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工程硕士学位论文 柴油机气缸盖精密加工工艺研究 摘要 脚i | i j f f | i j 删川删 y 2 0 6 0 6 6 8 作为汽车的核心部件，发动机的加工质量是整个汽车加工的基础。而气缸盖作 为柴油机上的丰要零部件，其加工质量的好坏对汽车性能的影响非常关键，特别是 气缸盖导管孔和气门座圈的加工精度的好坏则是“重中之重”。 本文通过对导管孔和气门座圈孔的加工精度差的分析，指出其对柴油机性能所 带来的主要危害，对目前国内外导管孔和气门座圈的几种加工工艺进行了分析比 较，找出各种影响导管孔和气门座圈孔的加工精度的因素。 本文通过对y z 4 1 0 2 q 气缸盖的研究，分析得出使用枪镗、精车工艺是加工气缸 盖导管孔和气门座圈最有效、精度最可靠的工艺方法。通过对枪镗设备、刀具结构 形式、刀具加工参数以及切削液选用的分析，并结合切削对比试验，从中选取最优 的刀具参数应用在实际加工中，并且对加工中所出现的问题进行解决，并应用于大 批量生产。 关键词：气缸盖；气门座圈；导管孔；枪镗 a b s t r a c t工程硕士学位论文 a b s t r a c t a st h em l c l e u sp a n so fa u t o m o b i l e ，t h ep r o c 髓s ( 1 u a l i t yo ft l l ep a r t so fe n 舀n ei st h e f o u n d a f t i o no fa u t o m o b i l ep m c 器s t h ec y l i n d e rh e a di st l l ep a r to fm 旬o rp a r to nt l l ec i l 西n e ， 趾di t sp r o c e s sp r e c i s i o ni n n u e l l c e si st l l ek e yp o i n to ft h ea u t o 】 n o b i l ec a p a b i l i t y e s p e c i a l l y ， t l l ep r o c e s sp r e c i s i o no fv a l v es e a tr i n ga n dv a l v es t e mg u i d eh o l eo fc y l i n d e rh e a di st l l em o s t i i i l p o r t 锄tf - a c t o ro f t 1 1 e s ek e yf a c t o r s t h em i s m a c h i n i n gt o l e r a l l c co fv a l v es e a tr i n ga i l dv a l v es t e mg u i d eh o l eo fc y l i n d e r h e a dw 船锄a l y z e d ，a n dt 1 1 em a i nh a z a r d st ot h ec a p a b i l i t yo fd i e s e le i l g i n ew a sp o i n t c do u t b yc o m p 撕n gm es e v e r a lp r o c e s so fv a l v es e a tr i n g 锄dv a l v es t e mg u i d eh o l eo f c y l i n d e rh e a do nt h eh o m ea n da b r o a d ，f i n d i n go u tm ef i a m o r so fa f r e c t i i l gt h ep r o c e s s i n g p r e c i s i o n t h ey z 410 2 q t y p ec y l i n d e rh e a dw 硒a n a l y z e d ，a n dt h eg 吼- b o d n g - f i n i s ht u m i n g t e c l l l l o l o g yb em em o s te 行e 以v e a i l dr e l i a b l ep r o c e s sw 硒p o i n t e do u t t h eg u n _ b o r i n g e q u i p m c i l t ，c u t t i n gt o o l 咖c 彻e ，t o o lp r o c e s s i n gp a r 锄e t e r s 觚dc u t t i n gn u i ds e l e c t i o nw 嬲 锄a l y z e d ，a n dc o m b i n e dw i mt h ec 吡i n gc o m p a r i s o nt e s t ，t h eo p t i m a lt o o lp a r a m