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缸盖座湖导管加t 技术研究j 实践 摘要 作为发动机配气机构中的执行元件：气门座圈和导管，是保证发动机动力性 能、经济性能、可靠性及耐久性的重要零件。而座圈导管孔的相关加工尺寸精度 则是影响发动机性能的关键。但由于座圈导管材质较硬且精度要求高，所以往往 成为批量缸盖加工生产及工艺布置的难点所在。为了能生产满足客户对高性能发 动机的需求，分析研究导管座圈加工过程中遇到的主要问题，并找到适合缸盖加 工最有效的加工工艺系统。 本文根据现场实际缸盖加工线调查分析，从缸盖线导管座圈加工机床及加工 工艺、刀具、定位夹具、加工程序、导管座圈材料等进行分析，并通过研究缸盖 座圈导管加工精度和对发动机性能的影响入手，再对影响座圈导管加工精度的主 要因素进行研究。同时对国内外的几种座圈和导管孔的加工工艺进行研究和比较， 从中分析出加工座圈和导管孔在保证精度的前提下，最具经济效益的工艺方法是 使用精密复合单刃刀具加工，同时分析并解决这种加工方法在生产过程中的几种 问题及解决方法。 1 文中通过分析配气机构工作原理，结合s g m w 发动机b 1 2 缸盖座圈导管 加工工艺的特点，分析导管座圈加工工艺问题的主要原因 2 通过对比目前常用的几种座圈导管加工工艺技术，系统分析加工过程中的 影响因素，研究适合于大批量生产的缸盖导管座圈加工技术。 3 阐述了在加工导管座圈过程中加工精度影响因素和目前高性能发动机对导 管座圈加工精度的要求，并分析导管座圈底孔与导管座圈精加工工艺尺寸等之间 的关系，在实际生产过程中保证加工精度的一些方法。 经过现场精密复合单刃刀具加工工艺实践，证明了课题分析正确，问题原因 分析及实际生产过程中问题解决有效。 关键词：缸盖；座圈；导管：加工；精度；复合刀具 l j a b s t r a c t a st h ea c t i o nc o m p o n e n t so fe n g i n ev a l v et i m i n gm e c h a n i s m ，t h e v a l v es e a t sa n d g u i d e s a r et h ei m p o r t a n tp a r t sf o re n s u r i n ge n g i n ep o w e rp e r f o r m a n c e ，e c o n o m l c p e r f o m a n c e ，r e l i a b i l i t ya n dd u r a b i l i t y s o t h em a c h i n i n gp r e c i s i o no ft h es e a t a n d g u i d ed i m e n s i o ni st h ek e yf a c t o r s ，w h i c hi n f l u e n c et h ee n g i n ep e r f o r m a n c e h o w e v e r , d u et ot h eh a r ds e a ta n dg u i d em a t e r i a la n dh i g hm a c h i n i n gp r e c i s i o n 。e q u l e m e n t ，t h e f a c t o r sa l w a v sb e c o m et h ed i f f i c u l tk e yp o i n tf o rp r o c e s s i n gs e t t i n gu pa n dv o l u m e p r o d u c t i o no fc y l i n d e rh e a d i n o r d e rt op r o d u c eh i g h p e r f o r m a n c ee n 9 1 n et o m e e t c u s t o m e r sr e q u i r e m e n t s ，w ea n a l y s i s t h em a i np r o b l e md u r i n g t h em a c h l n l n g p r o c e s s i n g0 fs e a ta n dg u i d e ，a n df i n do u t t h em o s te f f e c t i v em a c h i n i n gp r o c e s s i n g s y s t e mt om e e tt h ec y l i n d e r h e a dm a c h i n i n g t