气缸盖气门座锥面与气门导管孔的加工技术研究

1、气缸盖气门座锥面与气门导管孔的加工技术研究    (广西大学机械工程学院，广西 南宁 530004) 摘要: 本文从气门座圈与导管底孔的加工、定位方式及基准选择、专用复合刀具的应用、气门座圈的加工方式、刀具材料的选用、导管孔的加工及其冷却方式、切削参数等主要方面对气门座圈锥面与导管孔的加工技术进行深入研究。 关键词:气缸盖，气门座锥面，气门导管孔，定位基准，专用复合刀具，CBN Research on the technology of valve seat and guide Wei Yi He Abstract：The machining techn

2、ology of the subulate surface of valve seat and guide is researched thoroughly by maching of base valve seat and guide,ype of location and datum,compound tool，maching type of valve seat,material of cutting tool,machining type of guide and its cooling ,cutting parameter etc. Keywords：cylinder head,th

3、e subulate surface of valve seat, guide, location datum，combined tool，CBN 一、前言 气缸盖是内燃机的重要部件，它的加工精度直接影响到发动机的工作性能。而气门座圈和气门导管的加工是整个气缸盖机械加工的关键，它们的加工精度对发动机的性能有着重要影响。 发动机工作时，气门不断开启和关闭，在气门导管间往复运动并不断地冲击气门座圈，可见气门、气门导管、气门座圈三者是发动机中工作条件十分恶劣的摩擦副之一，气门座圈承受很高的冲击负荷和炽热燃气的高速冲击。可燃气体是在缸盖燃烧室压缩后进行点燃，致使气门座圈承受很高的热负荷和机械负荷 ，由

4、于不易散热，气门、气门导管与气门座圈长期处于600°800°的高温状态，硬质燃烧产物、积碳、高温腐蚀和零件变形，造成气门导管与气门座圈密封锥面的磨损与烧蚀，致使气门密封不严，燃烧室气密性受到破坏，排气温度上升，发动机功率下降。论文论文参考网这就要求气门导管有良好的自润滑性、气门座圈密封锥面有很高的耐磨和密封性。如果气门阀杆工作时中心发生偏移除了会导致有害的热传导和气门阀杆及导管孔的很快磨损外，还会造成耗油量的增加。因此，对气门座圈和导管孔的加工精度提出了很高的要求，特别是对气门座圈工作锥面对导管孔的跳动规定了很严的公差。一般柴油发动机规定其跳动0.03mm。 可见，气门座圈

5、和导管孔的加工是气缸盖加工的关键技术。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、切削刀具及刀具材料、切削参数等均有较高的要求。因此对气缸盖气门座圈和导管的加工技术进行深入的研究具有重大的意义。 二、切削工艺条件 加工对象：气缸盖气门座圈锥面与导管孔（进排气门各3个） 气门座圈材料：V571（采用含铜、钼的高铬合金铸铁材料）,硬度为HRC5055 气门导管材料：HT250，硬度为HRC1722 工艺要求：如图1 技术要求：切削后的气门座圈锥面必须为一条连续光亮的密封带 图1 工艺要求 加工性质：精加工； 加工设备：SP300专用机床； 加工条

6、件：湿式切削； 三、加工技术研究 传统的气门座锥面与导管孔的加工工艺流程为：钻扩气门座圈和导管底孔压气门座圈压气门导管枪铰气门导管在立式摇臂钻以已加工的气门导管孔为导向用硬质合金锪刀（带导向）锪削气门座圈锥面。加工中经常出现以下问题：由于气门座圈锥面与气门导管孔分开两道工序加工，多次定位，且锪刀导向与已加工的气门导管孔存在配合公差，引起气门座圈锥面对气门导管孔的跳动超差，很难达到工艺要求；用锪刀低速锪削气门座锥面缺点是在锥面上会复映锪刀切削刃，表面粗糙度差、不连续。为达工艺要求，需要增加研磨工序研磨锥面密封带表面；工序过多，成本大，加工效率低。在发动机技术高速前进的今天，要求的气门座圈耐磨性更

