發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋氣門(mén)閥座跳動(dòng)加工優(yōu)化

呂小磊，熊強(qiáng)強(qiáng)，陳潤(rùn)明，楊耿，柳佳琛

（東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430058）

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)零部件的質(zhì)量影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的性能[1]。作為四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件的氣缸蓋，產(chǎn)品精度將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能及油耗產(chǎn)生顯著的影響，尤其是氣門(mén)與閥座的精度將影響整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)性能[2]。氣門(mén)閥座與氣門(mén)配合起到密封燃燒室的作用，如果加工精度不好，就會(huì)導(dǎo)致燃燒室內(nèi)壓力不足，燃燒不充分等問(wèn)題，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能低下和油耗高的問(wèn)題。本文將通過(guò)分析影響氣門(mén)閥座跳動(dòng)的因素的，逐一排查和優(yōu)化，來(lái)提高了閥座跳動(dòng)加工精度。

1 氣缸蓋氣門(mén)導(dǎo)管閥座加工簡(jiǎn)介

1.1 氣門(mén)閥座結(jié)構(gòu)

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)導(dǎo)管、閥座示意圖

圖1 為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋氣門(mén)導(dǎo)管、閥座示意圖，在鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋中壓入鋼制氣門(mén)導(dǎo)管和氣門(mén)閥座。其中導(dǎo)管硬度65-95HRB，工作面為內(nèi)孔，尺寸為φ5×40。進(jìn)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(mén)結(jié)構(gòu)看，導(dǎo)管內(nèi)徑小而且深度較深，決定了加工刀具細(xì)且長(zhǎng)，刀具剛性不足，加工中容易出現(xiàn)刀具跑隨底孔跑偏，造成導(dǎo)管孔于閥座不同心[3]。工藝要求，見(jiàn)表1。

表1 導(dǎo)管閥座加工工藝要求表

1.2 加工方法

導(dǎo)管孔和閥座的加工采用德國(guó)Mapal 設(shè)計(jì)生產(chǎn)的導(dǎo)管閥座密封面一體式刀具，如圖2。這樣的設(shè)計(jì)通過(guò)刀具精度來(lái)保證導(dǎo)管內(nèi)圓和閥座圓的同心度。粗加工由45°刀片、30°刀片、φ5×15 擴(kuò)孔刀及安裝刀柄組成。45°和30°刀片材質(zhì)為CBN，用來(lái)粗加工閥座密封面和避讓面，φ5×15 刀用來(lái)預(yù)鉆深度約10mm 導(dǎo)向孔。精加工也由45°刀片、30°刀片、φ5×59 擴(kuò)孔刀及安裝刀柄組成，45°和30°刀片材質(zhì)為PCD，精加工閥座密封面和避讓面，φ5×59 擴(kuò)孔刀鉆通并精加工導(dǎo)管導(dǎo)向孔。這樣的設(shè)計(jì)，通過(guò)保證刀具的安裝精度，能最大限度的保證導(dǎo)管孔和閥座的同心度。

圖2 刀具構(gòu)成圖

圖3 加工示意圖

1.3 檢具方法

閥座密封面相對(duì)導(dǎo)管孔跳動(dòng)及閥座密封面采用德國(guó)knaebel 設(shè)計(jì)生產(chǎn)的VSM 缸蓋閥座圓度跳動(dòng)儀進(jìn)行測(cè)量，如圖4。

圖4 VSM 缸蓋閥座圓度跳動(dòng)儀

當(dāng)量規(guī)放入工件后，量規(guī)有2 個(gè)基準(zhǔn)面：量規(guī)頭倚在閥座上，這是第一個(gè)基準(zhǔn)面，三球固定單元于導(dǎo)管內(nèi)孔接觸，這是第二個(gè)基準(zhǔn)面，這樣量規(guī)在閥座的中心和導(dǎo)管孔底部的中心間形成了一個(gè)機(jī)械軸。延伸桿上的跳動(dòng)測(cè)量傳感器的最大值與最小值的差值就是跳動(dòng)。

2 氣門(mén)閥座跳動(dòng)的加工優(yōu)化

2.1 影響閥座跳動(dòng)的硬件因素分析

從閥座跳動(dòng)基本定義很容易看出閥座跳動(dòng)的大小取決于三個(gè)要素：基準(zhǔn)的精度，即導(dǎo)管孔的圓度、圓柱度；氣門(mén)閥座面的圓度；氣門(mén)閥座面相對(duì)于導(dǎo)管孔的同軸度。導(dǎo)致導(dǎo)管孔及閥座面精度差的主要原因包括：

（1）導(dǎo)管及閥座底孔位置度不良。

（2）導(dǎo)管來(lái)料的內(nèi)孔與外圓同心度不良。

（3）加工刀具靜態(tài)跳動(dòng)大。

（4）刀具剛性不足。

（5）刀具動(dòng)平衡差。

（6）刀具冷卻差。

（7）切削條件不合適。

導(dǎo)管及閥座底孔位置度不良，將導(dǎo)致導(dǎo)管、閥座壓入后位置隨底孔偏移，加工時(shí)刀具中心和導(dǎo)管及閥座不同心，刀具各方向受力不均勻，影響導(dǎo)管內(nèi)孔及閥座面精度。我司設(shè)定的導(dǎo)管底孔位置度要求為Φ0.4，隨機(jī)抽檢產(chǎn)線(xiàn)上氣缸蓋，位置度數(shù)據(jù)如表2，合格，排出原因（1）。