e t e r su s e d i nt h ea u c t i l a lp r o c e s sw a ss e l e c t c d t h ep r o b l 锄so c c u 仃i mi nt l l ep r o c e s s i n gw a ss o l v e d ，肌d i tc a nb ef i t t e df o rm 嬲sp r o 山l c t i o n 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 tr i n g ；v a l v eg u i d eh o l e ；g i l n - b o r i n g - f i n i s ht i l m i n g ； i i 工程硕上学位论文柴油机气缸盖精密加工 ：艺研究 1 绪论 1 1 课题研究的背景 跨入2 1 世纪，中国经济迅猛发展，国民的牛活水平显著提高，汽车这一可 以满足人们多种工作需要的交通工具，将变得更加方便和普及，在日常牛活中已必 不可少。汽车的发动机动力性，可靠性，安全性，排放和经济性已成为日益关注的 主要内容。为了确保汽车的性能，除了先进的结构设计，零部件的质量也尤其重 要。发动机作为汽车的核心部件，其零部件的加工质量是整个汽车质量的基础，而 气缸盖作为发动机5 大部件( 气缸体、气缸盖、曲轴、凸轮轴和连杆) 之一，其加工 精度对汽车性能的影响尤为关键，特别是在导管孔和气门座圈孔加工精度的好坏是 “重中之重”。 潍柴动力扬州柴油机有限责任公司是一家以生产车用柴油机作为主要产品的企 业。它的4 1 0 2 系列柴油机丰要装配轻型，中型卡车和小型，中型客车，为国内众多 汽车制造商大量配套产品。汽车的质量的好坏关键在于柴油机的质量。为此，若提 高柴油机的各种丰要性能，就必须进一步改善关键部件的质量。气缸盖与气缸体组 合成燃烧室，螺旋气道可实现进排气出入；气缸盖与其它零部件一起安装，就形成 了配气系统。k 1 其关键工序主要包括：气缸盖和气缸体配合面、喷油器孔、预燃 室、导管孔和气门座圈等的加工。 由于导管孔和气门座圈的加工质量对柴油机的性能有着直接影响。因此，在柴 油机的加工制造过程中，必须解决和提高上述部位的质量问题。 1 2 国内外导管孔和气门座圈加工研究现状及发展趋势 目前国内外加工导管孔和气门座圈的工艺方法主要有两大类：专机加工和柔性 线加工。专机加工适用于年产量大于8 万台，而柔性线一般用于年产量小于4 万 台。目前国内的发动机企业大部分使用专机生产线，因为专机效率高，生产成本较 低；而国外生产企业偏向于加工中心，主要原因是柔性比较高，例如安徽江淮汽车 集团有限公司所建的发动机工厂气缸盖生产线年产1 5 万台，就全部采用德国海科 特加工中心。 1 2 1 采用专机加工 专机加工时，一般采用复合刀具，其目的是为了保证导管孔底孔与气门座圈底 孔的同轴度，其工序分为钻、扩、半精镗和精镗。精镗时，由于是深孔加工，对镗 l 绪论 程硕 ：学位论文 杆的刚性要求比较高，因此在镗杆的材质上考虑采用硬质合金，这是由于其弹性模 数( e = 5 0 0 剧川聊2 6 3 0 剧m 棚2 ) 是普通钢( = 2 0 0 驯聊脚2 ) 的3 倍。也有 采用带有导向块的镗杆，其目的同样是为增强镗杆的刚性，但其结构较为复杂，价 格上也比较昂贵。 目前国内大连机床厂制造的此类精镗专机精度较高，其所用刀具使用带支撑导 条的德国m a p a l 公司牛产的精密枪镗刀。该枪镗刀具的刀体前部带有硬质合金导 套，刀体内含有加工导管孔的镗刀。在加工过程中，镗刀由丰轴内的拉杆驱动进行 切削。 气门座圈的加工方式分为两种，一是以成品导管孔为定位，在立式钻床上精铰 座圈锥面，最后进行研磨。此工艺加工精度较低，保证不了同心度要求，一般只能 达到误差为o 0 8 0 1 0 h h n 。同时由于是深孔加工，径向力不均匀，刀具易弯曲变 形，座圈孔与导管孔同轴度不稳定，超差现象严重，造成座圈密封带宽窄不均匀， 难以保证气门的密封性。二是车削，丰要是利用可转位刀片的刀尖沿座圈锥面进 给。其所用刀具和专机的结构都比较复杂，其丰轴为双层丰轴，分别控制两套拉杆 来实现导管孔镗刀和座圈锥面车刀的进给( 如图1 1 ) 。同时在车削加工时，还要通 过内部复杂的滑块结构来控制斜向迸给。由于其加工精度高，国外机床和刀具制造 厂家都投入大量精力来发展和完善此加工方案“。“。 图1 1 枪镗、精布i 原理图 1 2 2 采用加工中心来加工 该方案的基本原理就是使用复合数控刀具，其结构是整合了导管孔镗刀( 或多 刃铰刀) 加上座圈锥面刀片。目前应用较为理想的是德国m a p a l 公司牛产的带有支 撑导向块的刀具( 如图1 2 ) ，用其加工出的座圈锥面粗糙度在r a l 0 pm 以内，跳 动误差0 0 3 r r i h l 。 程硕i ：学位论文 柴油机气缸盖精密加一l ：i ：艺研究 图1 2 导管孔座圈锥面密封带复合精镗刀 同时m a p a l 公司在实际应用中为了增加刀具的使用寿命，将导管孔的镗刀部分 设计为拆卸形式，这样便于更换( 如图1 3 ) 。 