气缸盖导管孔和阀座锥面加工技术探讨.ppt

题目 ZD30气缸盖导管孔和阀座锥面关键技术要求的加工保证方式探讨单位 东风轻型发动机有限公司技术部答辩人 张炜2009 04 21 ZD30气缸盖导管孔和阀座锥面关键技术要求的加工保证方式探讨 题目 ZD30气缸盖导管孔和阀座锥面关键技术要求的加工保证方式探讨 摘要 阀座锥面和导管孔的加工是气缸盖加工的关键和难点工序 其质量水平的好坏对柴油发动机的动力和性能影响尤为明显 在大批量生产中 要稳定的保持高精度要求和提高生产效率 除了优化加工工艺参数外 对阀座底孔与导管底孔和阀座锥面与导管孔的定位方式及基准选择 刀具结构形式和材料的选用等方面等均应特别关注 本文结合生产实践 从以上方面对阀座锥面与导管孔的加工保证方式进行了阐述 关键词 气缸盖 阀座锥面和导管孔 定位方式及基准选择 1 引言 气缸盖是发动机的重要部件之一 它的加工精度直接影响到发动机的工作性能指标 而阀座锥面与导管孔的加工是整个气缸盖工艺加工过程的关键工序 其加工精度对柴油发动机的动力和性能影响更为明显 发动机工作时 气门不断的周期性开启和关闭 在导管间往复运动并反复地冲击阀座 因此气门 导管 阀座三者是发动机工作中条件最恶劣的摩擦副之一 柴油发动机由于采用压燃的原理 压缩比远高于汽油机 经混合后的可燃气体在燃烧室压缩后进行燃烧 使阀座承受周期性的热负荷和机械负荷冲击 这就要求阀座锥面有很高的密封性 否则会导致气门密封不严 燃烧室气密性受到破坏 排气温度上升 发动机功率下降 随着当今发动机对结构紧凑化的要求不断提升 气门 导管与阀座附近更加不易散热 并长期处于600 800 的高温状态 如果此时气门阀杆中心有偏移 会造成有害的热传导和气门阀杆及导管孔的快速磨损 导致导管上部装配的油封密封不良 机油消耗量增加 因此 柴油机特别是对阀座工作锥面与导管孔的跳动和导管内孔与外圆的跳动规定了很严的公差 这也是当今很多的柴油机规定气缸盖阀座锥面跳动要求 0 03 0 04mm 导管内孔对外圆的跳动 0 15 0 20mm的主要原因 可见 阀座锥面和导管孔的加工是气缸盖加工的关键与难点工序 在大批量生产中 要稳定的保持这样的公差和提高生产效率 除需要优化加工工艺外 定位方式 加工方式 切削刀具结构形式及刀具材料等均要重点关注 现以我公司引进的ZD30柴油发动机为例 对其气缸盖阀座和导管的加工工艺技术进行说明 2 ZD30气缸盖阀座锥面和导管孔的工艺要求和所用的设备简述 2 1ZD30气缸盖阀座锥面和导管孔的技术要求2 1 1加工部位 4缸气缸盖阀座锥面与导管孔 进 排气各8个 阀座材料 粉末冶金 采用含铜 钼的高铬合金铸铁材料 硬度为HRC30 40 气门导管材料 粉末冶金 硬度为HRB50 59 采用粉末冶金材料的导管和阀座镶入铝质气缸盖的导管底孔和阀座底孔内的工艺 并且进 排阀座采用液氮冷冻的压装技术 2 1 2气缸盖阀座锥面和导管孔的精加工工艺要求和加工难点 如图1 导管孔 导管内孔对外圆的跳动0 15mm 阀座锥面 阀座锥面对导管孔的跳动0 03mm 校正线距底面尺寸 17 4 0 05 排气 18 4 0 05 进气 2 ZD30气缸盖阀座锥面和导管孔的工艺要求和所用的设备简述 图1 1 进气阀座锥面和导管孔的加工工艺要求 2 气缸盖阀座锥面和导管孔的技术要求和所用的设备简述 图1 2 排气阀座锥面和导管孔的加工工艺要求 2 气缸盖阀座锥面和导管孔的技术要求和所用的设备简述 2 2几种柴油机气缸盖导管孔和阀座锥面关键技术要求的对比见下表 2 ZD30气缸盖阀座锥面和导管孔的工艺要求和所用的设备简述 2 3ZD30气缸盖导管孔 