加工余量和切削要素；（6） 根据夹具设计手册和需要,按照夹具设计原则，计算出切削力与夹紧力，设计出适合本零件的夹具。