關于缸蓋座圈60°錐面寬度控制方法的研究

左 楊，翁雪軍

（南京汽車集團有限公司，江蘇 南京 210016）

缸蓋是發動機核心部件之一，缸蓋座圈錐面的加工品質，對發動機功率、油耗、排放都有非常重要的影響。針對缸蓋座圈品質精度高、一致性好的產品要求，汽車行業越來越多地采用CNC 數控加工中心和精密復合型刀具[1~2]，以敏捷、柔性、精益的制造方式，適應多品種、小批量、高節拍和節能、環保的市場新需求。汽車缸蓋座圈加工工藝，正在朝向更加深入微觀和更加精準精密的方向發展。

到目前為止，市場上主流汽車設計的發動機缸蓋座圈，一般都是由3個座圈錐面組成的，分別是氣流進口引導座圈錐面，氣流密封座圈錐面和氣流內倒角座圈錐面，如圖1。

圖1 16 氣門缸蓋及其座圈錐面

現在，除了密封座圈錐面外，對氣流進口引導座圈錐面，也提出了新的更高的要求。

本文主要探究調控氣流進口引導座圈錐面的寬度尺寸，改善缸蓋吸氣時氣體流動的平順性和穩定性，從而保證發動機缸蓋進氣性能一致性的方法，其他座圈錐面，可以此推演。

1 缸蓋座圈錐面的加工方法

1.1 問題的來源

缸蓋座圈錐面因功能不同，要求的角度也不相同。按氣體流進缸蓋燃燒室的方向的順序來講，氣流進口引導座圈錐面60°角，氣流密封座圈錐面90°角，氣流內倒角座圈錐面150°角。缸蓋吹氣實驗顯示，氣流滾流比對功率損失有重要影響。通過筆者所在單位技術中心實驗數據統計分析表明[3]：缸蓋氣流進口引導座圈錐面60°角的寬度尺寸，是影響缸蓋吸氣滾流比的關鍵因素之一。

1.2 加工過程方法分析

為了提高發動機綜合性能，缸蓋普遍選用可變相位四缸雙凸輪16 氣門的設計技術，充分加大缸蓋的進氣量。加工16 氣門缸蓋座圈錐面會延長切削時間，為了盡可能地減少缸蓋座圈錐面切削時間，目前，主要采用加工中心（如圖2）與MAPAL 雙鏜鉸動力頭相結合的布置方式（如圖3）。

圖2 加工中心示意圖

圖3 MAPAL 鏜鉸動力頭

當加工四缸雙凸輪16 氣門缸蓋座圈錐面時，MAPAL 1# 鏜鉸頭加工缸蓋第1、2 缸的座圈錐面，MAPAL 2#鏜鉸頭加工缸蓋第3、4 缸的座圈錐面。

座圈切削加工順序與缸蓋進氣氣流方向正好相反，從缸蓋底平面燃燒室的座圈向缸蓋進氣道內的導管方向進行切削加工，可分為3個步驟（如圖2）：

第一步，加工中心軸Z 伺服電機反轉（－），驅動主軸上的鏜鉸頭前進到達座圈錐面切削加工的開始點；加工中心軸W1、W3 步進電機反轉（－），分別驅動兩個MAPAL 鏜鉸頭里面的中間滑動套筒前進（圖示3），中間滑動套筒前進帶動滑塊向中心做收攏運動，滑塊上安裝的刀具與滑塊做相同軌跡的運動。與此同時，軸Z 伺服電機正轉（+），驅動整個鏜鉸頭后退，通過CNC 數控程序控制，刀具沿著軸Y、軸Z 兩個方向作合成運動，使刀具對座圈做切削加工得到氣流內倒角座圈錐面150°角。

第二步，加工中心軸W1、W3 步進電機反轉（－），分別驅動兩個MAPAL 鏜鉸頭里面的中間滑動套筒繼續前進，中間滑動套筒前進帶動滑塊，滑塊帶動刀具繼續向中心做收攏運動，由于MAPAL 鏜鉸頭滑塊本身的運動軌跡為90°，此時刀具對座圈做切削加工正好得到氣流密封座圈錐面90°角。

第三步，加工中心軸W1、W 3 步進電機反轉（－），分別驅動兩個MAPAL 鏜鉸頭里面的中間滑動套筒再繼續前進，中間滑動套筒前進帶動滑塊，滑塊帶動刀具向中心做收攏運動。與此同時，軸Z 伺服電機反轉（－），驅動整個鏜鉸頭前進，通過CNC 數控程序控制，刀具沿著軸Y、軸Z 兩個方向作合成運動，使刀具對座圈做切削加工得到氣流進口引導座圈錐面60°角。

1.3 工藝過程方法分析

理論上，缸蓋氣流密封座圈錐面90°角的寬度尺寸在空間位置上向前移動（接近缸蓋底平面），缸蓋氣流進口導向座圈錐面60°角的寬度尺寸就被延長，90°角的寬度尺寸在空間位置上向后移動（遠離缸蓋底平面），60°角的寬度尺寸就被縮短。但是，90°角的寬度尺寸在燃燒室里的空間位置是不允許變化的，或者說座圈錐面密封線深度是不允許變化的。例如在某型號的缸蓋90°角的寬度尺寸上規定測量基準直徑Φ28.03。在工藝技術上，為了增加60°角的寬度尺寸而又要保證90°角的寬度尺寸和深淺尺寸都不能變化，可以將90°角的寬度尺寸組成的線段，沿著它自己原來的空間軌跡向外做移動。