阀座锥面及其底孔的加工工艺流程简述 精加工阀座底孔和导管底孔 液氮冷冻压阀座 常温状态压导管 阀座锥面与导管孔的精加工 锪阀座锥面 精车阀座锥面 枪铰导管孔 ZD30气缸盖阀座锥面和导管孔的工艺要求和所用的设备简述 2 4ZD30气缸盖阀座锥面和导管孔加工所用的设备简述 加工设备 引进日本NTC公司生产的TRF 1143CH精加工柔性专机线 加工条件 高压内冷却湿式切削 切削液采用水质切削液 单机独立的冷却系统 如下图2所示 2 ZD30气缸盖阀座锥面和导管孔的工艺要求和所用的设备简述 图2 2 ZD30气缸盖阀座锥面和导管孔的工艺要求和所用的设备简述 2 5设备的特点 2 5 1加工效率高 适用于大批量生产 经计算 采用本专机的节拍为3 16分钟 件 而采用卧式加工中心为5 44分钟 件 大大节约了加工时间 2 5 2该专机可用采用枪铰导管孔 锪车阀座锥面的方式 而采用卧式专用加工中心 必须选择MAPAL专用刀具的来实现枪铰导管孔 锪阀座锥面的方式 相比而言 对大批量生产质量稳定性加工中心有劣势 单件刀具成本高 2 5 3该专机采用的为固定式的夹具方式 而一般的通用类卧式加工中心采用附带A轴转台的活动式夹具方式 工序质量稳定性较差 2 5 4设备具有品质管理功能 专门的品质检查工位 刀具管理功能等方式 卧式加工中心仅有其刀具管理功能中的部分功能 2 5 5其4ST 5ST采用FANUC18i的数控系统 结合多个伺服电机 实现枪铰转速 锪车阀座锥面的转速 多个进给速度的可调整 实现了工艺参数调整和修改简单 2 3 6该专机采用独立的冷却系统 枪铰导管孔的加工对系统的流量 压力 过滤精度 不同种类切屑的分离的独特要求得到很好的实现 并且枪铰加工对切削液浓度的特殊要求易实施 3 阀座锥面 导管孔关键技术要求的加工工艺保证方式 在现代发动机技术高速发展的今天 要求阀座耐磨性更高 锥面密封性更好 越来越多的高耐磨性 硬度在HRC40以上高硬度的新型粉末冶金阀座材料被应用在发动机上 因此对该部位的加工技术研究是非常必要的 为保证阀座工作锥面对导管孔的跳动 阀座锥面表面粗糙度 导管的直线度以及对其外圆的跳动 减少工序成本 提高生产效率 需要从阀座与导管孔底孔的加工 气缸盖在阀座锥面与导管孔加工时的定位方式 专用复合刀具的运用 刀具材料的选择等影响因素进行分析和控制 才能确保气缸盖成品的工艺要求 现以ZD30气缸盖加工方案为例说明如下 3 阀座锥面 导管孔关键技术要求的加工工艺保证方式 3 1 阀座与导管孔底孔的加工阀座和导管孔的底孔精度是直接影响阀座锥面和导管孔终加工精度的重要因素 因为阀座底孔的跳动误差 一般 0 10mm 会造成阀座和导管孔精加工余量的分配不均 从而影响到其加工精度 为保证阀座和导管孔底孔的跳动公差 阀座与导管孔底孔精加工采用 一面两孔 的加工定位方式 工艺方案采用卧式加工中心 专用复合镗铰刀来进行加工 并且加工时采用RENESHAW测头在线测量 数控程序反馈 光栅尺的方式 使得在底孔精加工完成后 阀座和导管孔终加工定位所用的每两个导管底孔的中心距尺寸精度保证在213 0 035mm以内 并且4个导管底孔至定位销孔的距离尺寸精度保证在 0 10mm 以保证导管和阀座装配后进行精加工时余量均匀 确保导管孔内孔对外圆的跳动 0 15mm 见图3 3 阀座锥面 导管孔关键技术要求的加工工艺保证方式 图3 3 阀座锥面 导管孔关键技术要求的加工工艺保证方式 3 2 加工阀座锥面 导管孔时的定位方式和基准选择及定位误差分析3 2 1 定位方式和基准选择阀座锥面 导管孔在进行精加工时 工件的定位方式对导管孔内孔对外圆的跳动 锥面对导管孔的跳动这两项关键加工精度以及加工效率影响很大 