發動機氣缸蓋氣門閥座跳動加工優化

呂小磊，熊強強，陳潤明，楊耿，柳佳琛

（東風汽車公司技術中心，湖北 武漢 430058）

前言

發動機結構設計及相關零部件的質量影響著發動機的性能[1]。作為四沖程發動機關鍵零件的氣缸蓋，產品精度將對發動機性能及油耗產生顯著的影響，尤其是氣門與閥座的精度將影響整個發動機性能[2]。氣門閥座與氣門配合起到密封燃燒室的作用，如果加工精度不好，就會導致燃燒室內壓力不足，燃燒不充分等問題，從而導致發動機性能低下和油耗高的問題。本文將通過分析影響氣門閥座跳動的因素的，逐一排查和優化，來提高了閥座跳動加工精度。

1 氣缸蓋氣門導管閥座加工簡介

1.1 氣門閥座結構

圖1 發動機氣門導管、閥座示意圖

圖1 為發動機氣缸蓋氣門導管、閥座示意圖，在鋁制發動機缸蓋中壓入鋼制氣門導管和氣門閥座。其中導管硬度65-95HRB，工作面為內孔，尺寸為φ5×40。進氣閥座密封斜面硬度為85～100HRB，排氣閥座密封斜面硬度90～110HRB，兩者工作面均為45°斜面，30°斜面位避讓面。

從氣門結構看，導管內徑小而且深度較深，決定了加工刀具細且長，刀具剛性不足，加工中容易出現刀具跑隨底孔跑偏，造成導管孔于閥座不同心[3]。工藝要求，見表1。

表1 導管閥座加工工藝要求表

1.2 加工方法

導管孔和閥座的加工采用德國Mapal 設計生產的導管閥座密封面一體式刀具，如圖2。這樣的設計通過刀具精度來保證導管內圓和閥座圓的同心度。粗加工由45°刀片、30°刀片、φ5×15 擴孔刀及安裝刀柄組成。45°和30°刀片材質為CBN，用來粗加工閥座密封面和避讓面，φ5×15 刀用來預鉆深度約10mm 導向孔。精加工也由45°刀片、30°刀片、φ5×59 擴孔刀及安裝刀柄組成，45°和30°刀片材質為PCD，精加工閥座密封面和避讓面，φ5×59 擴孔刀鉆通并精加工導管導向孔。這樣的設計，通過保證刀具的安裝精度，能最大限度的保證導管孔和閥座的同心度。

圖2 刀具構成圖

圖3 加工示意圖

1.3 檢具方法

閥座密封面相對導管孔跳動及閥座密封面采用德國knaebel 設計生產的VSM 缸蓋閥座圓度跳動儀進行測量，如圖4。

圖4 VSM 缸蓋閥座圓度跳動儀

當量規放入工件后，量規有2 個基準面：量規頭倚在閥座上，這是第一個基準面，三球固定單元于導管內孔接觸，這是第二個基準面，這樣量規在閥座的中心和導管孔底部的中心間形成了一個機械軸。延伸桿上的跳動測量傳感器的最大值與最小值的差值就是跳動。

2 氣門閥座跳動的加工優化

2.1 影響閥座跳動的硬件因素分析

從閥座跳動基本定義很容易看出閥座跳動的大小取決于三個要素：基準的精度，即導管孔的圓度、圓柱度；氣門閥座面的圓度；氣門閥座面相對于導管孔的同軸度。導致導管孔及閥座面精度差的主要原因包括：

（1）導管及閥座底孔位置度不良。

（2）導管來料的內孔與外圓同心度不良。

（3）加工刀具靜態跳動大。

（4）刀具剛性不足。

（5）刀具動平衡差。

（6）刀具冷卻差。

（7）切削條件不合適。

導管及閥座底孔位置度不良，將導致導管、閥座壓入后位置隨底孔偏移，加工時刀具中心和導管及閥座不同心，刀具各方向受力不均勻，影響導管內孔及閥座面精度。我司設定的導管底孔位置度要求為Φ0.4，隨機抽檢產線上氣缸蓋，位置度數據如表2，合格，排出原因（1）。

