某通用發(fā)電機(jī)組發(fā)動機(jī)氣缸頭氣門精加工工藝

唐波，肖鐵忠，黃娟

(1.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程學(xué)院，重慶401120;2.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程系，四川德陽618000)

氣缸頭的氣門是發(fā)動機(jī)的配氣元件，是發(fā)動機(jī)動力源泉的重要保證之一［1］。在發(fā)動機(jī)氣缸頭加工中，氣門導(dǎo)管孔與座圈孔的加工是最關(guān)鍵的工序，其加工質(zhì)量將直接影響發(fā)動機(jī)的整體性能，因而其尺寸精度及形位誤差要求通常較高，對其加工工藝及工藝設(shè)備等均提出了較高的要求［2－3］。為保證加工質(zhì)量，企業(yè)一般選擇高精度加工中心加工，但是只能單軸單工位精加工，無法滿足大批量生產(chǎn)的要求［4］。重慶某企業(yè)氣缸頭的年生產(chǎn)量在12 萬件左右，若此關(guān)鍵工序采用加工中心加工，其生產(chǎn)效率根本無法達(dá)到企業(yè)要求，為此，設(shè)計(jì)了針對此工序的精加工工藝及其專用機(jī)床，經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的工藝及設(shè)備均達(dá)到或超過了企業(yè)的設(shè)計(jì)要求。

1 工藝要求及技術(shù)難點(diǎn)分析

氣缸頭氣門導(dǎo)管孔與座圈孔的技術(shù)圖樣如圖1 所示，缸體材料為鋁合金。

圖1 技術(shù)圖樣

由圖1 可知，氣缸頭導(dǎo)管孔及座圈孔的尺寸精度及形位誤差要求均較高，其加工難點(diǎn)總結(jié)如下:

(2) 座圈孔與導(dǎo)管孔的圓柱度為0.01 mm，導(dǎo)管孔軸線對于座圈孔軸線的同軸度公差為φ0.01 mm，座圈孔軸線相對于曲軸孔軸線的垂直度公差為0.02 mm;

(3) 導(dǎo)管孔與座圈孔的表面粗糙度Ra=0.8 μm;

(4) 導(dǎo)管孔與座圈孔軸線與氣缸頭底面成13°夾角(未注出) 。

綜上，要達(dá)到技術(shù)圖樣的精度要求，加工難度較大。

2 加工工藝選擇

針對此氣缸頭，企業(yè)提出的年生產(chǎn)綱領(lǐng)是12 萬件，產(chǎn)品合格率為99.9%。由于導(dǎo)管孔及座圈孔的精度要求較高，加工時(shí)一般采用以下兩種方案: (1)采用高精度加工中心; (2) 針對此工序設(shè)計(jì)專用機(jī)床。

采用第一種方案時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)是可以直接利用企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備，設(shè)計(jì)周期短，加工精度高; 缺點(diǎn)是只能單軸單工位加工，加工效率低，無法滿足12 萬件/年大批量生產(chǎn)的要求。采用此方案顯然無法達(dá)到生產(chǎn)任務(wù)的要求，故不選擇加工中心。

采用第二種方案即設(shè)計(jì)專用機(jī)床，其特點(diǎn)是加工工序集中，專用性強(qiáng)，加工精度及自動化程度高，前期投入較大，生產(chǎn)效率高，適合大批量生產(chǎn)。文中涉及的氣缸頭即屬于高精度、大批量生產(chǎn)，故選擇設(shè)計(jì)專用加工機(jī)床。設(shè)計(jì)的專用機(jī)床如圖2 所示。

圖2 專用機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖

加工時(shí)，由于氣管孔直徑只有φ (9.6 ±0.01)mm，深度為20 mm，表面粗糙度值Ra =0.8 μm，直接鉆削無法滿足精度要求，故需在鉆削的基礎(chǔ)上采用精鉸加工的方法; 對于座圈孔，其直徑分別為深度為6.5 mm，其長徑比約為0.25，一般采用從一端鏜進(jìn)的傳統(tǒng)工藝加工座圈孔［5］; 兩座圈孔內(nèi)壁的最小間距為3.5 mm，如兩個(gè)氣門在同一夾具上用兩把刀具同時(shí)加工，刀具極易產(chǎn)生干涉，所以在機(jī)床左右各設(shè)計(jì)一套刀具與夾具系統(tǒng)，將兩氣門孔系分為兩道工序先后加工; 氣門孔系軸線與氣缸體底面的夾角由夾具來保證，如圖2所示; 氣門孔系分為粗、精加工［6］，即設(shè)計(jì)兩臺專用機(jī)床，用粗加工機(jī)床鉆導(dǎo)管孔并粗鏜座圈孔，用精加工機(jī)床精鉸導(dǎo)管孔并精鏜座圈孔，使工件達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求。

3 精加工工藝設(shè)計(jì)

3.1 定位夾緊方案的確定

工件加工時(shí)，需要限制6 個(gè)自由度，保證工件位置保持不變。缸體類孔加工一般采用一面兩銷的定位方式［7］，其定位方案如圖3 所示，由兩個(gè)φ10 mm 的工藝銷孔與4 處定位墊塊(帶吹屑功能) 構(gòu)成定位的兩銷一面對工件進(jìn)行完全定位。