图1 3 可更换的导管孔精刀杆图1 4 多刃铰歹 精镗导管孔时采用可转位刀片，最小可加工孔径4 m 。此外也叮采用多刃铰刀 ( 如图1 4 ) ，但其加工后的座圈锥面跳动较大，会达到0 0 4 0 0 5 唧。 座圈锥面采用刮削加工，其主要采用c b n 刀片，特别适用于硬度大于h r c 4 5 的 气门座圈。c b n 即立方氮化硼刀具，该刀具的特点如下： 立方氮化硼( c b n ) 是纯人工合成的材料，继人造金刚石之后，美国g e 公司丁 1 9 5 7 年旨先利用高温超高压装置合成的另一种新型超硬材料。c b n 刀具的切削特 点：在加工铁族零件淬硬热处理后的工件时，加工不粘刀，磨损小，可获得极高的 加工精度和表面质量( r a o 2 2 0um ) ，实现以车代磨j 。 弦 1 绪论 程硕一1 ：学位论文 l 导套2 离心活塞3 、液压油 4 刀杆5 弹簧6 推杆活塞 图1 5 离心力驱动加上刀具 图1 5 所示刀具加工原理：先加工座圈锥面，采用较低的丰轴转速，然后镗刀 杆后退，转速提高，通过离心力作用，推杆活塞向外运动，刀杆伸出加工导管孔。 加工完成后，辛轴转速逐渐降低，弹簧拉回导管，离心活塞得到复位。 1 3 主要难点问题 ( 1 ) 需要保证气门座圈底孔对导管底孔的同轴度 该同轴度为了保证在加工导管孔和气门座圈锥面时，座圈锥面不偏心，环带宽 度一致，这样可保证密封性。若环带宽度不均匀，则会造成气门与座圈锥面接触不 好，有效密封面积减小，难以保证座圈锥面的跳动精度，这样将导致气门与座圈密 封不严，产牛漏气。 ( 2 ) 导管孔尺寸精度难以保证 由于气缸盖导管孔加工属于深孔薄壁加工，孔轴线的偏斜一般无法预测和控 制，同时收到导管底孔的尺寸精度影响，使得导管孔产生变形，导致圆柱度超差， 从而使得导管孔尺寸精度达不到要求。 ( 3 ) 刀具损耗快，尺寸精度难以保证 由于深孔薄壁加工切削热传散较慢，刀具易过热，刃口切削温度可以达到7 0 0 ，刀具耐用度降低。同时由于孔深，不容易排出切屑，发生堵塞，严重时造成刀 具崩刃。因此切削方法及刀具材料、刀具结构的选择就十分重要。 1 4 论文主要研究内容 本文丰要针对以上难点问题，就如何提高气缸盖的制造质量，改善基于导管 孔、气门座圈孔以及与气门与气门座圈接触表面的加工方法的几种一般加工工艺， 4 工程硕十学位论文 柴油机气缸盖精密加工工艺研究 深入研究，以枪镗、精车工艺应用为主，通过加工验证，有针对性地分析该技术在 使用过程中出现的难点问题，为推广枪镗、精车工艺在气缸盖加工中的应用提供保 障。 2 气缸盖加工精度对柴油机性能的影响工程硕士学位论文 2 导管孔和气门座圈的结构及精度分析 2 1 导管孔与气门座圈的基本结构及工艺要求 2 1 1 导管孔和气门座圈的基本结构及工作原理 根据气缸数的不同，气缸盖导管孔和气门座圈结构也各不相同。下面就以潍柴 动力扬州柴油机有限责任公司生产的y z 4 1 0 2 型气缸盖为例，来简单介绍气缸盖导管 孔和气门座圈的结构。如图2 1 。 柴油机工作时，首先是吸气过程，打开进气门，进气门在进气导管中向下 运动；然后进气门向上运动，直到与进气座圈锥面充分接触，密封，吸气过程 结束。排气过程启动时，排气门在排气导管向下运动；然后排气门向上运 动，排气座圈锥面完全接触，密封，排气过程结束。柴油机进、排气的关键就是 气门和座圈锥面的紧密配合。1 1 排气门2 气门油封3 排气导管4 排气座圈 5 进气门6 进气导管7 气缸盖 8 进气座圈 图2 1 导管孔和气门座圈结构图 2 1 2 导管孔和气门座圈的工艺要求 以y z 4 1 0 2 型气缸盖为例，说明气缸盖导管孔和气门座圈的工艺要求，如图2 2 所 示。 1 ) 导管孔直径：0 9 0 2 2 嘞 2 ) 座圈锥面对导管孔中心跳动：0 0 5 咖 6 工程硕士学位论文 柴油机气缸盖精密加一r ：工艺研究 3 ) 进气座圈锥面深度、直径：3 1 0 1 c4 7 姗 4 ) 排气座圈锥面深度、直径：2 8 0 1 c3 9 咖 5 ) 导管孔中心线对导管孔外圆中心线的同轴度：口0 2 5 咖 6 ) 导管孔中心线相对于气缸盖底面的垂直度：e0 0 9 舢 7 ) 进排气门座圈密封带：均匀连续、不间断，宽度为1 2 1 6 t i i l 图2 2 导管孔和气门座圈工艺要求图 因此通过以上各参数可以看出，根据柴油机较高的工作要求和性能指标，气门 导管和座圈的加工有很高的工艺要求，这给加工带来了一定的难度。 2 2 导管孔和气门座圈加工精度对柴油机性能的影响 导管孔和气门座圈的加工是气缸盖加工的关键工序，加工精度好不好，对气缸 的密封和配气结构的工作可靠性是非常重要的。柴油机气缸盖的加工精度差会造成 进排气门泄漏、烧机油，导致柴油机气缸有效功率不足、压力不够、油耗上升等严 重后果。因此，有必要确保缸盖气门座圈和导管孔的加工精度。 2 2 1 气门与气门座圈漏气产生原因及危害性 所谓气门产生漏气，是指发动机在运行过程中，进、排气门座圈和进、排气门 之间密封不严存在密封间隙，造成渗漏气现象。