發動機氣缸蓋氣門座圈和導管孔的兩種加工工藝分析

韋海燕

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州545005）

長期以來，在國內和國外，很多的科學家和研究學者都對氣缸蓋氣門座圈與導管孔的加工工藝進行了研究和分析，并且進行了很長時間的實踐。目前已形成了很多的工藝方法，對這些工藝方法進行總結和歸納，氣缸蓋氣門座圈與導管孔的加工工藝大致分為2種：

第1種：先加工氣門導管，接著用成品的氣門導管孔作為氣門座錐面加工的導向來加工座圈錐面。

第2種：先加工氣門座圈與導管底孔，通過氣門座圈與導管的壓裝工序之后，同時加工氣門座圈與導管孔。

在本文中，將分析氣缸蓋氣門座圈與導管的兩種工藝方法，并且探討這兩種工藝方法的加工精度、加工特點。

1　使用成品的氣門導管作為加工基準

使用成品的氣門導管作為加工基準的工藝方法是：使用成品的導管孔作為氣門座圈加工用的定位基準，通過在機床上加工氣門座圈的錐面之后繼續對氣門座圈的錐面進行研磨。

1.1　工藝路線

使用成品的氣門導管作為加工基準的工藝路線示意圖如圖1所示。

圖1　用成品氣門導管作為加工基準的工藝路線圖

1.2　鉸氣門座圈環帶并且研磨過程的精度分析

1.2.1鉸氣門座圈環帶

使用成品的氣門導管作為加工基準，利用機床進行加工。最常見的就是把工件直接放在工作臺上，夾具夾緊之后直接加工。所使用的加工刀具是鉸刀，先加工4個進氣門座圈之后，接著更換排氣門的刀具，加工排氣門的4個座圈，如圖2所示。

圖2　鉸削座圈錐面示意圖

1.2.2鉸座圈錐面的精度分析

1）加工氣門座圈時，由于氣門導管孔是成品狀態，前工序的導管底孔的精度保證了導管孔的加工精度。因此氣門座圈底孔相對于導管底孔的同軸度要求、導管的底孔相對于氣門在垂直方向的垂直度要求，這兩個要求將對氣門環帶的加工加難度造成直接的影響。

2）加工氣門座圈時，所使用的刀具的前端是導向的部分，這個導向部分在切削的時候，能夠通過刀具的前端部分在導管里做導向和支撐，所以刀具的導向與導管孔的配合情況將會直接影響氣門座圈的加工精度。因此在鉸氣門座圈環帶之后，會發現環帶的跳動大，并且環帶的表面粗糙度不好，為此對這些氣門座圈環帶的表面粗糙度進行測量（結果見表1），發現粗糙度均在Ra6.3與Ra3.2的范圍之間，這樣產品質量的一致性得不到很好的保證。

表1　座圈錐面對導管孔的跳動量（單位：mm）

從表1中可以看出：座圈錐面對導管孔的跳動量最小值為0.04 mm，最大值為0.29 mm，平均為0.16 mm.為了提高氣門座圈錐面的表面加工質量水平，在鉸削之后需要接著對氣門座圈的錐面進行研磨工藝。

1.3　研磨的工作過程和研磨的精度分析

1.3.1氣門座圈研磨的工作過程

氣缸蓋氣門座圈的研磨過程為：選擇需要裝機的氣門，在研磨的過程中添加研磨劑，在研磨機上對氣門座圈上的環帶進行3~5 min的研磨。

氣缸蓋氣門座圈研磨機的工作原理為：傳動裝置在研磨機中促使相互配合的氣門座圈與氣門做相對的上下往復運動，而在運動的過程中，會產生一定的摩擦和熱量，由于需要在研磨的過程中，添加一些潤滑和冷卻用的研磨劑，這樣可以令工作的表面取得比較良好的粗糙度，而且在形位上修正一些誤差[1]。氣門座圈的研磨工作過程如圖3所示。在研磨之后，將與氣門座圈、配套的氣門一起進行清洗，在確保清洗效果之后，把它們裝配在發動機上面，在研磨氣門座圈之后，對氣門座圈環帶的跳動進行測量，所測量的數據見表2和表3.

圖3　氣門座圈研磨示意圖

表2　座圈錐面對導管孔的跳動值（單位：mm）

表3　座圈錐面泄漏量統計表（單位：ml/min）

1.3.2氣門座圈研磨的精度分析

根據測量研磨之后的氣門座圈環帶的跳動數值，經過分析發現：氣門座圈錐面的跳動值最小值為0.04 mm，最大值為0.25 mm，計算的數值的平均值為0.15.從測量數據結果看，研磨之后的氣門座圈環帶的跳動數值依然很大。檢查測量工件的表面情況，發現有以下幾種情況：