h ea r t i c l e ，sa n a l y s i s i sb a s e do nt h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o n o fc y l l n d e rh e a d m a c h i n i n gl i n e ，a n di ta n a l y z et h eh e a dl i n es e a t sm a c h i n e ，m a c h i n i n gp o c e s s ，t o o l s , l o c a t i o nf i x t u r e ，m a c h i n i n gp r o g r a m ，t h es e a t sm a t e r i a l ，e t c a n d t a k et h ew a yt r o m s t u d vt h es e a t sa n dg u i d e sm a c h i n i n gp r e c i s i o nw h i c hw o u l di n f l u e n c e t h ee n 9 1 n e p e r f o r m a n c e ，t h e ns t u d yt h em a i n f a c t o rt h a te f f e c tt h es e a t sm a c h i n i n gp 。e c l s l o n b a s eo nc o m p a r i n ga n ds t u d y i n gs e v e r a lm a c h i n i n gp r o c e s s i n gt y p e s o fd o m e s t i ca n d o v e r s e a s ，t h e r e f o r ea n a l y z i n go u tt h a tu s et h ep r e c i s i o ns i n g l ee d g ec o m p o s l t e t 0 0 l st o m a c h i n i n gi s t h em o s te c o n o m i cm a c h i n i n gp r o c e s s i n g a tt h ep r e m i s eo fe n s u n n g s e a t sa n dg u i d e sm a c h i n i n gp r e c i s i o n a n dw ea n a l y z e da n ds o l v e d t h ei s s u e so ft h i s m a c h i n i n gp r o c e s s i n g i np r a c t i c a lp r o d u c t i o na tt h es a m et 加e 。 1 t h ea r t i c l ea n a l y z e s t h ew o r k i n gf o u n d a t i o n o fe n g i n e v a l v et l m i n g m e c h a n i s m ，c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fs g m w b 1 2e n g i n es e a t a n dg u l d e m a c h i n i n gp r o c e s s i n gt oa n a l y z et h em a i nc a u s eo fm a c h i n i n gp r o b l e m s 2 b vc o m p a r i n gt h em o s tc o m m o n l yu s e dt y p e so f s e a ta n dg u i d em a c h l n l n g p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，s y s t e m a t i ca n a l y z e s t h ef a c t o r so fm a c h i n i n gp r o c e s s i n g ， s t u d vt h ec v l i n d e rh e a ds e a t sa n dg u i d e sm a c h i n i n gt e c h n o l o g yf o rb a t e hp r o d u c t l o n 3 t h ea r t i c l eh a sd e s