这一现象的出现主要体现以下几个 方面： 1 ) 在加工过程中，由于划伤，尘屑等造成的气门座圈锥面和气门头部配合的地 7 2 气缸盖加工精度对柴油机性能的影响 ：程硕士学位论文 方局部突起或凹陷所产生的间隙。 2 ) 由于气门和气门座圈的加工的形状和位置误差所产生的间隙。影响气门密封 性最丰要的因素是气门座圈锥面对导管孔中心的跳动和气门座圈锥面的表面粗糙 度，使得气门和座圈的接触从面接触变成了高点接触，造成气门漏气。 第一种情况的产牛完全是由于工人在加工、运送过程中由于偶然因素所产生， 属于人为因素，对于这种情况可以采取预防措施，加强生产管理来消除。 对于第二种情况，气门和气门座圈的接触面含有不规则的形状和位置等因素， 密封效果可以归纳为以下的密封模型：( 见图2 3 ) 。 德黪 蓊蒺 1 a 图2 3 偏心锥度环缝泄露图 由流体力学以及密封学可知，有偏心锥度环缝通过的流量见公式( 2 1 ) 。 q 5 哿删( 1 + ”a ( 2 1 ) q ：暑墒3 ( 1 + 1 & z ) 1 2 办口 、7 式中：卜圆锥孑l 基本尺寸 p 介质粘度 密封面高度 j i l 。密封面有效高度 工程硕叶：学位论文柴油机气缸盖精密加工工艺研究 卜密封面压力差 b 密封面平均宽度 q 半锥角 一偏心比仁詈 e 偏心距 从公式2 1 可以看到，通过气门密封间隙的流量q 和密封面平均宽度b 成正 比。这表明，气门和气门座圈的加工误差即形状误差和位置误差而产生的间隙对气 门的密封性有很大的影响，因此提高气门座圈锥面对导管孔中心的跳动和气门座圈 锥面的表面粗糙度是提高气缸盖气门座圈和导管孔的加工精度的关键，也是解决柴 油机气门漏气的关键。 此外装配过程也会造成气门漏气，如气门座圈和气缸盖的配合，导管和气缸盖 的配合，气门杆和导管之间的间隙，气门在气缸盖平面的凹陷深度等要符合工艺要 求；导管压入导管孔过深时，当气门复位，过渡弧先与气门导管接触，使气门锥面 不能和气门座锥面紧密配合而漏气；气门座圈没有按照工艺要求压入座圈孔内，柴 油机发动之后，位置发生了变化，使气门头与气门座圈口配合位置改变，造成漏 气；由于气门不按要求装配，造成气门杆弯曲、导杆和气门导管间隙过小，影响气 门顺畅运动，也容易造成气门泄漏。 气门漏气，将严重影响柴油机的良好性能的发挥和经济性。它的危害主要有以 下几个方面。“” 1 ) 气门漏气可导致气缸漏气，压缩结束时的压力和温度减少，导致柴油机的功 率不足，油耗增加，产生废气，严重时使柴油机启动困难，损害到工作平衡，使柴 油机工作时异常振动。 2 ) 气门漏气后，气门头在高温高压气流的冲蚀下，很快被烧融，造成磨损变 形，严重时会造成积炭。气门导杆和导管之间的润滑油受高温被烧掉，形成千摩 擦，容易造成阻滞。 3 ) 若排气门泄漏，碰上积炭堵塞导致排气不顺畅，气门导杆与导管间隙过大， 造成高温废气冲刷润滑油后进入气门室，使得摇臂组件温度升高，粘附积炭，加快 磨损。 4 ) 若进气门泄漏，在压缩过程中气缸漏气，温度无法使得油自燃，余下部分可 燃油气混合物通过回流吸气口进入气管，经过下一个循环周期再吸入气缸，当向气 缸内注入油料时，累积的燃料和可燃混合物会发生燃烧，使柴油机工作粗暴。 9 2 气缸盖加工精度对柴油机性能的影响 工程硕士学位论文 2 2 2 烧机油故障产生的原因及危害性 柴油机烧机油主要有两种情况：一种是正常的机油消耗；另一种是柴油机非正 常工作状态下机油的过量消耗。 所谓正常的机油消耗是指柴油机正常运转时所消耗的机油，要符合“机油与燃 油的消耗比应小于1 ”规定的正常现象。通过图2 4 可以看出机油是通过气门杆和 导管之间的间隙进入，透过油封，这样可以防止气门杆在导管中卡死。 图2 4 气门库圈和导管孔机油泄露示意图 由此可见，柴油机只要发动，“烧”机油现象就会存在，但只要不超过规定标 准，对整车的排放指标就不会造成影响。 柴油机消耗机油一旦超过规定，既是通常说的烧机油故障。主要表现为：汽车 在行驶时排气管冒黑烟，启动比较困难，机油压力低，行驶时马力不够，废气排放 超标，有爆震噪音等现象放生。u w 由图2 4 可知，造成柴油机烧机油的主要原因是由于气门导管孔中心线相对于 气门导管外圆中心线的同轴度超差所造成的。因此提高该同轴度误差即提高导管孔 和气门座圈的加工精度，是解决柴油机烧机油故障的关键。 2 3 影响导管孔和气门座圈加工精度的因素分析 影响导管孔和气门座圈的加工因素包括很多方面，下面丰要从结构、材质和底 孔加工精度这三个方面来进行研究分析。 1 0 工程硕士学位论文柴油机气缸盖精密加工工艺研究 2 3 1 结构因素 下面以y z 4 1 0 2 气缸盖导管和座圈的结构来分析，如图2 5 所示。 l2 ：罩 1 气缸盖2 气门座圈3 气门导管 图2 5 导管和气门座圈结构图 气门导管的基本尺寸： 总长l ：6 0 删，外径d ：囝1 4 啪，内径d ：9 9 咖，长径比为导：婴：6 6 7 ；壁厚 口了 仅为旦卫：旦旦：2 5 硼，属于典型的细长薄壁零件。 zz 因此气缸盖导管孔加工属于深孔加工，而深孔加工一般会有下列问题出现： 1 )深孔加工中轴线偏斜问题是目前存在的一个技术难题。当钻孔长径比大 于5 时，孔轴线的偏斜一般无法预测和控制。