1）受到研磨條件的限制，研磨的位置與面積無法有效控制，導致氣門座圈的環帶不夠均勻。

2）由于研磨劑的顆粒非常的小，而且研磨劑的硬度很高，具有一定的粘性，所以使用一般的清洗設備，并不能完全保證清洗的效果，有一部分的研磨劑還是會停留在氣門座圈的四圍。一旦發動機開始進行工作，那些比較細小的研磨顆粒容易在氣流的影響下進入缸孔，造成缸孔異磨，導致發動機發生故障。因此必須采用專門的清洗設備來保證氣門座圈的清洗效果。在清洗過程中，容易發生磕碰，導致氣門座圈環帶有劃痕。

1.4　鉸削及研磨座圈錐面的工藝結論

根據上面的實際加工結果，經過分析，可以發現：用成品導管孔作為座圈加工的定位基準，在機床上加工座圈錐面，之后對座圈錐面進行研磨的工藝方法的加工精度不高，滿足不了產品圖紙的設計精度要求。主要原因是：

1）氣門座圈與導管孔的加工精度差，其主要的原因是機床主軸無法對氣門座圈與導管的底孔的加工誤差、座圈和導管的裝配誤差等進行修正。

2）增加氣門座圈的研磨工藝，并不能修正座圈環帶的跳動，僅僅能夠修光氣門座圈環帶的表面。而且研磨的效率非常低，生產投入成本很高，容易發生清潔度問題等問題影響發動機的性能，所以使用這樣的方法無法滿足生產實際的要求[2]。

2　同時加工座圈錐面和導管孔的工藝分析

隨著科技的不斷進步和時代的飛躍發展，刀具行業也在不斷的進步，而機床行業也在不斷的發展，這些行業的不斷創新和進步，為氣門座圈與導管的加工創造了良好的基礎，為加工的精度的提高創造了良好的條件。尤其是刀具行業，目前刀具的結構、測量的工具與方法、加工工藝、材質、熱處理等方面都有了巨大的進步，在研究如何提高氣缸蓋氣門座圈與導管的加工精度時，不僅僅局限于研究所使用的加工設備上，還可以從所使用的刀具方面考慮。目前，國內外加工氣缸蓋氣門座圈與導管已形成了這樣的趨勢：使用精密的加工中心作為加工設備，配合夾具及復合精密刀具，加工氣門座圈及導管。下面將對這個加工方法進行論述和分析。

精密的加工設備和精密的刀具是精密復合刀具加工氣門座圈與導管的兩個基礎，如果不具備這兩個基礎，則氣門座圈與導管的加工精度也無法保證。如果使用精度不高的設備進行加工，由于設備精度的影響，由此會產生以下問題：

1）機床的主軸跳動的影響：如果機床的主軸跳動大，那么主軸方向上的誤差會反映到加工工件的精度上。

2）刀具在制造精度方面的影響：導管孔的直徑一般比較小，而加工導管孔的刀桿將比導管孔更小，所以刀尖位置的跳動不容易保證，而且刀桿的剛性也比較差。刀尖位置的跳動和刀桿跳動的誤差，將會直接反映在氣門座圈與導管的加工精度上。

3）定位的精度所帶來的影響：機床的精度是加工精度的基礎，只有保證了機床的精度，加工的精度才有可能滿足要求。一般情況下，使用一般普通的刀具進行加工氣門座圈與導管，氣門環帶的跳動大概在0.07mm至0.16mm范圍之間。如果采用復合的刀具來加工氣門座圈與導管，首先需要提高加工設備的精度，并且要保證刀具的制造精度。本文分析使用精密的機床、精密的刀具來進行加工，論述這樣的加工工藝和精度存在哪些情況。

2.1　設備的精度

在通常的情況下，最常見的情況主要是采用組合刀具來進行加工，而所使用的設備方面，選擇就非常的多，有一些使用專機，有一些使用加工中心。

本文將對使用加工中心來加工氣門座圈與導管孔的方法和特點來進行分析和說明。

加工中心具有很高的設備精度，并且功能非常的強大，它可以自行完成鏜、銑、锪、鉆、擴、鉸、攻絲等，可以利用加工中心組成一個具有柔性的生產線，這樣的柔性生產線可以具備很多機型的生產，在產品切換的時候，可以通過更換夾具、刀具就滿足滿足產品的生產要求。這樣的生產模式已經被許多的生產廠家所使用。機床本身的結構決定了機床的加工精度，下面將以五菱柳機的機加工車間所使用立式加工（臺灣建榮立式加工中心）當作一個例子，介紹如何利用機床本身的加工精度來保證加工的精度。

五菱柳機的機加工車間所使用的五菱柳機的機加工車間的型號是：Vcentre-110，設備的精度指標見表4.