7、高、密封性更好。越来越多的高耐磨性、硬度在HRC50以上高硬度的新型气门座圈材料被应用在发动机上，传统的锪削加工已经不能满足加工工艺要求。因此对气门座圈锥面与导管孔加工的新技术研究是非常必要的。 为保证气门座圈工作锥面对导管孔的跳动、气门座锥面表面粗糙度、气门导管的直线度以及对其外圆的同轴度，减少工序成本、提高生产效率，需要从气门座圈与导管孔底孔的加工、气缸盖的定位方式、专用复合刀具的采用、刀具材料的选择、导管孔刀具及冷却方式、切削参数等各影响因素的分析、控制来满足加工工艺要求。 1、气门座圈与导管孔底孔的加工 气门阀座和导管孔的底孔精度是直接影响气门阀座和导管孔终加工精度的重要因素。因为 底

8、孔的同轴度误差（一般应低于0.05mm）会造成气门阀座和导管孔精加工余量的分配不均，从而影响到终加工精度。为保证阀座和导管孔底孔的同轴度公差，气门座圈与导管孔底孔采用专用复合刀具分钻、扩、精镗三道工序来进行加工。 2、定位方式及基准选择 工件的定位方式对其加工精度和加工效率影响很大。加工气门座锥面与导管孔通常有两种 定位方式：一种是以顶面和导管外圆（14.5）表面定位，使气门座孔和导管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其外圆（14.5）的同轴度，加工精度高。但是，这种定位方式在一个工位上只能加工一个气门座圈与一个气门导管孔，需要6次定位才能完成一个6气门缸盖

9、的加工，生产率较低，只适用与小批量试制。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气门座圈与气门导管孔的加工，效率较高。但这种方式有一个缺点：由于存在气门座圈及导管孔到工艺销孔的位置精度误差，使加工余量不均匀，导管孔铰刀容易铰偏，直线度及垂直度差，影响气门座锥面对气门导管的跳动。这就要求前面工序加工的气门座圈和导管底孔坐标与精加工专用机床（SP300）的坐标尽可能一致，以减少定位误差，使加工余量均匀，保证产品精度要求。 3专用复合刀具的应用 专用复合刀具及其加工示意图如图2。 图2 专用复合刀具及加工示意图 采用专用

10、复合刀具在SP300专用机床上可实现同时完成气门座圈锥面与气门导管孔的高速加工，气门座锥面采用车削方式可以避免锪削工艺出现的一些缺陷，能有效地保证气门座锥面对导管孔的跳动、气门座锥面粗糙度、减少工序、提高生产效率等。使用专用复合刀具加工该两孔的工艺流程为：钻扩铰气门座和气门导管底孔压气门座圈压气门导管，然后在专用机床上用专用复合刀具进行气门座圈锥面与气门导管孔的加工。专用复合刀具的加工顺序为：加工开始前，分别推动滑板和铰刀运动的两个推杆位于起始位置，使车刀和铰刀都处在加工的初始状态。加工开始时，工作台进给，固定安装的气门座圈粗刀首先锪气门座圈，留0.15加工余量；接着工作台后退0.2mm，使粗

11、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进给，对阀座工作锥面进行高速半精车，切削量为0.1，与此同时内推杆推动铰刀实现导管孔的铰削加工，铰刀铰穿气门导管时工作台再进给0.05，气门座圈精刀由里往外运动时精加工气门座圈锥面，此时铰刀退回，完成气门座圈锥面与导管孔的加工。采用专用复合刀具加工的气门座圈锥面与气门导管孔各项技术要求的工序能力指数Cpk1.66。 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，