加工阀座锥面与导管孔常见的有两种定位方式 一种是以底面和每一个导管外圆表面定位 使阀座锥面和导管孔纵向轴线与机床主轴轴线相重合 这样可使加工余量均匀 并能保证导管内孔与外圆的跳动和锥面对导管孔的跳动 加工精度高 但是 这种定位方式在一个工位上一次只能加工一个阀座与一个导管孔 需要多次定位才能完成一个多气门气缸盖的加工 生产率低 设备的占地尺寸大 只适用与小批量 多品种加工 因此 大批量生产时 采用一面 底面 两销 工艺销孔 定位 作为整条气缸盖加工线的统一基准 一次定位可以完成一个气缸盖全部阀座与导管孔的加工 效率较高 但这种方式有一个缺点 由于存在阀座及导管孔到工艺销孔的位置精度误差 使加工余量不均匀 造成加工导管孔所用的枪铰刀容易铰偏 直线度差 影响导管内孔与其外圆的跳动以及阀座锥面对导管孔的跳动 这就要求前面工序加工的阀座和导管底孔距定位销孔的尺寸与阀座和导管孔距定位销孔的尺寸尽可能一致 以减少定位重合误差 使导管孔加工余量均匀 来保证加工精度要求 我公司引进的ZD30气缸盖根据自身阀座锥面和导管孔加工工艺技术要求和大批量生产纲领的特点 设备采用进气和排气各一个卧式加工工位单元的排布形式 该专机线所采用的定位方法综合了上述两种方式的优点 即采用一面 底面 和两孔外圆 导管孔外圆 定位 一次加工两个导管孔 即被定位的那两个导管孔 和阀座锥面 每1个加工工位单元累计加工4次的方式 分别完成进气和排气各8个导管孔和阀座锥面的加工 既保证了导管内孔与其外圆的跳动又兼顾了生产效率 既保证了阀座锥面对导管孔的跳动又降低了前面工序加工的阀座和导管底孔对定位销孔的位置尺寸精度要求 见图4和图5 3 阀座锥面 导管孔关键技术要求的加工工艺保证方式 图4 3 阀座锥面 导管孔关键技术要求的加工工艺保证方式 图5 3 阀座锥面 导管孔关键技术要求的加工工艺保证方式 3 2 2 定位误差对导管孔内孔对外圆的跳动量影响分析 定位误差分析详见图6 由该图可知 每次定位采用的两个导管孔外圆 使加工导管孔时与定位销孔无关联 避免了导管底孔距定位销孔的尺寸变化带来的波动 具体计算为 3 2 2 1圆形定位套定位导管外圆部位定位误差分析 导管外圆和定位套最大间隙 0 021 导管加工时的设备误差 0 05 0 071 圆形定位套所加工的导管内孔对外圆的跳动 3 2 2 2椭圆形定位套定位导管外圆部位定位误差分析 导管外圆和定位套最大间隙 0 021 导管加工时的设备误差 0 05 A 0 15 椭圆形定位套所加工的导管内孔对外圆的跳动 得到 A 0 079 即 0 039 另 B2 0 079 22 0 021 22 得到B 0 038 即A B 0 038图6最终考虑综合因素 取A 0 035 这就是阀座和导管孔终加工定位所用的每两个导管底孔的中心距尺寸精度保证在213 0 035mm以内主要原因 3 阀座锥面 导管孔关键技术要求的加工工艺保证方式 图6 3 阀座锥面 导管孔关键技术要求的加工工艺保证方式 专用复合刀具及其加工示意图 如图6 图7 3 阀座锥面 导管孔关键技术要求的加工工艺保证方式 采用专用复合刀具的镗头结构 在TRF 1143CH精加工柔性专机上可实现同时完成阀座锥面与导管孔的高速加工 阀座锥面采用车削方式可以避免锪削锥面工艺出现的一些缺陷 能有效地保证阀座锥面对导管孔的跳动 阀座锥面粗糙度 减少工序 提高生产效率等 专用复合刀具的加工顺序为 图6所示 加工开始前 分别推动滑板和枪铰刀运动的两个推杆位于起始位置 使锥面车刀和枪铰刀都处在加工的初始状态 加工开始时 工作台进给 固定安装的阀座锥面锪刀首先锪阀座锥面 留0 15mm加工余量 