表4　立式加工中心精度表

設備精度指標的主要保證措施有：

1）全封閉的床身：全部采用一體鑄造的方式，包括導軌、絲杠兩端的固定座等，具有足夠的強度和剛性，抗震能力好，機床使用全封閉的防護。

2）精密的機床主軸：在機床的主軸內部，機床自己帶有冷卻并且恒溫的裝置，利用裝在主軸外面的冷卻物質的來回循環運動來控制主軸的溫度，主軸溫度可以在5°~45°之間進行調節，在調節在范圍內任意的溫度，因此可以減小主軸在加工過程中所產生的熱變形。

3）直線滾動導軌，也稱為線性滑軌、線性導軌。直線滾動導軌剛性強，摩擦力很小，滾動阻力小，潤滑和安裝調整都十分方便，具有比較高的額定負載，能承擔一部分的扭矩，允許在比較高負載的情況下實現高精度的直線運動，經得起長時間的使用，精度的磨損比較小。機床上的X、Y、Z方向的導軌都設有光柵尺，可以進行直線方向的測量，形成一個閉環的控制，這樣可以保證機床的定位精度要求。

2.2　刀具的精度

在加工氣門座圈與導管的過程中，刀具的制造精度水平是保證加工精度的關鍵因素，在目前具有典型代表性的刀具是由瑞士URMA公司與美國的VALENITE公司，這兩家公司一起研發和生產的鉸刀（即可漲式并且精密帶微調的）。這類型的刀具結構形式如圖4所示。

圖4　精密微調鏜刀結構圖

可漲式精密帶微調的鉸刀由刀體、鉸刀這兩個主要的部分來構成的。鉸刀是可漲的，而所使用的刀柄具有液壓補償的功能，刀具帶有微調功能。該鉸刀在直徑方向上允許有φ0.02 mm的調整量。當鉸刀微調之后，有一些尺寸還是沒有辦法滿足尺寸的公差時，需要更換鉸刀，或者可以更換刀片，通過這樣的方式可以繼續加工。在一般情況下，只是更換刀片的成本會低一些，更換刀片的成本僅是更換鉸刀成本的四分之一，所以通過更換刀片的方法，可以降低生產的成本。由于氣門座圈與導管在直徑方向上的尺寸差別比較大，所以在加工時，為了保證刀具的使用壽命和良好的切削性能，為了獲得一樣的切削速度，需要調整刀具的轉速。比如：在加工氣門導管時，將切削速度設定為20 m/min，刀具的轉速設定為600 r/min，而加工氣門座圈的切削速度為18 m/min，刀具的轉速為130 r/min.利用這樣的方法，可以滿足零件加工表面的質量要求，且加工的效率高。

加工氣門座圈與導管時，通過使用了精密的復合刀具，在加工之后座圈錐面對導管孔的跳動值如表5所示。從表中的數據可以看出，使用精密復合刀具加工氣門座圈環帶跳動值小值是0.01 mm，最大值為0.05 mm，環帶跳動值基本可以保證在0.05mm的范圍之內，對環帶的粗糙度進行測量，發現環帶表面的粗糙度基本保證在Ra0.4的范圍之內，所測量環帶表面的粗糙度數值見表6.除此以外，氣門的導管孔的同軸度要求為φ0.20 mm（相對于導管外圓），經過測量，發現同軸度均在φ0.10 mm~φ0.20 mm的范圍之內。

表5　座圈錐面對導管孔的跳動值（單位：mm）

表6　座圈環帶表面粗糙度值（單位：μm）

2.3　加工結果分析

對結果進行以上分析，可以得到這樣的結論：在加工氣門座圈與導管孔時，使用精密復合刀具可以達到產品設計的精度，滿足生產的需要。在加工的過程中，有導管孔相對于導管外圓同軸度不合格的情況發生，產生這些情況的原因主要是加工定位方面的原因而產生的。使用精密的復合刀具來加工氣門座圈與導管孔，零件采用工藝銷孔作為定位基準，加工導管孔時受到底孔位置度的影響，如果底孔的位置度差，那么就會出現導管與導管底孔的中心不在一個軸線上的情況，這樣導管孔相對與導管的外圓在同軸度方面產生不合格的現象。因此，必須保證底孔的位置精度，由于上述的情況和原因，在加工氣缸蓋氣門座圈與導管的底孔時，必須使用精度高的設備，且采用與加工氣門座圈與導管同樣的定位方式，這樣才能保證氣門座圈與導管的最終加工精度。

3　結束語

本文介紹了目前最常使用的兩種氣缸蓋氣門座圈與導管孔加工工藝：第1種是先加工氣門導管，接著用成品的氣門導管孔作為氣門座錐面加工的導向來加工座圈錐面。第2種是先加工氣門座圈與導管底孔，通過氣門座圈與導管的壓裝工序之后，同時加工氣門座圈與導管。圍繞這兩種工藝方法的加工特點和加工精度進行分析和探討，得出以下結論：

（1）先加工氣門導管，接著用成品的氣門導管孔作為氣門座錐面加工的導向來加工座圈錐面的工藝方法無法保證氣門座圈環帶的跳動。

（2）先加工氣門座圈與導管底孔，通過氣門座圈與導管的壓裝工序之后，在加工氣門座圈與導管孔時，采用精密的復合刀具進行加工，這樣的工藝方法可以保證加工的精度。

本文的分析研究結論對發動機氣缸蓋氣門座圈和導管孔的加工工藝具有一定的參考價值，值得推廣。