c r i b e dt h ei m p a c tf a c t o r so fm a c h i n i n gp r e c i s i o n a n dt h e s e a t sm a c h i n i n g p r e c i s i o nr e q u i r e m e n to fc u r r e n t l yh i g h p e r f o r m a n c ee n 9 1 n e ，a n d a n a l v z e dt h er e l a t i o n s h i po fm a c h i n i n gd i m e n s i o nb e t w e e n t h es e a t sb a s eh o i ea n dt h e s e a l s ，a n da n a l y z e dt h ep r o c e s st oe n s u r et h em a c h i n i n gp r e c i s i o nd u r i n gt h ep r a c t l c a i p r o d u c i n g 1 1 1 缸盖座圈导管加t 技术研究j 实践 b yp r a c t i c i n gt h ep r e c i s i o ns i n g l ee d g ec o m p o s i t et o o l sa t t h ew o r k s h o p ，i t p r o v e dt h et a s ka n a l y z e sc o r r e c t l y ，t h ei s s u e s o fc a u s e a n a l y s i s a n dp r a c t i c a l p r o d u c i n gp r o c e s sa r es o l v e de f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：c y l i n d e rh e a d ；v a l v es e a t ；v a l v eg u i d e ；m a c h i n e ；p r e c i s i o n ；t o o l i v 插图索引 图1 1 气门顶置及配气机构组成示意图1 图1 2 单缸四气门机构示意图2 图1 3 进排气过程原理示意图2 图1 4 气门座圈和导管孔设计要求示意图3 图1 5 气门座圈和导管孔设计要求示意图3 图1 6 油封和气门顶杆机油渗漏示意图5 图2 1 自由度原理示意图8 图2 2 缸盖座圈导管加工定位示意图9 图2 3 专用夹具的组成部分与机床、工件、刀具的相互关系示意图1 0 图2 4 座圈导管加工夹具结构示意图一1 1 图2 5 座圈导管加工用夹具定位销转角误差示意图1 2 图2 6 座圈导管加工央具定位销位移定位误差示意图1 3 图2 7 夹紧力作用的位置不j 下确1 4 图2 8 切削力、重力、夹紧力同向示意图1 5 图2 9 切削材料对比图一1 7 图2 1 0 座圈导管加工过程示意图1 9 图2 1 1 精密复合刀具机构示意图1 9 图3 1 枪铰专用机床主轴结构图2 1 图3 2 枪铰精锪加工过程示意图2 2 图3 3 枪镗精车加工结构示意图一2 4 图3 4m a p a l 枪镗刀示意图2 5 图4 1 缸盖线工艺布置图3 1 图4 2e x c e l l ox s 211 卧式加工中心3 2 图4 4 缸盖线加工工艺流程图3 3 图4 5 预铰导管孔和粗加工气门座圈3 5 图4 6 精镗导管孔和精锪气门座圈3 5 图4 7 导管孔位置度测量值3 9 图4 8 座圈导管加工复合刀具示意图4 0 图4 9 四刃铰刀杆示意图4 0 图4 1 0 单刃p c d 刀片带导条示意图一4 1 图4 1 1 座圈材质缺陷样件图4 2 v i i 缶r 盖啦同1 寻管加t 技术研究j 尖践 图4 1 3 失效气门及故障样件图4 3 图4 1 5 问题发动机建造信息4 4 图4 1 7 气门图纸4 4 图4 18 气门检测结果4 5 图4 1 9 问题树分析图4 6 图4 2 0 导管孔倒角示意图4 8 图4 2 1 导管孔内部弯曲分析图4 9 图4 2 2 刀具状态对比图4 9 图4 2 3 优化加工余量后缺陷图5 1 图4 2 4 优化刀具参数后缺陷图一5 2 t 稃硕f ：学位论文 附表索引 表1 1 座圈导管加工技术要求表4 表2 1 座圈材料成分表1 6 表2 2 导管材料成分表1 6 表2 3 刀具材料对比表1 7 表2 4 座圈导管加工工艺表1 8 表3 1 枪铰精锪专机部件制造精度要求2 2 表3 2 精车与精锪加工工艺对比2 