接着工作台后退0 5mm 使锪刀片脱离已加工面 并使装在倾斜滑块上的车刀处于待加工位置 此时通过推动外推杆使滑块由外往里运动 实现车刀延阀座锥面的进给 对阀座工作锥面进行高速精车 切削量为0 1mm 车阀座锥面完成后的同时内推杆推动铰刀实现导管孔的枪铰加工 然后枪铰刀退回 完成阀座锥面与导管孔的加工 需要注意的是 专用复合刀具必须保证高速旋转时的平衡量 最大不平衡量为2g mm KG 因高速旋转的刀具存在的不平衡量所产生的离心力将对主轴轴承 机床部件等施加周期性载荷 从而引起振动 这将对主轴轴承 刀具寿命和加工质量造成不利影响 因此 对于这种专用刀具必须配置平衡块 使用前要在平衡机上做动平衡试验 根据测出的不平衡量采用刀柄去重或调节配重的方法保证其平衡 该专用组合刀具集众多优点于一身 主要体现在以下几点 精度高 径向跳动小 同轴度高 3 阀座锥面 导管孔关键技术要求的加工工艺保证方式 3 4 刀具结构形式和材料的选择3 4 1阀座锥面刀具结构形式和材料的选择阀座硬度为HRC30 40 如使用较便宜的涂层硬质合金刀片加工容易出现以下问题 刀片容易磨损 一般只能加工250个孔左右 成本过高 阀座锥面表面粗糙度差 锥面密封带不连续 对导管孔的跳动大 刀片承受的切削线速度 进给率低 严重影响生产效率 为提高加工精度 实现高速切削以提高生产效率 综合对比各种刀具材料的优点 采用性能优越的立方氮化硼 CBN 刀具进行阀座锥面的加工取得良好的加工效果 立方氮化硼 CBN 是70年代出现的超硬刀具材料 作为刀具的CBN一般作成聚晶复合片 其硬度仅次于人造聚晶金刚石 热硬度和热稳定性却比金刚石高很多 CBN在1300 时仍能保持其硬度 且这种材料不与铁质金属发生化学作用 作为金属切削刀具的重要材料越来越广泛地应用于钢和铸铁的加工 CBN刀具的耐用度比硬质合金或陶瓷刀具高十几倍到几十倍 切削速度可提高3 5倍 加工粗糙度可达到Ra0 1 m 可代替磨削进行高精度加工 由于刀具耐用度高 加工零件的尺寸精度可以得到很好的保证 同时 通过提高切削速度和进给率 实现以车代磨 研磨 等方式使生产效率成倍提高 加工一件气缸盖的节拍由180秒降低至120秒 刀具寿命为涂层硬质合金刀片的20倍 大大降低了生产成本 为此此次选用CBN刀具作为硬质阀座材料的加工是理想的刀具材料选择之一 并且本次在阀座锥面锪刀的结构上大胆采用机夹CBN刀片的结构 降低了单件制造成本 3 阀座锥面 导管孔关键技术要求的加工工艺保证方式 3 4 2导管孔刀具结构形式和材料的选择由于气门导管孔材料为粉末冶金 使用硬质合金材料枪铰刀刀具足以满足高速切削及加工精度要求 但是枪铰刀为长径比为300 7整体细长杆的结构 其六刃的刀具排屑槽结构减弱了自身的刚性 加工时又采用较高的转速 因此其杆部的材料选取更需要注意刚性不足的问题 下表为采用整体硬质合金枪铰刀加工后的阀座锥面跳动量和采用非整体硬质合金枪铰刀加工后的阀座锥面跳动量对比 见下表 结果可知 采用整体硬质合金枪铰刀刚性好 对阀座锥面跳动的精度有提升 4 结论 从对阀座锥面和导管孔精加工技术的研究中 可以找出提高其加工精度 效率的途径如下 4 1 确保导管底孔和阀座底孔的加工精度 提高导管孔 阀座锥面的制造品质 4 2 通过选取合适的加工定位方法 尤其是采用铝合金材质的气缸盖 建议阀座锥面和导管孔加工时采用导管外圆定位的方式最佳 其确保证阀座与导管孔加工余量的均匀分布 提高导管 阀座锥面的跳动和导管内孔对外圆的跳动量加工水平 但对于铸铁材质的气缸盖 考虑到自身重量的较大的原因 可根据具体的技术要求进行选择定位方式 4 3 阀座采用CBN刀具加工阀座材料能提高加工精度及