12、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。 4、刀具材料的选择 由于气门导管孔材料为HT250且硬度低，使用普通的涂层硬质合金刀片足以满足高速切削及加工精度要求。但V571气门座圈硬度达HRC5055，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150个孔左右，成本过高；气门座圈锥面表面粗糙度差，锥面密封带不连续，对导管孔的跳动大；刀片承受的切削

13、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氦化硼(CBN)刀具进行气门座圈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度时仍能保持其硬度 。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Ra0.1m，可代替磨削进行高精

14、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。为此选用CBN刀具作为硬质气门座圈V571材料的加工是理想的刀具材料选择之一。 5、导管孔的加工及冷却方式 如采用多刃铰刀，可采用较高的进给速度，导管孔的加工时间一般可比单刃约缩短75， 但这种铰刀对不均匀的加工余量比较敏感，导致导管孔的直线度差、铰偏，会影响到气门座工作锥面对导管孔跳动。而采用单刃铰刀(即枪铰刀)进行加工，由于这种刀具采用三个导向条，在

15、枪铰刀刀切入工件后，其依靠布置在刀体上的三根合金导向条来导向和支承切削力，提高了铰刀的刚性，对加工余量不均匀的敏感程度降低，这有利于提高气门座圈工作锥面对导管孔加工的跳动。合理的冷却方式对提高刀片的寿命及缸盖的清洁度起着重要的作用：由于气门座圈与导管孔的连接部分是形状非常复杂的气道，当采用常规的喷淋冷却方式时，导管孔刀具得不到充分冷却且冷却液会将加工时产生的铁屑冲进气道，残留在气道内的铁屑将严重影响气缸盖的清洁度进而影响发动机质量和性能。因此，采用了从刀片的前端冲向刀尖的内冷却方式，从而尽可能地将铁屑冲出缸盖，便于排屑，保证气道的清洁度。 6、切削参数 要保证加工精度以及提高生产效率，除了优化

16、工艺流程外，切削参数的优化是必不可少的。切削速度、进给率太低，生产效率低，达不到精度要求，尤其会出现气门座圈锥面对导管孔的跳动差使气门座锥面漏气；切削速度、进给率太高，刀具磨损过快，刀具成本高。多次工艺试验证明，较佳的切削参数为：切削硬度为HRC5055的气门座圈V571锥面时，切削速度Vc=300m/min，进给率F=0.08mm/n；导管孔的切削速度Vc=85m/min，进给率F=0.15mm/n。 四、结论 从对气门座圈和导管孔加工技术的研究中，可以提出提高其加工精度、效率的途径，如下： 1、主轴部件的轴向和径向跳动应分别低于0.0015mm和0.002mm； 2、专用复合刀具要求的刚性

17、足够，制造精度高、径向跳动小、同轴度高，还需有较小的不平衡量； 3、确保证气门座圈与导管孔加工余量的均匀分布。 4、气门座圈采用CBN刀具加工高硬度的V571气门座圈材料能提高加工精度及生产 效率； 5、加工导管孔采用单刃铰刀有利于克服加工余量偏移引起的加工误差；采用从刀片的 前端冲向刀尖的内冷却液流方式，便于排屑。 五 展望 随着刀具材料和精密专用刀具的不断发展和推广应用，将进一步提高气门座圈和导管孔的加工精度、加工效率和加工柔性。 参考文献 1 陈家瑞.汽车构造（上、下册）北京：交通出版社，1998 2 严兆大.热能与动力机械测试技术.机械工业出版社，2000 3冯士光.新型超硬材料立方氮化硼聚晶及其刀片的应用.成都：四川科学技术出版社，1984 4刘惟信.机械可靠性设计.北京：清华大学出版社，1996 5焦振学.先进制造技术.北京：北京理工大学出版社，1997 6邓文英.金属工艺学.北京：高等教育出版社，1997 7李益民.机械制造工艺设计简明手册.北京：机械工业出版社，1999 8艾兴，肖诗纲.切削用量简明手册.北京：机械工业出版社，2000 9邓建新，艾兴.陶瓷刀具切削加工时的