汽車發動機氣缸蓋加工工藝技術研究

江文濤 趙鳳輝

（江蘇省揚州市嶸泰工業發展有限公司，揚州 225200）

氣缸蓋主要具有四種功能。一是氣缸蓋與缸體裝配后，與活塞頂部共同形成燃燒室，燃油混合氣體在燃燒室內點燃燃燒，產生推力，推動活塞上下的運動，為汽車提供動力；二是氣缸蓋是發動機配氣機構、進排氣歧管、進出水管、鏈條罩蓋等部件的裝配基座；三是氣缸蓋內鑄造有冷卻水套，冷卻水循環通過缸蓋和缸體水套，對發動機冷卻降溫，防止缸蓋及缸體的形變扭曲，保證其性能；四是缸蓋內設計有油道，機油通過油道為各運動部件提供潤滑機油，同時為可變氣門正時（Variable Valve Timing，VVT）機構提供驅動力。基于此，本文探討了發動機缸蓋的加工工藝。

1 氣缸蓋材料簡述

氣缸蓋承受著高溫高壓的作用，同時由于與高溫氣體接觸而承受很高的熱負荷。為了保證氣缸蓋的良好密封，氣缸蓋既不能損壞，也不能變形。為此，氣缸蓋必須具有足夠的強度和剛度。發動機氣缸蓋材料通常是鋁合金、灰鑄鐵和蠕墨鑄件。汽油發動機通常使用鋁合金，柴油發動機一般使用灰鑄鐵或蠕墨鑄鐵。鋁合金導熱性好，有利于提高發動機的壓縮比。另外，鋁合金鑄造性能優異，適于澆鑄結構復雜的零件。下面針對鋁合金氣缸蓋加工工藝進行介紹分析。

2 生產線工藝與設備概述

在現代加工工藝中，加工中心組成的柔性加工系統得到廣泛的應用，而之前的專用設備生產線已逐漸被淘汰。柔性生產線可適用于多型號的產品，也方便產品的換型及后期改造，從而減少投入及改造成本。從成本及加工工藝的角度出發，立式加工中心（多采用BT40直聯主軸）與臥式加工中心（多采用HsK63電主軸）組合的柔性生產系統是一種更具成本效益的解決方案，同專用的打標、壓裝、清洗以及測漏設備組成氣缸蓋生產線。氣缸蓋各面孔系、下表面的半精加工可采用立式加工中心完成。臥式加工中心加工產品高精度要求內容，包括下表面的精加工、進排氣導管座圈孔和凸輪軸承孔。在生產線的整體布局中，常采用“一”或“U”型生產線。設計過程中必須嚴格認真考慮最短的物流、最快的人機工程學、操作員的人體工程學、生產線周期的平衡以及投資和產出的綜合成本。

3 鋁合金氣缸蓋加工工藝的分析及難點

3.1 氣缸蓋重要加工內容的介紹

因氣缸蓋功能的多樣性及重要性，其設計結構是發動機中最復雜的部件，也是加工精度要求最高的部件。氣缸蓋的加工精度對發動機的整體性能和可靠性有著直接的影響。氣缸蓋內的關鍵加工部位是導管座圈安裝孔、導管座圈孔、進排氣挺桿孔、進排氣凸輪軸孔以及VVT閥安裝孔（部分VVT閥安裝孔設計在氣缸蓋罩上）。以上的加工內容的質量需嚴格進行控制。

3.2 氣缸蓋平面的加工工藝

氣缸蓋的上下表面和進排氣面都是密封安裝面，平面的平面度、平行度及表面粗糙度等精度要求較高，是整個加工過程的基礎。因此，要求機床具有較高的幾何精度和刀具調整精度。現在PCD金剛石刀具已被廣泛地應用到鋁合金的加工中，PCD刀片可很好地保證加工面的精度，平面度可保證在0.04以內，粗糙度可達到Ra1.2以內（部分表面有網紋粗糙度區間要求，需調高部分刀片，通過調整轉速及進給加工參數實現，保證其粗糙度在要求的范圍內），其加工效率及刀具壽命至少比硬質合金刀具提高50%。目前，加工氣缸蓋各平面多采用可轉位PCD面銑刀，常采用75°主偏角刀片，并根據加工要求安裝不同數量的修光刃。進排氣面因其結構常采用小直徑的面銑刀，分粗精加工兩道工序。上下端面有很高的精度要求，精加工時多采用大直徑的面銑刀（Ф220面銑刀）一刀完成加工，可保證面的精度要求。

3.3 氣缸蓋挺桿孔、導管座圈安裝孔的加工工藝

氣缸蓋的導管座圈安裝孔、挺桿孔和凸輪軸孔相互關系十分密切。在加工過程中，必須嚴格控制表面粗糙度、尺寸精度和位置精度。如果座圈導孔底孔、挺桿孔的尺寸精度不穩定，將導致導管座圈的壓裝出現異常，并導致氣門導管與氣缸蓋的配合受到嚴重影響，影響發動機的可靠性。