4 表3 - 3 刀具材质选择表2 5 表3 4 枪铰与枪镗加工导管孔精度对比2 6 表3 5 枪铰与枪镗加工性能对比2 6 表3 6 座圈导管加工参数2 8 表3 7 精加工后跳动值2 8 表4 1 座圈导管加工步骤3 3 表4 2 冷却液型号表3 6 表4 3c n c 加工中心性能参数一3 7 表4 4 机床精度检测表3 7 表4 5 导管座圈合格率一3 8 表4 6 机床主轴跳动实测值3 9 表4 7 座圈圆度偏差方向统计表4 0 表4 8 座圈材质检测结果4 2 表4 9 气门弯曲问题记录4 3 表4 1 0 导管孔直径测量表一4 5 表4 1 1 新刀片加工导管孔数据4 6 表4 1 2 气门检测数据4 7 表4 1 3 气门导管工艺要求一4 8 表4 1 4 钝化导管刀片统计表5 0 i x 工程硕二e 学位论文 第1 章绪论 上汽通用五菱发动机工厂是根据通用汽车全球工艺标准设计和建造的，从产 品设计到工厂产房建设，到设备采购，员工招聘培训均按照世界一流的要求和标 准来规划和布置。尤其是b 系列发动机目前的年需求已经超过1 0 0 万台，而影响 b 1 2 发动机缸盖线运行的主要问题为导管座圈加工工序，所以提高b 1 2 缸盖产能 和缸盖产品质量的关键在于解决导管座圈加工生产过程中的主要问题。 1 1 汽油发动机配气机构概述 配气机构是进、排气管道的控制机构，它按照气缸的工作顺序和工作过程的 要求，准时地开闭进、排气门、向气缸供给可燃混合气( 汽油机) 或新鲜空气( 柴 油机) 并及时排出废气。另外，当进、排气门关闭时，保证气缸密封【1 。2 1 。常见钓 发动机配气机构有两种一种是气门顶置式配气机构，另外一种是气门侧置式配气 机构。由于发动机加速和燃油性高，且能达到较高的压缩比，目前汽油发动机常 采取气门顶置式配气机构。气门项置式配气机构主要由凸轮、挺柱、气门油封、 锁夹、气门和气门弹簧等组成。如图1 1 所示 图1 1 气门项置及配气机构组成示意图 为提高汽油发动机做功过程中的换气，现在设计的发动机通常采取单缸四气 门的机构，既两个排气门和两个进气门。如图1 2 饼示 缸盖座嘲导管加工技术研究与实践 图1 2 单缸四气门机构示意图 在汽油发动机做功过程中，先是进气过程，凸轮轴桃片推动迸气门在导管中 运动，气门与座圈分离，进气门打开开始吸气，当进气门在导管内往上运动直至 与座圈完全贴合，完成了整个吸气过程。排气过程与此相同，排气门在导管中运 动，气门与座圈分离，排气门打开开始排气，当排气门在导管内往上运动直至与 座圈完全贴合，完成了整个排气过程。如图1 3 所示，从中可以发现，进排气门 与座圈贴合将直接影响发动机性能的发挥，所以进排气门与座圈的贴合状态是发 动机做功是否完全的关键。 图1 3 进排气过程原理示意图 1 2 缸盖座圈导管结构和作用 气缸盖上与气门锥面相贴合的部位称气门座。气门座的温度很高，又承受频 率极高的冲击载荷，容易磨损。因此，铝气缸盖和大多数铸铁气缸盖均镶嵌由合 金铸铁或粉末冶金或奥氏体钢制成的气门座圈。在气缸盖上镶嵌气门座圈可以延 长气缸盖的使用寿命。也有一些铸铁气缸盖不镶气门座圈，直接在气缸盖上加工 工程硕士学位论文 出气门座。 2 - 4 1 气门导管的功用是对气门的运动导向，保证气门作直线往复运动， 使气门与气门座或气门座圈能正确贴合。此外，还将气门杆接受到的热量部分地 传给气缸盖，在以一定的过盈将气门导管压入气缸盖上的气门导管座孔之后，再 精加工气门导管孔，以保证气门导管、气门座圈与气门杆的正确配合间隙。如图 1 4 所示： 图1 4 气门座圈和导管孑l 设计要求示意图 1 3 缸盖座圈导管j j n - r - 精度要求及对性能的影响 1 3 1 缸盖座圈导管加工精度要求 以上汽通用五菱b 1 2 发动机缸盖为例，说明气门座圈和导管? l ；o h 工精度要 求，如图1 5 所示： 图1 5 气门座圈和导管孔设计要求示意图 兹彰。笺，瓯。，。；擎彰熬臻。：黧懿 ，ftll4iiita誊f#l乳 嚣；oo。二漆，；争。麓终赫箧 爹q夕裳耋，霪l鬃爹 。 肿 鬣瀵鎏霪霪董 藿霪霪霪霪霪藿攀霪墨 缸盖座罔导管加t 技术研究与实践 1 座圈锥面对气i j 导管孔中心的跳动 2导管孔的直径尺寸 3座圈锥面的粗糙度 4 导管孔的粗糙度 5 进气座圈锥面深度、直径尺寸 6 排气座圈锥面深度、直径尺寸 7 导管孔圆度 8 座圈锥面的形状和宽度 0 0 8 m m 0 5 h 7 m m r a 0 8 r a l 6 8 2 0 i 0 2 5 1 6 m m 8 2 0 i 0 2 2 7 6 m m 0 0 0 8 m m 均匀连续、不间断的光滑亮带，宽度为进 气1 6 m m ，排气2 0 m m 从上表1 1 所示，产品尺寸要求精度可以看出，气门座圈锥面和导管孔相对 尺寸及表面精度要求非常高，且由于其加工材质相对较硬，可见实际生产过程中 气门座圈和导管孔的加工技术是缸盖加工的关键技术。 