缸蓋清潔度顆粒度控制淺析

張觀福　魏森

摘 要：發動機是汽車的重要組成部分，缸蓋是發動機的重要零部件，精度要求高、加工工藝復雜，加工的質量直接影響發動機的整體性能和質量。其負責發動機的配氣組成機構，控制著發動機的進排氣量與時機，對發動機燃燒做功起到關鍵作用。缸蓋的清潔度控制中，如顆粒度超差，會直接影響缸蓋各部件的精密運行，從而影響發動機工作。

關鍵詞：缸蓋 清潔度 顆粒度 鋁屑

Analysis on the Control of Cylinder Head Cleanliness and Granularity

Zhang Guanfu Wei Sen

Abstract：Engine is an important part of the automobile， cylinder head is an important part of the engine， which requires high precision， complex processing technology， and whose processing quality directly affects the overall performance and quality of the engine. It is responsible for the composition mechanism of the engine's air distribution， controls the amount and timing of the engine's air intake and exhaust， and plays a key role in the engine's combustion work. The control of the cleanliness of cylinder head， such as out-of-tolerance particle size， will directly affect the precise operation of the cylinder head components， thus affecting the engine work.

Key words：cylinder head， cleanliness， particle size， aluminum chip

1 缸蓋清潔度顆粒度控制的重要性

1、缸蓋清潔度控制要求：重量7mg;顆粒度：油道<600μm、非油道<1000μm。

某機型的增壓發動機缸蓋材料為鋁合金，清潔度除了重量要求外，還對顆粒度進行了控制，且要求較高，現有的加工工藝、設備難達到該要求，造成顆粒度測量超差。

2、顆粒的來源對于切削加工的缸蓋無法避免，缸蓋的切削毛刺產生了毛刺，毛刺的去除對加工極其重要。外國專家Gillespie指出，精密零部件去毛刺及棱邊光整工序所需要的成本占據了加工成本的30%，去毛刺工序消耗的時間占到了全部生產時間的5%-10%。且去毛刺工序難實現自動化，特別是在鉆削加工交叉孔。零部件在使用過程中如交叉孔毛刺脫落，很可能導致潤滑油路的堵塞導致故障，造成不必要的損失。

2 造成清潔度顆粒度超差的原因

2.1 毛刺產生的過程

加工中產生的毛刺是清潔度顆粒度的主要來源，對于機械加工來說毛刺的產生不可避免。加工廠產生毛刺主要分未面切削毛刺和孔鉆屑毛刺。毛刺是金屬切削加工過程中工件的棱邊處金屬材料在刀具的擠壓作用下產生塑性變形而未被切除，最終滯留在工件棱邊的殘留物。

2.1.1 切削毛刺的形成

根據徐國勇對毛刺產生的研究分析[1]，切削毛刺產生過程分為四個階段。（Defonn 2D仿真結果）

第一階段：正常切削階段。在此過程中，接近刀尖區域產生塑性變形，并沿著加工方向運動不斷向端面延伸。第二階段：終端面變形階段。在這個進度，在刀具作用下，工具受到刀具的擠壓作用，端面發生了變形。第三階段：端面變形擴展階段。這個階段為端面變形階段的發展和延伸。端面變形不斷擴大，并在端面行程一個轉動支點D，在切削刀具推擠作用下，工具材料繞著支點D轉動發生彎曲變形。第四階段：毛刺最終形成階段。該階段加工刀具已經切出工具本體，工具端面材料繞著D點旋轉發生形變殘留在工件上，形成了毛刺。

以上為徐國勇對切削毛刺產生的研究，切削毛刺的產生于刀具刃口、切削參數、工件材料密切相關，鋒利的刀具刃口產生的切削力小，減少零件端面材料變形減少毛刺。同時工件材料對端面的材料變形也至關重要。結合實際工件可知，在各面切削加工中同類的毛刺產生非常普遍。特別是在延展性比較好的增壓機型鋁合金材料上異常明顯。從實際工件上觀察，毛刺的產生出現在切刃出口方向，且增壓機型延展性好的材料比自吸機型產生更明顯。

2.1.2 鉆削毛刺的形成

鉆孔加工是機械加工中常用的方式。在生產過程中，鉆孔產生的毛刺往往比較難清理，特別是在一些交叉孔的部位毛刺由于孔小及其它深度等原因，無法進行人工清除。

根據王貴成教授建立的鉆削加工中毛刺形成的過程模型[2]可知鉆頭與工件的相對運動關系及鉆出表面工件材料的變形機理。

圖中：d0——鉆頭直徑;f——進給量;ψ——二分之一的鉆頭頂角;af——每齒進給量;δx——與鉆頭主切削刃x點接觸的工件材料的撓曲變形量。當δx=0時，鉆頭沿著軸線方向不斷向工件末端接近，此時由于鉆頭前端的工件材料足夠厚，足夠支撐因鉆頭的軸向力，所以在此過程中，工件材料只受到鉆頭切削刃的切削作業，在鉆頭主切削刃x點處的鉆削加工正常進行。當0<δxaf時，在x點處，工件材料與刀具之間不再發生切削作用，即在工件與鉆頭接觸的x點處，刀具退出了切削作用，靠近工件端部的材料受到鉆頭在進給方向上的推力，沿著軸向發生變形，并在橫刃在作用下沿著徑向傾斜，由于這部分工件材料沒有被刀具切除，而殘留在孔的周圍形成毛刺。