氣缸蓋座圈安裝孔和導管安裝孔有很高的同軸度、直徑、圓柱度要求，導管底孔需采用硬質合金鉆頭預加工，此處需注重刀具的排屑；再采用PCD刀具完成導管座圈的粗加工。座圈導管底孔的精加工是一個難點，座圈底孔和導管底孔刀具需為一體式刀具，刀具為4刃瑪帕PCD鉸刀，在刀具修磨時需一次上機完成修磨，保證刀具的精度。精加工刀具需采用法蘭盤結構，將刀具安裝至機床主軸內，刀具的跳動需通過法蘭機構調整至3μm以內。需根據刀具加工情況給予加工參數，一般座圈底孔切削速度設定為300～450m/min，導管底孔的切削速度設定為150～220m/min。粗加工前端加工引導孔，以保證精加工刀具的加工精度。加工此孔前需確認機床主軸的跳動、直線度，4軸轉臺精度及切削液濃度等，這些都會影響導管座圈孔的加工。

挺桿孔是用來安裝挺桿驅動氣門上下動作，完成四沖程過程的吸氣和排氣。一般工藝安排挺桿孔與導管座圈底孔在同一道工序完成加工。為保證此孔的加工精度，常采用導條鉸刀和四刃鉸刀加工，現多常采用4刃鉸刀加工，既可保證孔的精度，又可提高加工效率，降低加工成本。因為挺桿孔與導管孔有同軸度要求，需確認機床4軸轉臺的精度。

3.4 氣缸蓋導管座圈孔的加工工藝

導管和座圈具有嚴格的密封和匹配要求，對圓度、同心度和跳動有嚴格的要求。除此以外，還需控制座圈的加工深度，并需控制90°密封面的寬度（1.0～1.4mm），因其會直接影響發動機的性能。進排氣門導管和座圈均為鐵基粉末冶金材料，座圈部位尺寸較大（Ф28，Ф31粗糙度Ra1.6），導管孔徑很小（Ф5 H7，圓柱度0.007，粗糙度Ra0.8），要保證其孔徑、圓柱度及座圈對導管的跳動（0.025）要求，需安排合理的加工工藝。由于座圈和導管的硬度和材料成分不同，刀片需采用不同材質，座圈硬度較高（66～76HRA），采用CBN刀片加工；導管的硬度（60～90HRB）相對低一些，采用PCD刀片加工。加工此孔采用臥式加工中心，分粗精加工兩道工序，第一道工序采用瑪帕復合短刀具在導管上鏜出一預加工孔作為精加工的導向孔，座圈部位加工出30°、90°、140°三個錐面，并在90°錐面留0.2mm的精加工余量，主要目的是利用短刀具較好的剛性實現導向孔與座圈孔的同軸。第二道工序采用瑪帕刀具獨特的導管座圈刀具，導管加工刀具為單刃帶導條PCD鏜刀，刀桿材質為硬質合金，沿預孔方向精鏜出導管孔；精加工座圈刀只有90°錐面的刀片，可通過調節螺釘調整刀片的高度，以達到可調整座圈加工深度的目的，并最終將座圈全部切出，完成整個導管座圈的加工。

3.5 氣缸蓋凸輪軸孔的加工

凸輪軸孔是氣缸蓋最長的孔，長徑比達20，無法采用常規的鏜刀和鉸刀完成加工。如果采用轉臺回轉自兩端加工，無法消除轉臺的旋轉定位誤差及機床的定位誤差。這就需要一種特殊的加工工藝，目前加工此孔多采用瑪帕的導條鏜刀（或與瑪帕刀具結構類似）加工此孔。

采用兩把刀具完成此孔的加工，兩把刀具均采用法蘭盤結構，刀具在加工前需在機床調整刀具的跳動在3μm以內。刀具需在瑪帕專用凸輪軸承孔調刀機構上調整精鏜刀片，鏜刀片的背錐一般調整為5～12μm，overhang一般為2～8μm，具體需要根據刀具的加工情況進行調整。第一把刀具為引導的導條鏜刀，此刀具比較短，剛性好。刀具前端為兩片可換PCD粗鏜刀片，采用螺釘鎖緊，后端為可調的PCD精加工刀片，刀具前端安裝有三個PCD導條，以保證孔加工的圓度，后端為4個硬質合金導條，以起到對刀具的支撐作用。引導刀具完成第1檔（直徑Ф34.5H7，圓柱度0.01）的粗加工和第2檔（直徑Ф23H7，圓柱度0.01）的精加工。第2把刀具結構與第一把刀具結構類似，但是刀具長度更長，通常四缸機的凸輪軸承孔精加工刀具長度為420mm左右。采用第一把刀具加工的第2孔作為支撐孔（支撐孔一般比第二把刀具直徑大5μm），粗精加工第3、4、5檔孔，精加工第1檔孔，從而完成凸輪軸孔的加工。加工中需保證冷卻液充分覆蓋，切削濃度一般控制在8%以上，切削液會在導條與凸輪軸孔間形成一層油膜，對刀體起到支撐作用，并避免導條不劃傷孔壁。

4 結語

本文通過分析氣缸蓋功能及其裝配零部件關系，明確了氣缸蓋加工工藝的關鍵加工部位。這有助于人們在現場加工過程中把握關鍵，合理地選擇設計加工刀具及機床，靈活地編排加工工藝。筆者分享了通過現場加工獲得的經驗，為現場加工中解決問題及工藝改進提供了思路。