孔轴线偏斜到一定的程度 后，就开始急剧变化，此时，孔的直线度大大超差，钻头甚至从工件中 “水平 钻出，造成工件报废，刀具损坏，经济损失较大。 2 )在深孔加工中，切削热传散较慢。普通切削中切屑会带走8 5 的切削热， 而深孔切削只有3 5 的切削热被带走，这样刀具易过热，刃口切削温度可 以达到7 0 0 ，刀具耐用度降低。 3 )切屑不容易排出。由于孔深，切屑造成堵塞，严重时造成刀具崩刃。 4 )工艺系统刚性差。由于刀杆细长，刚性差，加工时容易产生振动，造成 钻孔偏斜。 气门导管直径为f 2 j 9 咖，而进气座圈直径为9 4 7 舳，排气座圈直径为3 9 唧， 导管直径和座圈直径相差4 倍，这样就不适合采用复合刀具以相同的切削参数进行加 1 l 2 气缸盖加工精度对柴油机性能的影响 工程硕上学位论文 工。 2 3 2 材质因素 气门导管材质为铁基粉末冶金，而气门座圈为烧结合金。它们的硬度、断裂韧 性及切削性能都不相同，所以这一因素必将对产品的加工质量造成影响。下面就对 这两种材料分别进行分析和比较。 ( 1 ) 气门导管的材质 常用材料为铁基粉末冶金，优点是耐磨损好，可加工性好，适用于像气门导管 这样恶劣的工作条件。这种材料含有孔隙，在切削时易受到刀具的不断冲击，增加 刀具磨损。 下面介绍一下气门导管的材质的结构特点： 1 ) 化学成分：气门导管的化学成分如表2 1 。 1 2 表2 1 气门导管化学成分表 成分f e ( )c ( )其他杂质( ) 含最 9 5 51 22 5 2 ) 金相组织：铁素体+ 珠光体+ 游离石墨及孔隙，其中珠光体含量应5 0 ，游 离渗碳体5 ，不得有呈网状渗碳体。 3 ) 硬度分布：硬度范围为6 0 l l o h b s ，硬度差不大于1 5 h b s 。由图2 6 可以看到 中间部分表面硬度最小，逐渐向两端增大。 4 ) 物理机械性能：密度( 含油) 6 6 4 克厘米。，密度差为0 3 克厘米。 含油率( 按容积) 1 2 径向压溃强度3 0 0 m p a 工程硕上学位论文柴油机气缸盖精密加工工艺研究 l l o 1 0 0 蓬 毫 g o 魁8 0 释 7 e 6 0 妖蹙 獭略 图2 6硬度分布 ( 2 ) 气门座圈的材质 柴油机气门座圈一般采用硬粒子分散强化型低合金粉末冶金。 1 ) 化学成分：气门座圈的化学成分如表2 2 。 表2 2 气门座圈化学成分表( ) 成分 f ecc un ic oc rm o 其他 含量其余 1 21 226 56 56 51 2 ) 金相组织：孔隙度很低，并且孔隙尺寸小分布均匀，基体上分布大量的粒状 及块状碳化物，这些碳化物保证了高的硬度和耐磨性。此外还有一些少量的游离铜 组织，它的存在使得孔隙度降低，气密性、导热性提高，另一方面工件在使用中可 以起到一种容屑的作用，这对工件的耐磨性能是很重要的。 3 ) 机械性能：气门座圈的机械性能如表2 3 。 表2 3气门座圈的机械性能表 压缩强度热膨胀系数 导热率 硬度h r c特征 k g f 姗21 0 胡 c a l c s 4 5 5 5 1 1 01 30 0 8 7 耐磨性好 通过两种材料的化学成分、金相组织以及机械性能的对比，可以看到： 1 ) 导管的硬度在6 0 1 1 0 h b s ，而气门座圈的硬度在4 0 5 0 h r c ，前者硬度要远远 小于后者，不适合使用同种材料的刀具进行加工。 2 气缸盖加1 精度对柴油机性能的影响 工程硕士学位论文 2 ) 由于两者的材料中均存在孔隙，这样的材料结构对刀具的耐用度有要求很 高。 2 3 3 导管底孔和座圈底孔的加工精度 气缸盖导管底孔和座圈底孔的加工精度是保证最终加工精度的前提条件，若底 孔精度无法保证，则无论采用何种工艺及刀具都无法保证最后的精加工。如图2 2 所 示： ( 1 ) 底孔直径 通过图2 2 可知，两者底孔的精度均为7 级，该精度将直接影响后面的装配，并 在最终精加工反映出来。气门导管和座圈的装配使用压力机压入，均属于过盈装 配。在加工导管底孔时，若底孔直径过大，会造成摩擦力过小，精加工时，导管在 底孔内跟转或窜动，严重时会造成刀具损坏。若底孔直径过小，则在装配导管时， 由于摩擦力过大，可能造成气门导管断裂。 同样的道理适用于气门座圈的装配，若座圈底孔直径过小，摩擦力会破坏气门 座圈，严重时会破坏底孔，造成废品；若直径过大，气门座圈就无法牢靠装配，柴 油机工作时，造成脱落。 ( 2 ) 座圈底孔对导管底孔同轴度 该同轴度为了保证在加工导管孔和气门座圈锥面时，座圈锥面不偏心，环带宽 度一致，这样可保证密封性。若环带宽度不均匀，则会造成气门与座圈锥面接触不 好，有效密封面积减小，同时座圈锥面的跳动难以保证。 ( 3 ) 座圈底孔端面对导管底孔中心线的跳动 气门座圈安装时要紧密接触底孔底部，同时要垂直于底孑l 端面。座圈若不完全 接触或者安装时出现歪斜，跳动值就会超差，见如图2 8 所示。 q b 图2 7座圈安装示意图 图a 为气门座圈理想状态下的装配，座圈与底孔端面完全接触，没有间隙；b 为 气门座圈安装不到位跳动超差时的状态。