某通用發電機組發動機氣缸頭氣門精加工工藝

唐波，肖鐵忠，黃娟

(1.重慶工業職業技術學院車輛工程學院，重慶401120;2.四川工程職業技術學院車輛工程系，四川德陽618000)

氣缸頭的氣門是發動機的配氣元件，是發動機動力源泉的重要保證之一［1］。在發動機氣缸頭加工中，氣門導管孔與座圈孔的加工是最關鍵的工序，其加工質量將直接影響發動機的整體性能，因而其尺寸精度及形位誤差要求通常較高，對其加工工藝及工藝設備等均提出了較高的要求［2－3］。為保證加工質量，企業一般選擇高精度加工中心加工，但是只能單軸單工位精加工，無法滿足大批量生產的要求［4］。重慶某企業氣缸頭的年生產量在12 萬件左右，若此關鍵工序采用加工中心加工，其生產效率根本無法達到企業要求，為此，設計了針對此工序的精加工工藝及其專用機床，經實際生產驗證，設計的工藝及設備均達到或超過了企業的設計要求。

1 工藝要求及技術難點分析

氣缸頭氣門導管孔與座圈孔的技術圖樣如圖1 所示，缸體材料為鋁合金。

圖1 技術圖樣

由圖1 可知，氣缸頭導管孔及座圈孔的尺寸精度及形位誤差要求均較高，其加工難點總結如下:

(2) 座圈孔與導管孔的圓柱度為0.01 mm，導管孔軸線對于座圈孔軸線的同軸度公差為φ0.01 mm，座圈孔軸線相對于曲軸孔軸線的垂直度公差為0.02 mm;

(3) 導管孔與座圈孔的表面粗糙度Ra=0.8 μm;

(4) 導管孔與座圈孔軸線與氣缸頭底面成13°夾角(未注出) 。

綜上，要達到技術圖樣的精度要求，加工難度較大。

2 加工工藝選擇

針對此氣缸頭，企業提出的年生產綱領是12 萬件，產品合格率為99.9%。由于導管孔及座圈孔的精度要求較高，加工時一般采用以下兩種方案: (1)采用高精度加工中心; (2) 針對此工序設計專用機床。

采用第一種方案時，其優點是可以直接利用企業現有設備，設計周期短，加工精度高; 缺點是只能單軸單工位加工，加工效率低，無法滿足12 萬件/年大批量生產的要求。采用此方案顯然無法達到生產任務的要求，故不選擇加工中心。

采用第二種方案即設計專用機床，其特點是加工工序集中，專用性強，加工精度及自動化程度高，前期投入較大，生產效率高，適合大批量生產。文中涉及的氣缸頭即屬于高精度、大批量生產，故選擇設計專用加工機床。設計的專用機床如圖2 所示。

圖2 專用機床結構示意圖

加工時，由于氣管孔直徑只有φ (9.6 ±0.01)mm，深度為20 mm，表面粗糙度值Ra =0.8 μm，直接鉆削無法滿足精度要求，故需在鉆削的基礎上采用精鉸加工的方法; 對于座圈孔，其直徑分別為深度為6.5 mm，其長徑比約為0.25，一般采用從一端鏜進的傳統工藝加工座圈孔［5］; 兩座圈孔內壁的最小間距為3.5 mm，如兩個氣門在同一夾具上用兩把刀具同時加工，刀具極易產生干涉，所以在機床左右各設計一套刀具與夾具系統，將兩氣門孔系分為兩道工序先后加工; 氣門孔系軸線與氣缸體底面的夾角由夾具來保證，如圖2所示; 氣門孔系分為粗、精加工［6］，即設計兩臺專用機床，用粗加工機床鉆導管孔并粗鏜座圈孔，用精加工機床精鉸導管孔并精鏜座圈孔，使工件達到設計精度要求。

3 精加工工藝設計

3.1 定位夾緊方案的確定

工件加工時，需要限制6 個自由度，保證工件位置保持不變。缸體類孔加工一般采用一面兩銷的定位方式［7］，其定位方案如圖3 所示，由兩個φ10 mm 的工藝銷孔與4 處定位墊塊(帶吹屑功能) 構成定位的兩銷一面對工件進行完全定位。