這種空間移動有兩個實現方法：

（1）刀具調整方法。分別調整MAPAL 刀具徑向、軸向的2 顆螺釘，使刀具刀尖先沿著鏜鉸頭軸向向內收斂（縮短），再使刀具刀尖沿著鏜鉸頭徑向向外伸出（加高）。這樣刀具刀尖相對于缸蓋座圈做了向外、向上運動后，又返回到90°角的原來軌跡的延長線上。即在空間位置上軌跡不變化，只是起始點做了移動。

（2）程序調整方法。是按照空間軌跡不變化起始點移動的坐標參考點編寫新程序，通過CNC 數控程序控制步進電機（軸W 1、軸W3）,伺服電機（軸Z）按照新的數控程序做聯動，使刀具刀尖沿著90°角的原來軌跡做運動，得到切削加工出來的90°角的寬度尺寸相等、位置沿著原來的空間軌跡移動的線段。

2 實際應用

某汽車研究中心通過缸蓋吹氣實驗的研究發現，缸蓋氣流進口引導座圈錐面60°角的寬度尺寸對氣道滾流比影響較大，轉換到缸蓋氣道性能上有5%左右的影響。經過對1.5T 缸蓋測量發現缸蓋第1、2 缸座圈60°角寬度與第3、4 缸寬度差異較大，其中3、4 缸寬度較小，對性能影響不利。

寬度測量結果見表1。

表1 刀具調整前6 件缸蓋3、4 缸氣流進口引導座圈錐面60°角的寬度尺寸表 （單位：mm）

2.1 對影響60°角寬度的因素分析

針對座圈加工提出的新問題和座圈加工實際檢測數據，運用上述缸蓋座圈錐面加工實際與理論相結合的分析方法，就可以完成調控缸蓋60°角座圈錐面的寬度尺寸，滿足缸蓋吸氣性能對座圈錐面的技術要求。

圖4 為1.5T 缸蓋進氣座圈尺寸示意圖。

圖4 1.5T 缸蓋進氣座圈尺寸示意圖

按照缸蓋座圈加工先后順序來分析，缸蓋氣流內倒角座圈錐面150°角的理論寬度尺寸為1.12 mm，氣流密封錐面90°角的理論寬度尺寸為（1.20 ±0.20）mm，氣流進口導向座圈錐面60°角的理論寬度尺寸為0.628 mm。60°角寬度尺寸的線段的長短，受到90°角端點坐標位置和座圈內徑拔模斜度5°角的共同影響。

座圈中心線的軸向：軸Z（深度水平方向）；中心線的徑向：軸Y（高度垂直方向)，從水平和垂直兩個方向，來研究氣流進口導向座圈錐面60°角的寬度尺寸的變化。如圖5。

圖5 60°角的寬度尺寸計算示意圖

（1）在Z 軸（深度方向）上來討論。

如公式（1），深度尺寸h1每增加0.10 mm，座圈錐面60°角的寬度尺寸增加0.020 6 mm。對座圈寬度尺寸影響有3個因素，座圈底孔加工深度（14.343±0.12）mm，座圈厚度（6±0.05）mm，座圈加工深度（8.19±0.20）mm，累計公差0.37 mm，代入公式（1），計算得到影響座圈錐面60°角的寬度尺寸0.076 mm。

（2）在軸Y（高度方向）上來討論。

如公式（2），高度尺寸h2每增加0.10 mm，座圈錐面60°角的寬度尺寸增加0.236 mm。對座圈寬度尺寸影響有4個因素，座圈底孔位置度0.065 mm，座圈內徑（26.3 ± 0.12）mm，座圈同軸度0.075 mm，座圈錐面同軸度0.065 mm，累計公差0.325 mm，代入公式（2），計算得到影響座圈錐面60°角的寬度尺寸0.766 mm。

（3）座圈錐面60°角的寬度尺寸計算

當切削起點移動沿Z 軸和Y 軸分別調整0.1 mm，代入公式（1）、（2）、（3），寬度增量0.215 mm。

2.2 實際加工結果

通過調整NC 程序，刀具切削軌跡起點沿Z 軸調整0.1 mm，試切了8個缸蓋，測量結果見表2。

如表2 數據所示，3、4 缸座圈錐面60°角的寬度尺寸，由0.365 1 mm 加寬到0.585 7 mm，增量0.221 mm，理論與實際相差值0.006 mm，達到汽車研究中心對1.5T 缸蓋氣道“吹氣試驗”的技術要求。

3 結束語

缸蓋座圈錐面60°角的寬度尺寸，及其所在空間位置的控制方法，可用于不同型號發動機缸蓋的座圈錐面60°角，90°角，150°角的寬度尺寸和空間位置的調整控制。

[1]李曉科.加工中心確保氣門座圈加工質量[J].現代零部件，2009，（4）：84-86.

[2]易 剛，林劍峰，侯延星，化春雷，羅和平. 發動機缸蓋加工關鍵工藝研究[J].機械設計與制造，2011，（6）：84-85.

[3]張小矛，高衛民，辛 軍，錢承炬，平銀生，陳 明，倪計民，張萬平.進氣道對缸內直噴增壓汽油機性能的影響[J].內燃機學報，2011，（4）：300-306.