当气门座圈加工时，由于受到切削力的作 1 4 工程硕：l 学位论文 柴油机气缸盖精密加工工艺研究 用，座圈向下移动，产生偏转，座圈会变形。 ( 4 ) 导管底孔的圆柱度 圆柱度反映了导管底孔的加工形状，这对导管的装配和加工都很关键，若底孔 圆柱度超差，表现为以下几种情形： 1 ) 孔呈椭圆型 2 ) 孔直线度差，形成弯孔 3 ) 孔呈锥形，上大下小或上小下大 以上情形，导管底孔都会对导管造成挤压，使得导管加工时变形。 2 4 本章小结 本章主要对气缸盖导管孔和气门座圈的加工精度对柴油机性能的各种影响以及 影响导管孔和气门座圈加工精度的各种因素分进行了分析。得出结论如下： ( 1 ) 气缸盖导管孔和气门座圈的加工精度的好坏将直接影响导管和气门座圈的 装配质量与气门的密封性，从而将严重影响柴油机的整机功率和油耗排放，因此需 要找到一种加工精度高、效率高、经济性又好的加工工艺解决此难题的关键。 ( 2 ) 通过对影响导管孔和气门座圈加工精度的各种因素的分析，包括导管孔和 气门座圈的结构、材质、底孔的加工精度，可以看出影响其加工精度的因素很多， 范围也很广，说明了导管孔和气门座圈的加工确实是难点，但是通过以上分析可以 针对各种因素来有效地降低和消除各种不利因素，来提高其加工质量。 3 导管孔和气门座圈的+ 般加工工艺方法分析工程硕士学位论文 3 导管孔和气门座圈的一般加工工艺方法分析 国内外的技术人员都对导管孔和气门座圈的加工都进行了长期的研究和实践，目 前成熟和稳定的加工工艺主要有两大类： 1 ) 成品气门导管孔为定位基准的加工工艺：首先精加工气门导管，再以导管孔为 导向完成气门座圈锥面的加工。 2 ) 导管孔和气门座圈同时加工工艺：气门导管和座圈是半成品，与气缸盖组装 后，同时加工导管孔和气门座圈。 3 1 成品气门导管孔为定位基准的加工工艺 3 1 1 刚性主轴铰削及研磨座圈锥面加工工艺路线 该工艺采用立钻作为加工设备，以成品导管孔作为定位，使用刚性主轴进行铰削 座圈锥面，再进行研磨。工艺流程如下： 钻、扩、铰气门导管及座圈底孔安装成品导管以及半成品气门座圈精铰 座圈锥面研磨气门座圈密封带清洗检查密封性。 3 1 2 刚性主轴铰削工艺及精度分析 1 ) 精铰气门座圈锥面 设备为立式钻床z 5 1 3 2 a 。气缸盖放在工作台上，两边有挡铁，使用刚性刀杆，成 品导管孔作为定位，使用专用铰刀，铰削座圈锥面。如图3 1 所示。 1 6 1 主轴2 座圈锥面专用铰刀3 气门座圈4 气缸盖 5 气门导管6 刀杆7 工作台 图3 1 刚性主轴铰削简图 l 程硕1 ：学位论文柴油机气缸盖精密加：艺研究 2 ) 刚性铰削座圈锥面精度分析 该工艺的关键点在于底孔精度，它是座圈锥面精度的保证。主要包括导管底孔 相对于缸盖底面的垂直度以及对座圈底孔的同轴度。 在加工过程中，由于刀杆需要伸入到导管孔内，其配合间隙的大小将直接影响 座圈锥面的加工精度。通过实际加工后，座圈锥面跳动较大，粗糙度较差，大都在 r a 3 2um 左右，见表3 1 以及图3 2 。 表3 1 座圈锥面对导管孔跳动( 单位：m m ) 什1件2什3 件4 f ， ：5件6件7什8 l 进 0 1 5o 2 l0 2 00 2 20 1 50 1 40 2 20 0 9 2 进 o 0 90 1 90 1 l0 2 60 1 50 1 6o 1 l0 0 9 3 进 o 0 90 0 80 0 9o 1 80 1 40 1 40 1 2o 0 8 4 进 o 1 80 0 60 1 90 1 70 1 7o 1 6o 1 90 1 0 1 排 0 2 30 2 20 1 l0 1 l0 1 60 1 90 1 60 0 7 2 排 0 1 5o 2 l0 1 20 1 3o 1 30 2 00 1 90 0 9 3 排 0 】4o 1 6o 】80 1 60 2 00 2 10 】7o 11 4 排 0 0 80 1 60 2 00 1 00 2 20 2 20 2 00 1 2 0 3 0 2 5 g0 2 g d 耋0 1 5 咎 0 1 0 0 5 o 12345678 件号 a ) 进气门庳圈锥面对导管跳动图 进进进进一 | + 一 一一 3 导管孔和气门座嘲的。般加j 1 ：艺方法分析i ：程硕 ：学位论文 _ 。_ _ 。_ _ _ _ 。 。麓 g 等o 1 牡”“ 0 0 5 12345678 件号 b ) 排气门座圈锥面对导管跳动幽 图3 2 跳动曲线图 从上面可以看到：跳动最大值达到0 2 6 咖，最小达到0 0 6 咖，达不到工艺要求。因 此为了提高座圈锥面的加工精度，铰削后增加了研磨工序。 3 1 3 研磨的加工工艺及精度分析 研磨的加工工艺：使用专用的气门研磨机，研磨剂为2 4 0 # 研磨砂，对座圈密封带 和气门进行配研5 分钟。其工作原理：气门与座圈配合，研磨机带动气门上下、旋转运 动，产生摩擦，在此过程中研磨剂对密封带进行研磨，使其得到更好的表面质量。如 图3 3 所示。 l 进气庵圈2 气缸盖3 进气门 4i ：作台5 研磨头 6 排气座圈7 研磨剂8 气门导管9 排气门 图3 3 研磨示意图 然后将研磨后的气门进行清洗，与座圈一起装配，保证它们是研磨偶件。