表2 導(dǎo)管及閥座底孔位置度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

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

表3 導(dǎo)管來(lái)料同軸度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

刀具精度是影響閥座跳動(dòng)最直接的因素，刀具精度的好壞將直接反應(yīng)到閥座跳動(dòng)中。隨著刀具材料及生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，作業(yè)人員調(diào)刀技能的進(jìn)步，刀具精度和剛性得到足夠的保證。測(cè)量我司使用的刀具，結(jié)果如表4，合格，排出原因（3）（4）（5）。

表4 刀具精度結(jié)果

刀具中心出水設(shè)定壓力2.0-3.0Mpa，實(shí)測(cè)壓力為2.35 MPa。現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)刀具出水狀態(tài)良好無(wú)堵塞。符合冷卻要求，排出原因（6）。

2.2 加工條件的優(yōu)化

氣門(mén)導(dǎo)管閥座的加工參數(shù)中，直接影響閥座跳動(dòng)的因素有：

（1）精加工余量。

（2）刀具轉(zhuǎn)速。

（3）刀具進(jìn)給速度。

（4）無(wú)進(jìn)給暫停時(shí)間。

我們將通過(guò)控制變量的方式，逐一改變加工條件中的一項(xiàng)或兩項(xiàng)，來(lái)對(duì)比加工結(jié)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(jìn)給方向上的差值。過(guò)大的加工余量會(huì)增加整體的加工符合，過(guò)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(jù)現(xiàn)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(jié)果如表5。

表5 不同加工余量試驗(yàn)結(jié)果

從數(shù)據(jù)結(jié)果可知，0.8mm 余量要更優(yōu)。

2.2.2 精加工刀具轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度

刀具轉(zhuǎn)速是刀具隨主軸，每分鐘旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。進(jìn)給速度是刀具上的基準(zhǔn)點(diǎn)沿著刀具軌跡相對(duì)于工件移動(dòng)時(shí)的速度。兩者一起決定了刀具每轉(zhuǎn)的進(jìn)刀量。

其中f是切削進(jìn)刀量（mm/rev），Vf是進(jìn)給速度(mm/min)，N 是主軸轉(zhuǎn)數(shù)（rpm）。在進(jìn)刀量在刀具推薦參數(shù)范圍內(nèi)，改變轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度進(jìn)行了若干次試加工，結(jié)果如表6。

表6 不同轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果顯示進(jìn)給轉(zhuǎn)速2500rpm，進(jìn)給速度78mm/min，進(jìn)刀量約0.031mm/rev 的切削效果最優(yōu)。

2.2.3 無(wú)進(jìn)給加工時(shí)間

無(wú)進(jìn)給加工時(shí)間就是指在最后切削進(jìn)給量結(jié)束時(shí)，讓刀具停留所切削的位置不動(dòng)。主要用于長(zhǎng)軸狀工件的外徑研磨中，用來(lái)消除加工過(guò)程中的被加工件，磨頭的彈性變形對(duì)加工精度，表面粗糙度的影響。參考磨床中的無(wú)進(jìn)給加工，我們?cè)趯?dǎo)管閥座精加工進(jìn)給完成后，也設(shè)定無(wú)進(jìn)給加工時(shí)間，試加工發(fā)現(xiàn)在精加工完成后設(shè)置無(wú)進(jìn)給暫停時(shí)間有利于閥座跳動(dòng)的改善，試驗(yàn)結(jié)果如表7，無(wú)進(jìn)給刀具旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。

其中N 為主軸轉(zhuǎn)速，t 為暫停時(shí)間。

表7 無(wú)進(jìn)給切削試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果顯示增加無(wú)切削進(jìn)給時(shí)間0.12s，相當(dāng)于加工完成后刀具繼續(xù)旋轉(zhuǎn)5 圈后，閥座跳動(dòng)有所改善。

通過(guò)一系列試驗(yàn)加工，我們將加工條件優(yōu)化為加工余量0.8mm，轉(zhuǎn)速2500r/min，進(jìn)給78mm/min，即進(jìn)刀量0.031mm，無(wú)進(jìn)給加工時(shí)間0.12s。最終將導(dǎo)管閥座精加工后跳動(dòng)控制在規(guī)格范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

通過(guò)分析影響氣門(mén)閥座跳動(dòng)的因素的，排出了來(lái)料、刀具、設(shè)備的影響，優(yōu)化了加工條件，最終將閥座跳動(dòng)控制在規(guī)格范圍內(nèi)。但是優(yōu)化后跳動(dòng)的平均值依然處于規(guī)格值的上限附近，需要進(jìn)一步優(yōu)化加工系統(tǒng)，或通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證放寬精度要求，以達(dá)到量產(chǎn)Cpk＞＝1.33 的要求。