1 3 2 缸盖座圈导管加工精度对发动机性能的影响 缸盖座圈导管孔相关尺寸精度的好坏决定了发动机的工作性能，特别是影响 发动机运行的压缩比、动力性能、燃烧经济性能、驱动力、加速性能、噪音等。 气缸盖气门座圈和导管孔加t 精度失效模式主要有以下几个方面： 1 3 2 1 产生发动机气门撒气故障 1 产生气门撒气的原因 所谓气门撒气就是在发动机运行过程中，进气门与气门座圈以及排气门与气 门座圈之间密封不严，存在密封间隙，造成进气门和排气门漏气【孓9 1 。产生这种现 象的主要原因有以下三个方面i ( 1 ) 由于座圈锥面和气门头部配合处存在划痕或铝屑等杂质造成的座圈锥面 和气门头部配合面无法贴合完整，导致气门密封不严，存在间隙。 ( 2 ) 由于发动机在装配过程中，配气机构零部间的尺寸匹配和接触情况而产 生的装配间隙，例如：气门与座圈接触不好等。 ( 3 ) 由于零件的加工精度不好而导致的气门与座圈之间存在间隙。影响气门 密闭性的最主要的形位公差就是气门座圈锥面对气门导管孔的跳动误差，使气门 与座圈的接触由面接触或线接触变成了点或部分区域根本没有接触，造成气门撒 气。对于第一种情况可以提高清洗机清洗能力或在零件托盘上增加塑料膜来减少 来自于缸盖加工过程中的铝屑问题，同时通过操作人员在装配气门前对缸盖和气 门进行清洁来减少杂质。对于第二种情况，可通过强制气门旋转以改善气门头部 t 程硕i j 学位论文 与气门座圈锥面的接触效果等。对于加工精度而导致的气门撒气情况，气门与座 圈表面接触存在相互配合的尺寸关系，即有气门座圈和导管相对位置跳动超差， 则锥面出现了间隙。则需要控制缸盖导管座圈加工尺寸来予以控制。 2 气门撒气对发动机性能的影响 影响发动机性能的一项非常关键的因素之一是气门撒气故障，其对发动机性 能的主要影响有以下两个方面： ( 1 ) 气门撒气将导致发动机在工作的过程中汽缸漏气，活塞在缸孔内运动导 致其压力、温度、燃烧性等都将受到影响，致使发动机驱动力下降、耗油经济性 降低、汽油在缸孔燃烧不充分、发动机排放不符合国家排放法规等，更为严重的 是将导致发动机无法启动，或者是发动机运行过程中出现振动或噪音等。 ( 2 ) 过早烧蚀或磨损发动机气门和座圈： 当发动机执行压缩、做功冲程时，由于气门导管与气门座圈相对跳动超差， 导致气门与气门座圈密封不严，气缸中的一部分高温混合燃气从气门与座圈结合 面的缝隙排出，使得气门和座圈接触表面温度急剧升高( 最高可达到1 1 7 3 k 以上) ， 造成气门和座圈接触面过早烧损呻_ 2 l 。在高温和燃烧气体的作用下，气门和座圈 更容易被磨损和烧蚀，同时气门和座圈加工的表面的粗糙度等将变得很粗糙，导 致发动机性能逐步下降，甚至无法工作。 1 3 2 2 出现发动机烧机油的问题 导管孔内圆和外圆的同轴度超差是发动机烧机油的主要原因之一。导管孔内 圆和外圆不同心，将导致气门油封与气门顶杆之间存在一定的问隙，且随着发动 机使用时间的增加，该间隙将越来越大，从而导致发动机缸盖罩内机油通过油封 和气门之间的间隙渗透到缸孔燃烧室内，使机油燃烧。造成机油损耗加大；发动 机排放超标造成环境污染；在气缸内产生积碳；燃烧经济性下降；发动机抖动等。 如图1 6 所示： 图1 6 油封和气门顶杆机油渗漏示意图 缸盖虚m 导管新l - e 技术研究j 实践 1 3 2 3 产生气门弯曲导致发动机抖动故障 造成气门弯曲而导致发动机抖动故障的主要原因是气门零件本身在安装前来 料就已经弯曲；或者是由于机加工在加工导管过程中，刀具磨损而导致导管孔上 下截面直径相互关系或圆度超差，造成气门与导管在相对运动的过程中干涉摩擦， 而造成气门弯曲导致发动机抖动甚至熄火的故障。 1 4 选题与研究的意义 1 缸盖是汽车发动机的重要部件，其导管孔、座圈锥面的加工质量直接影响 发动机性能，如何保证座圈导管加工精度是缸盖加工的一个难点，也是发动机制 造业的关键技术。 通过上述分析可见，在发动机内部，气门与缸盖座圈锥面的贴合状态是发动 机进气和排气过程中的核心要素，缸盖座圈导管孔相关尺寸精度的好坏决定了发 动机的工作性能，特别是影响发动机运行的压缩比、动力性能、燃烧经济性能、 驱动力、加速性能、噪音等。如：导管孔和导管底孔中心不在同一轴线上，或偏 差比较大，将会导致气门油封不能将发动机机油与燃烧室完全隔离，出现烧机油 和发动机排放不能满足国家要求，并有爆震噪音等现象；还有气门座圈锥面对气 门导管孔的跳动误差，使气门与座圈的接触由面接触或线接触变成了点或部分区 域根本没有接触，造成气门撒气等现象。