最后对 研磨后的座圈锥面进行跳动检测，并且进行试漏检测。 工程硕士学位论文柴油机气缸盖精密加：【工艺研究 3 1 4 座圈锥面对导管孔的跳动检测 ( 1 ) 检测条件 1 ) 检验工具：在线跳动检具 2 ) 检验对象：4 1 0 2 气缸盖 3 ) 工件材料：h t 2 5 0 4 ) 工件数目：8 只 ( 2 ) 检测原理 该检具是将定位杆伸入到导管孔内作为定位，测头安装在检具套筒上，与定位杆 成4 5 。角。将百分表安装在定位杆上，表的测头贴紧检具套筒上表面，而套筒上表面 与水平方向成7 5 。角，表的测头与定位杆轴线方向成1 5 。角，( 图3 4 ) 。卅 ( 3 ) 检测过程 1 百分表2 检具套筒 3 座圈 4 检具定位杆 图3 4 在线跳动检具 将定位杆伸入导管孔定位后，旋转套筒，百分表测头测量气门座圈锥面跳动。当 测头跳动之后，将套筒往上推动，百分表测头受到套筒压迫，沿1 5 。角的方向移动， 读取跳动值，并将数据记录于表3 2 。 表3 2 座圈锥面对导管孔的跳动( 单位：咖) 件l 件2件3件4件5件6件7件8 l 迸o 1 40 2 l 0 2 l 0 2 2 0 1 6 o 1 6 0 2 00 1 0 2 进o 1 00 1 8 o 1 2 o 2 5 0 1 5 0 1 6 0 1 1o 0 9 3 进0 0 90 1 0 0 1 0 0 1 8 o 1 l 0 1 5 0 1 2o 0 8 4 进 o 1 60 0 7o 1 80 1 60 1 6o 1 60 2 00 1 1 1 排o 2 1o 2 l 0 1 1 o 1 l 0 1 6 0 2 0 o 1 6o 0 8 2 排o 1 4o 2 0 0 1 2o 1 00 1 30 2 00 2 1o 0 9 3 排0 1 40 1 8o 1 8 o 1 6o 2 2 0 2 1o 1 7 0 1 l 4 排 0 0 4o 1 60 2 l0 1 1o 1 8o 2 3o 2 10 1 3 1 9 0 3 o 2 5 暑0 2 窨 l 舀0 1 5 【斟o 1 0 0 5 0 + 1 进 + 2 进 3 进 盼4 迸 123 456 78 件号 a ) 进气门座圈锥面对导管跳动图 b ) 排气门座圈锥面对导管跳动图 图3 5 跳动曲线图 ( 4 ) 结果分析 通过表3 2 及曲线图可知，座圈锥面最大跳动值为0 2 5 r 1 1 m ，最小值为0 0 4 舢。基 木上和研磨前的数据没什么变化，也就是说研磨对座圈锥面跳动影响可以忽略。 3 1 5 试漏检测 ( 1 ) 检测条件 1 ) 检测设备：气压试漏装置，如图3 6 所示。 2 ) 主要技术参数：气压0 5 m p a ： ) 密封法兰行程为15 0 咖； 2 0 工程硕士学位论文 柴油机气缸盖精密加1 ：j l 艺研究 稳压容器容积0 5 m 2 图3 6 试漏装置示意图 3 ) 检验对象：4 1 0 2 气缸盖 4 ) 工件材料：h t 2 5 0 5 ) 工件数目：8 只 ( 2 ) 检测原理 y z 4 1 0 2 气缸盖为四缸，采用四管式气动量仪，动力源使用压缩空气，气压为 0 5 m p a 。仪器工作时，稳压容器会输送两路气体，其中一路供给夹具，用以夹紧密封 法兰，保证密封性；另一路供给气动量仪，每根管都和气缸盖的气门对应，使浮子处 于动平衡状态，试漏时若气门漏气，则相应的浮子处于零刻度之上，说明气门漏气， 否则为不漏气。其主要工作相关参数的关系如下： 1 ) 固定节流孔处应当满足： p 。 0 5 2 8 p 。 ( 3 1 ) 空气流量方程式：q ：生坚笋 3 2 ) v 若p 。基本恒定，p 。不受p 。影响 p 。一稳压器容器压力 p 厂玻璃管中压力 a 一固定节流孔横截面积 c 一流量系数 t 。一气体温度 2 ) 调零阀处满足：p 。 0 5 2 8 p 。 2 l 3 导管孔和气门座圈的一般加l 工艺方法分析 丁程硕十学位论文 空气流量方程式： q ：= o 0 8 2 2 伽、压孓了j 砺 ( 3 3 ) 。 y工l 当调零阀开启时，气体压力重新达到动态平衡值：a 增大，q 。增大，p 2 下降。 p 厂个大气压力 p 2 _ 玻璃管中压力 a 一固定节流孔横截面积 c 一流量系数 t 。一气体温度 3 ) 根据气动量仪基本原理，可知如下关系，见公式3 3 及图3 8 。 图3 7 气动量仪原理图 q 。- c i 乒万刁川( d l + k ：州卅 ( 3 4 c 。一流量系数 d 。一玻璃管小端直径 g 一重力加速度 w 一浮标质量 k 2 一玻璃管内锥度 f 一浮标上端面面积 托一i i 截面上的空气重度 h 一浮标上端面到玻璃管下端面的距离 ( 3 ) 工作方式 1 ) 首先将稳压容器的气压调整好，保证0 5 m p a 。 2 ) 校对：使用一平板，通过夹紧密封法兰和平板保证密封性，打开气阀，浮子上 i ：程硕j j 学位论文柴油机气缸盖精密加一一f 一艺研究 浮至某一刻度后，再调节调零阀，使浮子处于零刻度，并且保持稳定不动，这样试漏 装置的校对就完成了。 