以上為王貴成教授對鉆削毛刺產生的研究。鉆削加工毛刺的產生受材料變形、鉆角度（影響鉆削力）、鉆削參數影響。

根據現場零件狀態（如下圖），鉆削毛刺在鉆穿出口形成較明顯毛刺殘留，毛刺多呈現被推擠彎曲狀。

2.2 顆粒度超差的后期因素

2.2.1 在實際生產過程中，除了加工本身產生的鋁屑顆粒影響清潔度顆粒度結果外，后期零件轉運過程的防護也至關重要。輸送輥道清潔度造成零件污染;送檢零件車輛造成零件污染;清潔度測量設備不干凈造成測量結果失真。

2.2.2 清洗能力不足。對于零件加工后的清潔，多采用清洗液直接清洗烘干的方式保障最后的零件質量，而清洗機的狀態對清洗結果至關重要，如清洗液濃度、過濾精度，高壓清洗的壓力、噴嘴結構等。

3 主動控制措施

3.1 加工根源控制

3.1.1 根據毛刺產生過程分析，在零件材料不能改變的情況下，通過合理的刀具選擇及加工工藝可減少毛刺的產生。通過驗證，面切削加工時，選擇PCD刀具能較好的解決加工邊緣毛刺問題，但PCD刀具對到余量面加工受力不足，故只能用于小余量的切削，通過驗證，在余量0.3mm的切削時，PCD刀具對毛刺的產生抑制最好，幾乎能消除邊緣毛刺的產生滿足質量要求。

3.1.2 使用毛刷去除。通過使用毛刷對面切削毛刺進行去除，且毛刷的走刀路徑與刀具切削的走刀路徑相反，能對刀具切削邊緣產生的毛刺起到更好的去除效果。

3.1.3 使用斷屑、分屑刀具減小鋁屑大小，減少鋁屑在缸蓋內的殘留，同時小的鋁屑更利于零件清洗時清洗出水腔內的鋁屑。

3.1.4 通過對鉆孔毛刺形成過程分析，鉆尖大小對毛刺的產生有積極作用，經過驗證使用V型鉆頭尖角為140°時其加工孔后表面的清潔度較好，對鉆孔毛刺產生有較好的抑制作用[6]。

3.1.5 使用新型鉆頭：E型鉆尖鉆頭。在孔即將鉆通時，切削刃部分（遠端）可以有效的對材料進行切削，能較好的消除擠壓材料產生毛刺問題[6]。

3.1.6 交叉孔毛刺的去除。由于此類孔多為長孔，人工去除較難，而加工難避免形成各種狀態的鋁屑，使用接觸去除法有較好的效果。

3.1.6.1 使用專用去毛刺刀具去除交叉孔毛刺，鈷領刀具公司公司去毛刺刀具：直槽鉸刀頭，進入孔內后通過冷卻噴水孔噴出高壓水產生壓力使刀具偏心，旋轉后達到去毛刺效果。

3.1.6.2 使用高壓清洗去除。利用清洗機的高壓清洗裝置，對孔內毛刺進行沖洗，對于交叉孔毛刺的高壓清洗最有效方法是清洗噴頭能深入到孔內進行沖洗，由于高壓清洗壓力釋壓很快，如從孔口往里沖洗效果會不夠理想。對于高壓噴嘴的選擇，盡量只保留噴嘴徑向的孔，對于軸向的孔可盡量，這樣可減少壓力流量的快速釋放，保障充足的清洗壓力對內孔毛刺進行清洗。

4 結語

通過生產中的清潔度問題解決，分析了鋁合金缸蓋加工中毛刺產生的解決方案，通過實踐運用消除毛刺的產生和后期去除，滿足清潔度顆粒度的要求。在這過程中發現毛刺的產生對毛坯材料和刀具選型至關重要，新項目前期應該盡可能早的利用設計階段介入加工的問題解決。交叉孔毛刺的解決需要較長的去除工序時間，前期能提前評估工藝會有較好的運用方案。

參考文獻：

[1]徐國勇，鉆削加工中交叉孔毛刺形成機理及其控制技術研究，鎮江：江蘇大學，2019.

[2]王貴成，金屬切削毛刺，吉林：吉林科學技術出版社，1997.

[3]王祝堂，鋁合金及其加工手冊，中南工業大學，2000.

[4]郭偉民，可抑制毛刺的鉆頭結構，制造技術與機床，2017（10）：85-88.

[5]石貴峰，鉆削毛刺形成機理及其控制技術研究，鎮江：江蘇大學，2019.

[3]張觀福、謝安、高帥，鉆頭鉆尖角對鋁合金材料加工清潔度影響分析，時代汽車，2019.