这些因素反映在产品上就是要保证座圈 锥面对气门导管孔中心的跳动、导管孔的直径尺寸、导管孔的圆柱度、座圈锥面 深度、直径尺寸等尺寸精度。如果这些产品尺寸特性超差，对发动机甚至整车都 会带来非常大的危害。 所以说，如何在批生产的过程中保证缸盖座圈导管的加工精度，是缸盖加工 的关键问题。 2 由于发动机对缸盖的设计要求越来越高，不同的发动机生产企业、不同的 数控加工机床和不同的刀具生产厂商，都开发出了具有各自优势的缸盖座圈导管 加工技术。因此研究一种适合本公司的高精度加工技术，并在实践中引入并推广 座圈导管加工的先进技术十分有意义。 3 在缸盖加工的工艺设计和规划过程中，特别是导管孔座圈锥面等关键工序 的设计过程中，引入、研究分析对比，将影响加工精度、制造成本、柔性生产等 因素输入到设备开发、夹具设计、加工分析，可以减少后期生产运行的问题和公 司投资的风险，并可以为发动机生产制造企业带来更多的利润。 1 5 论文研究的目的 本课题的研究目的是： ( 1 ) 系统地研究分析了缸盖导管座圈加工工艺系统，对影响加工精度的各个 丁程硕i ：学位论文 主要因素进行分析，并根据机械加工相关专业知识，提出改进方案，有效地保证 缸盖导管孔、座圈锥面加工精度。 ( 2 ) 通过对比缸盖导管座圈加工技术研究，寻找到适合上汽通用五菱公司的 缸盖导管座圈加工技术。 ( 3 ) 在满足产品技术要求的前提下，使新投资的缸盖生产线具备高柔性、高 产能、低成本的生产工艺特点。 ( 4 ) 通过新工艺的实践，解决新工艺存在的主要问题，如：缸盖导管座圈加 工跳动问题、气门弯曲问题等。 缸盖座圈导管加t 技术研究j 实践 第2 章缸盖座圈导管加工精度关键要素分析 缸盖座圈导管加工一直以来是发动机制造企业的难点所在。由于其加工精度 要求较高，同时加工的座圈导管材质较硬以外，还有包括定位基准、定位夹具结 构、机床加工能力，刀具材质及结构等居多因素影响，致使稳定的、高效的、高 质量的缸盖座圈导管加工成为大批量生产发动机企业的加工难题。所以若想研究 缸盖座圈导管孔的加工工艺，必须先从影响其系统加工的各因素开始。 2 1 缸盖座圈导管加工机床夹具结构分析 2 1 1 夹具定位原理 i 一个工件其空间位置存在6 个自由度，如图所示。沿空间坐标系x 、y 、 z 三个方向和绕坐标轴转动。如图2 1 所示： 图2 1 自由度原理不惹图 而定位就是限制自由度，每个自由度都有其相应的支撑点确定其唯一的位置 使其完全定位，合理分布六个支撑点来限制六个自由度得方法称之为六点定位原 则。在实际应用“六点定位原理”定位工件加工时，需要特别注意的是：a 、定位 点与工件定位基准没有接触，或接触不完全，导致定位不稳定或失效。b 、每个自 由度方向定位不能超过t 个，如果有其他定位夹紧点在相同方向限制，则会造成 过定位。所以定位点一般不超过六个。 2 般定位工件的方式有： ( 1 ) 以面定位，定位元件一般选择专j j 定位块或支撑杆 ( 2 ) 以孔定位，定位元件一般选择圆形定位销、菱形定位销 t 程硕 j 学位论文 ( 3 ) 以工件外部型面定位，如外圆等，定位元件一般选择v 形定位块，夹 抓等 3 b 1 2 缸盖座圈导管加工机床定位方式采用的是缸盖顶面央紧、底面支撑、 和1 0 0 1 1 0 1 0 两个工艺定位孔进行定位，既常见的一面两销的定位方式，如图2 2 所示。 型苎塑型鱼曼! 呈墨二堡k = 翌 9 2r e s t p a d = r e c e i v i n g p i nr o u n d = r e c e i v i n gp l a n ep i n = c l a m pp o i n t 似= p r o d u c tq u a l i t yc h a r , 4 c r e r i $ ti c s ：p o c l 至亟亟亘亚团皿 图2 2 缸盖座圈导管加工定位示意图 1 2 1 2 机床定位夹具结构 定位兴具的设计前提是保证加工工件的质量，同时要综合处理好质量、生产 效率和制造成本的各方面因素，使整个加工系统能做到高质量、高效率、低成本。 另外，! 卜产批量的大小决定了央具的复杂程度。在大批量生产中，提高生产效率 缸盖座罔导管加t 技术研可i j 奠跋 是重要解决的问题，因此在预算成本允许的情况下，尽可能的采用液压、气压等 自动机构。这样表面上看制造成本增加，但考虑投入生产后的生产效率，单件的 制造成本往往节约了很多，当然必须保证零件加工精度、操作安全性等要求。 在机械加工中，为完成需要的加工工序、装配工序及检验工序等，首先要将 工件固定，使之占有确定的位置，这种保证一批工件占有确定位置的装置，统称 为夹具3 。1 引。由于工件和机床的形式多种多样，所以夹具的机构类型也有很多不 同。一般可分为通用夹具、专用夹具、通用可调整夹具和成组夹具、组合夹具。 