3 ) 开始工作：工件摆上工作台，密封法兰和气缸盖表面夹紧保持密封性，打开气 阀开关，浮子标记上浮振动几秒，达到平衡。 4 ) 判定气缸盖密封性的好坏。 浮子标记处于零刻度附近，2 分钟内保持不动，则相对应的气门密封性是好的，否 则就表示泄漏。将测算时间记录于表3 3 ，变化情况如图3 8 。 表3 3 试漏保持时间单位：秒 件1件2件3件4 件5 什6 件7 件8 1 进3 35 18 02 01 2 09 91 4 08 0 2 进 3 96 07 59 31 52 56 01 5 3 进 1 56 84 85 53 82 04 04 8 4 进 2 01 82 12 01 18 12 02 9 l 排 81 03 02 92 01 93 93 1 2 排1 81 94 54 04 83 92 54 0 3 排 1 93 22 31 32 02 32 09 4 排 3 12 11 662 63 01 81 0 l2345678 件号 a ) 进气门 + 1 i 挂 + 2 进 3 进 卜痧4 进 0 0 0 0 0 o 0 0 0 6 4 2 o 8 6 4 2 叁。掣普 3 甘管孔和气门座 巷i 的般加l ：j ：艺方法分析 i ：程硕_ l 学位论文 6 0 5 0 念4 0 l 当3 0 斟2 0 1 0 0 1 23 4 5 678 件号 b ) 排气门 图3 8 试漏保持时间曲线图 5 ) 结果分析 气门座圈密封带不均匀，没有连续性，存在大小边，导致研磨时接触不良。 由于2 4 0 # 研磨砂颗粒细小，又带有粘性，工件清洗时洗不净，那么在柴油机工 作时座圈周边的研磨剂就会进入缸孔。由于其成份为s i c ，具有很高的硬度，当其进入 缸孔内部后会对轴瓦有很大伤害，造成磨损。所以加工工件后，必须对工件进行清 洗，以消除研磨剂对柴油机的损害。 另外在气门座圈密封带处有磕碰的痕迹。这是由于气门和对清洗工件时，座圈 与气门磕碰造成。 3 1 6 工艺结论 通过以上的检测结果，可看出该工艺的加工精度很低，不能满足产品的精度要 求。其主要原因在于： 刚性主轴铰削消除不了气门座圈及导管底孔的加工精度误差，并最终导致气门 座圈和导管孔加工精度差，而且不稳定。 研磨工艺只能修正座圈锥面的表面粗糙度，对其跳动影响很小。此外，该工艺 加工效率较低，而且噪音也大。所以这种加工工艺不适合座圈锥面的实际生产。 3 2 导管孔和气门座圈同时加工工艺 导管孔和气门座圈同时加工工艺原则上是气门导管和座圈与缸盖组装后同时进行 加工。近年来由于机床和刀具行业的高速发展，该加工工艺形成了两个丰要加工趋 势：种是以加工中心为丰要加工设备，使用精密复合刀具加工座圈锥面和导管孔 ，4 工程硕士学位论文柴油机气缸盖精密加工工艺研究 2 5 1 2 7 1 ；另一种以专机采用枪铰或枪镗的加工技术，使用铰刀或镗刀对座圈和导管孔进 行加工瞄圳。这两种工艺的加工精度和适合的场合都不尽相同，下面就这两种加工工艺 进行比较分析。 3 2 王精密复合刀具加工工艺分析 该加工工艺主要是建立在精密机床和精密刀具的基础之上的，没有这两个基础条 件，导管孔和气门座圈的加工精度将很难保证。这丰要是因为在普通设备上使用普通 复合刀具进行加工时，会有以下几个问题出现： 1 ) 由于机床精度得不到保证，主轴的跳动对工件的加工精度影响较大。 2 ) 刀具本身制造精度达不到要求，主要是刀杆跳动。由于导管孔属于细长薄壁 孔，刀杆直径比较小，刚性难以保证。 3 ) 机床精度的先天性不足导致其加工出来的工件的定位精度无法保证。 普通复合刀具所加工出的座圈锥面对导管孔的跳动值一般在0 0 6 o 1 2 咖。因 此，采用该工艺时对机床的设备精度和刀具制造精度就提出了更高的要求，下面来分 析使用精密机床和精密复合刀具的加工工艺和加工精度。 目前采用该工艺加工主要分加工中心和专机。下面以加工中心为例，来分析其加 工的特点。 1 ) 机床精度 加工中心精度高、功能强大，可完成镗、铣、钻、铰、攻丝等加工，适合产品不 断的换型。下面以某气缸盖专业厂所使用的立式加工中心为例，来说明加工中心的加 工特点。 该立式加工中心的型号为：台湾友嘉精机公司所产的q m 一2 2 立式加工中心，其精度 指标见表3 4 。 表3 4 机床精度 型号q m 一2 2单位 进给速度 1 5 0 0 0m m m i n 主轴转速 4 5 1 2 0 0 0 r p m 快速移动速度 2 0m m i n 定位精度 耋o 0 0 5m m 重复定位精度耋o 0 0 2 m m 换刀时间 5 秒 加工中心这些精度指标的保证措施主要有： 3 导管孔和气门座圈的一般加jl ：工艺方法分析工程硕士学位论文 a ) 床身：整体铸造，具有很好的刚性、稳定性及吸震性。 b ) x 、y 、z 三个坐标导轨副均为直线滚动导轨，刚性强、吸震性好。各导轨均 设有封闭保护装置，采用伺服电机滚珠丝杠拖动，同时采用光栅尺作为直线测量达到 闭环控制。刚 c ) 刚性、精密主轴：主轴装有自冷却恒温装置，通过主轴油冷却循环，控制主轴 温度，这样可减小加工过程中主轴的热变形。叫 2 ) 刀具精度 1 刀柄2 内冷孔3 压紧螺