圖3 定位方案

夾緊方案如圖4 所示，工件由支撐板2 與兩定位銷定位后，啟動自動控制器按鈕，氣缸5 帶動回轉導桿6 在導套7 內軸向移動并做回轉運動，導桿6 帶動壓板8 與壓頭4 回轉將工件壓緊，工件的夾緊由兩套夾緊機構實現。

圖4 夾緊方案

3.2 切削參數的確定

3.2.1 切削速度的選擇

工件材料為鋁合金，精加工時，鉸刀及鏜刀刀片均為硬質合金，通過查手冊［8］可知: 精鉸時切削線速度為vc1=15 ～30 m/min，精鏜時切削線速度為vc2=150 ～200 m/min。分別取vc1= 30 m/min，vc2= 180 m/min。

3.2.2 刀具轉速的確定

刀具轉速的計算公式為［9］:

式中: n 為刀具轉速，r/min;

d 為刀具直徑，mm;

vc為切削速度，m/min。

式(1) 中刀具直徑分別為d1=9.6 mm，d2=27 (28) mm，將d1，d2的值分別代入式(1) ，可以算出刀具轉速n1= 995.22 r/min，n2= 2 123.14(2 047.32) r/min。綜上，刀具轉速確定為n =995.22 r/min。

3.2.3 進給參數的確定

根據氣門精加工的特點及要求，應選擇較小的背吃刀量及進給量，通過查找手冊［8］，選擇的參數如下: 進給量f=0.15 mm/r，精鉸與精鏜背吃刀量均為ap=0.1 mm。進給速度計算公式為［9］:

式中: vf為進給速度，mm/min;

n 為機床主軸轉速，r/min;

f 為進給量，mm/r。

將選取與計算得到的值代入式(2) ，可算得進給速度vf=149.28 mm/min。

4 生產效率的驗證

企業提出的氣缸頭機械加工生產線綱領為: 12萬件/年; 工作制度: 300月/年，2 班制生產/日，8小時/班，生產效率91%，設備負荷率90%; 生產節拍: 300 ×2 ×8 ×0.91 ×0.9 ×60/120 000 =1.97 min/件。實際生產時，工進時間t1=20/149.26 min=0.13 min，輔助時間為0.5 min，即實際生產節拍為0.63 min/件，遠小于企業要求的1.97 min/件，可以判斷設計的工藝滿足生產節拍的要求。

5 結束語

設計的工藝及專用機床在重慶某企業順利實施，通過實際加工實驗，工件各項精度均達到或超過企業要求; 研制的設備在企業投產2年以來，運行良好，由于精度及效益均較理想，正準備投入第二條生產線。

［1］吳嘉明．摩托車發動機氣缸頭氣門鏜鉸數控專機的設計［J］．組合機床與自動化加工技術，2002(11) :67－69．

［2］趙帥，楊崇倡，吳瑛戟．一種精密轉盤的加工工藝研究［J］．制造技術與機床，2014(2) :37－39．

［3］陳忠華．發動機缸蓋機加工藝及技術難點分析［J］．電子制作，2013(17) :258．

［4］黃麗云．一種氣缸蓋氣門導管孔加工工藝［J］．內燃機，2013(5) :26－27．

［5］肖鐵忠，羅靜，龔文君，等．汽車發動機氣缸體缸孔雙軸精鏜加工工藝［J］．制造技術與機床，2013(2) : 128－131．

［6］李吉，李健，黃艷，等．薄壁長軸套類零件雙面加工專用機床設計［J］．組合機床與自動化加工技術，2014(2) :147－149．

［7］羅靜，肖鐵忠，龔文君，等．發動機缸體曲軸孔加工專用鏜床設計［J］．制造技術與機床，2013(9) :76－79．

［8］楊叔子．機械加工工藝師手冊［M］．2 版．北京: 機械工業出版社，2010．

［9］華楚生．機械制造技術基礎［M］．重慶: 重慶大學出版社，2007．