而对于大批量生产而言，最有效的方式是专用夹具，而典型的专用机床夹具的机 构主要包括定位元件、夹紧装置、对刀元件、连接原件、夹具体等，而夹具最基 本的组成部分为定位元件、夹紧装置和夹具体，其它部分可根据实际需求选择。 而工件与夹具各组成部分，及工件通过夹具组成部分与机床、刀具件的相互联系， 如图2 3 所示： 困曰 广 i 刀具i ll 图2 3 专用夹具的组成部分与机床、工件、刀具的相互关系不惹图 在实际加工的过程中，还必须考虑到机床主轴、刀具等与夹具之间匹配关系， 如：在设计夹具体底部开口，使机床主轴和刀具通过该开口对缸盖进行加工；同 时夹具体采用a 轴旋转驱动的方式，确保主轴刀具在加工座圈导管时的相对于缸 盖底面和顶面之间的角度精度。另外为保证加工时工件在受到切削力等外力作用 下部发生移动，夹紧装置采取了缸盖顶面四个夹紧点的夹紧方式，确保加工精度。 由于缸盖为铝质材料相对较软，夹具压头往往采取铜质或尼龙块的方式避免夹具 在压紧过程中破坏工件本身，而影响工件表面质量。如图2 4 所示 工程硕士学位论文 图2 4 座圈导管加工夹具结构示意图 2 1 3 夹具定位误差分析 能否保证工件的加工精度，取决于工件与刀刃运动轨迹问的相对位置。而引 起相对位置发生变动的主要因素为，同批工件在夹具中因位置不一致而引起的误 差，称为定位误差心卜27 1 。而夹具产生定位误差的主要原因有： 1 由于定位基准与工序基准不重合，所有就产生基准不重合的转角定位误差 a j y 2 又因工件定位孔与定位销之间存在间隙配合，故定位基准的位置有一定的 变动范围而导致的位移定位误差a j b 。 由于基准不重合和位移变动而导致的最大加工尺寸误差，以下式表示： a d w = a j y + a j b 2 1 3 1 转角定位误差分析 b 1 2 缸盖座圈导管加工的夹具是在卧式c n c 上使用的，在缸盖产品设计时， 两个定位孔的设计时完全一样的，在加工中心设计时，两个定位销的直径也是相 等的，不过一个是圆型一个是菱形。b 1 2 缸盖座圈导管定位销孔分布在缸盖两端， 由于定位销与定位孔是间隙配合，故存在错位接触，导致定位孔中心连线与夹具 定位销中心连线存在偏移，而出现一个转角误差0 。如图2 5 所示： 缸盖座圈导管加t 技术研究j 实践 图2 5 座圈导管加工用夹具定位拿肖转角误差示意图 则定位转角误差公式： 0 = t g 。1 【( a d + ad + ak + a j ) 2 l 】 式中d 定位销的公差值 d 定位孔的公差值 k 两定位孔中心距偏差( 公差的一半) i - - 两定位销中一t l , g e 偏差( 公差的一半) l 中心距公称尺寸 实际加工过程中，工件存在上下两个方向偏移的角度，所以总的转角误差为 20 。 以b 1 2 缸盖为例， 1 其工装定位销、菱形销的公差为1 5 7 3 3 ( o 0 0 6 ，0 0 1 7 ) ，两定位销的安 装距离为l = 2 8 2 2 2 + 0 0 1 5 ，既a d = 0 0 1 1 ； 2 缸盖定位孔的公差为1 5 7 3 3 ( + 0 0 5 0 ，0 ) ，两孔中，1 1 , 距为2 8 2 2 2 + 0 0 4 ， 既d = 0 0 5 0 ，由以上条件可知：a j = d m i n d m a x = o 0 0 6 ，套入公式得： 转角误差0 ： 0 = t g 【( a d + a d + a k + a j ) 2 l j = t g _ ( o 0 1 1 + 0 0 5 + 0 0 0 6 + 0 0 1 1 + 0 0 5 + 0 0 0 6 ) ( 2 2 8 2 2 2 ) = t g 1 2 8 3 1 0 一= 7 3 5 1 1 0 - 3 = 2 6 5 ， 2 1 3 2 位移定位误差分析 b 1 2 缸盖座圈导管加工工件定位，如图2 6 所示 1 2 t 程硕卜学位论文 图2 6 座圈导管加工夹具定位销位移定位误差示意图 定位孔1 和定位销1 之间的的配合间隙决定了在图示平面内工件的位移定位 误差。从示意图中可以看出座圈导管位移定位误差与单孔定位误差一样，所以工 件在任何方向上的位移定位误差为： a d = a d 1 + a d 1 + a 因此a d 决定了被加工面余量层厚薄的多少。所以在工艺布置中，必须确保 加工余量大于d ，否则会产生由于位移定位误差而导致加工不到零件的质量问 题。在实际生产过程中，定位销与定位孑l 之间的间隙一般选取范围在0 2 0 8 之 间，在保证工件被夹紧的过程不存在干涉，同时也确保了又足够的加工余量。 同样以b 1 2 缸盖为例， 则位移定位误差a d = x d 1 + a d 1 + a = o 0 1 1 + 0 0 5 + 0 0 0 6 = 0 0 6 7 所以b 1 2 缸盖的位移定位误差远大于转角位移误差，故要降低由于定位误差 而带来的加工精度误差，必须从改善位移定位误差入手。 