表2 導管及閥座底孔位置度統計結果

同導管閥座底孔位置度一樣，導管的外圓與內孔的同心度會影響刀具不同方向上受力不均，導致導管內孔及閥座面精度。本司導管來料外圓與內孔同心度要求為Φ0.1，抽查來料同軸度，結果如表3，判定合格，排出原因（2）。

表3 導管來料同軸度統計結果

刀具精度是影響閥座跳動最直接的因素，刀具精度的好壞將直接反應到閥座跳動中。隨著刀具材料及生產工藝的優化，作業人員調刀技能的進步，刀具精度和剛性得到足夠的保證。測量我司使用的刀具，結果如表4，合格，排出原因（3）（4）（5）。

表4 刀具精度結果

刀具中心出水設定壓力2.0-3.0Mpa，實測壓力為2.35 MPa。現場確認刀具出水狀態良好無堵塞。符合冷卻要求，排出原因（6）。

2.2 加工條件的優化

氣門導管閥座的加工參數中，直接影響閥座跳動的因素有：

（1）精加工余量。

（2）刀具轉速。

（3）刀具進給速度。

（4）無進給暫停時間。

我們將通過控制變量的方式，逐一改變加工條件中的一項或兩項，來對比加工結果，最終確定合適的加工條件。

2.2.1 精加工余量

精加工余量定義為同一直徑位置，粗加工刀具和精加工刀具在刀具進給方向上的差值。過大的加工余量會增加整體的加工符合，過小的加工余量不足以完全去除粗加工殘留面。其他加工條件不變的前提下，根據現有的加工余量，確定了1.5mm、1.0mm、0.8mm、0.5mm 四種加工余量，加工結果如表5。

表5 不同加工余量試驗結果

從數據結果可知，0.8mm 余量要更優。

2.2.2 精加工刀具轉速和進給速度

刀具轉速是刀具隨主軸，每分鐘旋轉的圈數。進給速度是刀具上的基準點沿著刀具軌跡相對于工件移動時的速度。兩者一起決定了刀具每轉的進刀量。

其中f是切削進刀量（mm/rev），Vf是進給速度(mm/min)，N 是主軸轉數（rpm）。在進刀量在刀具推薦參數范圍內，改變轉速和進給速度進行了若干次試加工，結果如表6。

表6 不同轉速和進給速度試驗結果

結果顯示進給轉速2500rpm，進給速度78mm/min，進刀量約0.031mm/rev 的切削效果最優。

2.2.3 無進給加工時間

無進給加工時間就是指在最后切削進給量結束時，讓刀具停留所切削的位置不動。主要用于長軸狀工件的外徑研磨中，用來消除加工過程中的被加工件，磨頭的彈性變形對加工精度，表面粗糙度的影響。參考磨床中的無進給加工，我們在導管閥座精加工進給完成后，也設定無進給加工時間，試加工發現在精加工完成后設置無進給暫停時間有利于閥座跳動的改善，試驗結果如表7，無進給刀具旋轉圈數。

其中N 為主軸轉速，t 為暫停時間。

表7 無進給切削試驗結果

結果顯示增加無切削進給時間0.12s，相當于加工完成后刀具繼續旋轉5 圈后，閥座跳動有所改善。

通過一系列試驗加工，我們將加工條件優化為加工余量0.8mm，轉速2500r/min，進給78mm/min，即進刀量0.031mm，無進給加工時間0.12s。最終將導管閥座精加工后跳動控制在規格范圍內。

3 結論

通過分析影響氣門閥座跳動的因素的，排出了來料、刀具、設備的影響，優化了加工條件，最終將閥座跳動控制在規格范圍內。但是優化后跳動的平均值依然處于規格值的上限附近，需要進一步優化加工系統，或通過試驗驗證放寬精度要求，以達到量產Cpk＞＝1.33 的要求。