圖3 定位方案

夾緊方案如圖4 所示，工件由支撐板2 與兩定位銷定位后，啟動自動控制器按鈕，氣缸5 帶動回轉(zhuǎn)導(dǎo)桿6 在導(dǎo)套7 內(nèi)軸向移動并做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，導(dǎo)桿6 帶動壓板8 與壓頭4 回轉(zhuǎn)將工件壓緊，工件的夾緊由兩套夾緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

圖4 夾緊方案

3.2 切削參數(shù)的確定

3.2.1 切削速度的選擇

工件材料為鋁合金，精加工時(shí)，鉸刀及鏜刀刀片均為硬質(zhì)合金，通過查手冊［8］可知: 精鉸時(shí)切削線速度為vc1=15 ～30 m/min，精鏜時(shí)切削線速度為vc2=150 ～200 m/min。分別取vc1= 30 m/min，vc2= 180 m/min。

3.2.2 刀具轉(zhuǎn)速的確定

刀具轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為［9］:

式中: n 為刀具轉(zhuǎn)速，r/min;

d 為刀具直徑，mm;

vc為切削速度，m/min。

式(1) 中刀具直徑分別為d1=9.6 mm，d2=27 (28) mm，將d1，d2的值分別代入式(1) ，可以算出刀具轉(zhuǎn)速n1= 995.22 r/min，n2= 2 123.14(2 047.32) r/min。綜上，刀具轉(zhuǎn)速確定為n =995.22 r/min。

3.2.3 進(jìn)給參數(shù)的確定

根據(jù)氣門精加工的特點(diǎn)及要求，應(yīng)選擇較小的背吃刀量及進(jìn)給量，通過查找手冊［8］，選擇的參數(shù)如下: 進(jìn)給量f=0.15 mm/r，精鉸與精鏜背吃刀量均為ap=0.1 mm。進(jìn)給速度計(jì)算公式為［9］:

式中: vf為進(jìn)給速度，mm/min;

n 為機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速，r/min;

f 為進(jìn)給量，mm/r。

將選取與計(jì)算得到的值代入式(2) ，可算得進(jìn)給速度vf=149.28 mm/min。

4 生產(chǎn)效率的驗(yàn)證

企業(yè)提出的氣缸頭機(jī)械加工生產(chǎn)線綱領(lǐng)為: 12萬件/年; 工作制度: 300月/年，2 班制生產(chǎn)/日，8小時(shí)/班，生產(chǎn)效率91%，設(shè)備負(fù)荷率90%; 生產(chǎn)節(jié)拍: 300 ×2 ×8 ×0.91 ×0.9 ×60/120 000 =1.97 min/件。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，工進(jìn)時(shí)間t1=20/149.26 min=0.13 min，輔助時(shí)間為0.5 min，即實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍為0.63 min/件，遠(yuǎn)小于企業(yè)要求的1.97 min/件，可以判斷設(shè)計(jì)的工藝滿足生產(chǎn)節(jié)拍的要求。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的工藝及專用機(jī)床在重慶某企業(yè)順利實(shí)施，通過實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)，工件各項(xiàng)精度均達(dá)到或超過企業(yè)要求; 研制的設(shè)備在企業(yè)投產(chǎn)2年以來，運(yùn)行良好，由于精度及效益均較理想，正準(zhǔn)備投入第二條生產(chǎn)線。

［1］吳嘉明．摩托車發(fā)動機(jī)氣缸頭氣門鏜鉸數(shù)控專機(jī)的設(shè)計(jì)［J］．組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2002(11) :67－69．

［2］趙帥，楊崇倡，吳瑛戟．一種精密轉(zhuǎn)盤的加工工藝研究［J］．制造技術(shù)與機(jī)床，2014(2) :37－39．

［3］陳忠華．發(fā)動機(jī)缸蓋機(jī)加工藝及技術(shù)難點(diǎn)分析［J］．電子制作，2013(17) :258．

［4］黃麗云．一種氣缸蓋氣門導(dǎo)管孔加工工藝［J］．內(nèi)燃機(jī)，2013(5) :26－27．

［5］肖鐵忠，羅靜，龔文君，等．汽車發(fā)動機(jī)氣缸體缸孔雙軸精鏜加工工藝［J］．制造技術(shù)與機(jī)床，2013(2) : 128－131．

［6］李吉，李健，黃艷，等．薄壁長軸套類零件雙面加工專用機(jī)床設(shè)計(jì)［J］．組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2014(2) :147－149．

［7］羅靜，肖鐵忠，龔文君，等．發(fā)動機(jī)缸體曲軸孔加工專用鏜床設(shè)計(jì)［J］．制造技術(shù)與機(jī)床，2013(9) :76－79．

［8］楊叔子．機(jī)械加工工藝師手冊［M］．2 版．北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

［9］華楚生．機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)［M］．重慶: 重慶大學(xué)出版社，2007．