2 1 3 3 降低加工导管座圈定位误差方法 要降低位移定位误差，提高导管座圈加工精度，有两个办法，一是提高夹具 定位销与工件定位孔的加工精度，二是另外选定位基准或改变工艺方案。首先、 提高机床夹具定位销的原始精度，只能减少基准不重合误差。根据上述b 1 2 缸盖 定位孔定位销公差数据计算得知定位孔的公差为0 0 5 ，所以由工件定位销孔引起 的误差为主要原因，而央具定位销引起的误差相对工件定位销孔的误差而言相对 小很多。所以用提高机床央具定位销的原始精度方法，不能有效降低工件定位误 差，只有提高：- i 二件定位孔的加工精度，及减少导管底孔的位置度误差，才能很好 的提高此工序l ：件的定位精度。然后，更改定位基准或改变工艺方案，目前在发 动机缸盖加工行业，有种新的加工工艺，采用专机单独对导管孔进行加工，既 缸盖座圈导管加t 技术研究0 实践 导管孔枪铰机。其定位方式为定心套筒套住导管外径来定位，如是能保证导管内 外孔同心的同时，减少了主轴与导管中心的误差，导管孑l 的加工余量、位置度、 导管内外圆同轴度等加工尺寸都能达到很高的要求。但由于生产柔性较差、刀具 运行成本高、加工节拍慢等因素，往往只被加工精度要求特别高的发动机生产企 业所采用。 2 1 4 夹紧力与切削力分析 1 夹紧点的选择 夹紧点是夹紧力使工件与定位元件受力使工件固定位置的接触点，首先，应 有助于工件定位，而不应破坏定位。夹紧力使工件对各定位支撑都有一定的压力， 使工件不离开支撑点。然后，夹紧点应当选择硬度相对比较高的地方，以防止工 件由于央紧而变形。最后，夹紧点应尽量选在被加工的表面附近，减少工件被加 工过程中形成的振动。夹紧力的着力点越靠近加工处，则工件夹紧也越稳固，振 动也就越少，工件加工质量精度越高。如图2 7 所示，夹紧力作用点选择不正确 就将导致定位失效，加工出来的零件质量肯定就达不到要求 ( 0 ； ( bi 图2 7 夹紧力作用的位置不正确 2 夹紧力方向选择 夹紧力方向主要根据工件定位基准和工件切削力等有关。为确保定位稳固， 一般选择支撑面相对较大的作为主要定位面，且夹紧力垂直作用该面上，这样既 能保证工件变形小，同时也有利于工件加工的稳定性。为使夹紧装置尽量简单， 且减少夹紧力对工件表面质量的影响，夹紧力方向应当与切削力和重力保持一致。 如图2 8 所示，切削力p 、重力g 、夹紧力w 同向。p 与g 的作用能使工件更有 利的定位，同时它们产生的摩擦力减少了工件定位对夹紧力的要求，所以在切削 力、重力、夹紧力同向的情况下，夹紧力可以设定的很小。 t 程硕卜学位论文 图2 8 切削力、重力、夹紧力同向示意图 如果切削力与夹紧力不同向，则夹紧力需要克服切削力对工件的影响。一般 工件定位基准面与夹具工作表面的摩擦系数，以及工件夹紧表面与夹紧元件的摩 擦系数可取为乜7 门引：f = o 1 0 0 1 5 因此w ( p o 1 0 0 1 5 ) ( 7 1 0 ) p 所以夹紧力需要7 1 0 倍于切削力。这样将导致夹紧既不稳固，工件表面质 量将被压变形的同时，工件被加工时容易产生振动。 3 夹紧力大小的选择 夹紧力的大小很多情况下决定了工件是否被完全定位，是否能加工处高质量 产品的关键。夹紧力过大，则工件容易变形而影响加工精度，尤其是加工铝质缸 盖件。夹紧力过小则夹不紧工件，导致工件定位不稳定，同样影响加工质量，更 为严重的将导致安全事故的产生。所以夹紧力必须在合理的范围内。一般情况下， 设计夹紧力时，除考虑理论夹紧力外，还需要考虑一定的安全系数。实际加工过 程中，我们还必须考虑到毛坯余量的不稳定和刀具寿命对切削力等的影响，所以 生产过程中往往根据一定实际经验或实验的方法来确定夹紧力的大小。 2 2 缸盖座圈导管材质分析 虽然座圈和导管都是属于粉末冶金，但实际材质的成分却又很大的区别，所 以对刀具的要求也不一样。 1 座圈材质分析 通常座圈采用烧结合金的材质。烧结座圈材料分为两种：( 1 ) 基体强化型， ( 2 ) 硬粒子分散强化型。而缸盖座圈采用的是硬粒子分散强化型。座圈材料的成 缸盖座圈导管加丁技术研究与实践 密度：7 1 7 3 9 c m 硬度：h r a5 5 7 5 ； 2 导管材质分析 导管的材质通常为铁基粉末冶金。这种粉末冶金的特点是耐磨性好，适合于 气门导管的工作要求3 。35 1 。而粉末冶金材料的特性之一是在材质中含有孔隙，刀 具在加工的过程中刀刃将持续的对这些孔隙造成冲击，将导致刀具崩刀，影响刀 具寿命。 ( 1 ) 导管材料的成分如表2 2 所示： 表2 2 导管材料成分表 密度：6 3 9 c m 硬度：h r a5 0 ； 综上所述： 1 ) 由于座圈导管硬度和密