缸蓋氣門座圈及氣門導管粗精加工方案研究

金 鐳 廖慧陽 陳 勇

(北京奔馳汽車有限公司，北京 100176)

缸蓋是發動機零件中結構較復雜的箱體類零件，也是發動機最重要的三大核心部件之一，而其中氣門座圈和氣門導管孔加工是最為關鍵的加工工序。其加工精度對發動機的性能有著重要的影響。

受限于氣門座圈及氣門導管粉末冶金的高硬度材質，高的加工精度要求，較低的刀具加工壽命，多年來其加工一直是困擾汽車業的加工難題。經過近十幾年的研究和實踐，如今座圈孔和導管孔的加工已逐漸形成了一套完整的工藝。但隨著汽車市場尤其是豪華車市場的飛速發展，對缸蓋氣門座圈和氣門導管的加工提出了更高的生產效率、加工穩定性和更低的成本控制要求。因此，如何在保證各項公差要求的情況下，不斷優化加工工藝，對加工方式、切削刀具及刀具材料、切削參數等進行研究和改進，從而不斷提高刀具壽命，減少換刀頻次，降低加工成本，成為了一個新的重點課題。

1 座圈和導管孔加工工藝分析

1.1 氣門導管與氣門座圈材質

氣門座圈：粉末冶金，硬度30～40 HRC。

氣門導管：粉末冶金，硬度50～59 HRC。

1.2 工藝要求

氣門座圈：90°錐面帶寬1.3 mm，座圈密封錐面直徑處圓度要求0.008 mm，座圈相對導管確定的軸心的徑向跳動要求為0.05 mm，密封錐面粗糙度要求Pt6.3。如圖1所示。

氣門導管：導管直線度，圓度，同軸度要求為0.008 mm，導管內壁上兩測量直線的平行度要求為0.015，角度偏差相對基準面控制在0.05 mm以內。如圖2所示。

1.3 加工工藝分析

目前，座圈和導管孔的加工刀具主要由座圈精鉸(六角形不可調可轉位刀片，PCBN材質)，導管預鉆刀(帶導條式可調鉸刀頭，PCD材質)，和導管槍鉸刀組成。如圖3所示。

其加工工藝安排如下：

預鉆導管孔、精鉸座圈孔：導管預鉆深度6.35 mm，預鉆完成后，孔的直徑為6.0075 mm，單邊切削余量為0.253 mm，在導管預鉆至4.87 mm時，座圈刀片切入，開始切削加工座圈，并最終一次成型53°、90°和120°這3個角度，其中座圈90°，公差為90°-1°，座圈90°刀片軸向切深為1.48 mm。

表1 傳統座圈導管加工工藝

加工工藝加工參數導管加工刀具座圈加工刀具導管預鉆SPEED=3600，FEED=360導管預鉆，座圈精鉸SPEED=1200，FEED=120終點位置，空轉G4S3以工進的進給量退刀G1G64Z=R3+01快速退刀G0G64Z=R10在預鉆引導孔段，線性變進給切削SPEED1=3600FEED2=800FLINFEED1=1600通過預鉆孔段后，等進給切削FEED1=1600

此種加工工藝的問題在于，座圈一次切削成型3個角度，而切深又有1.48 mm，座圈材質相對較硬，耐磨，因此刀具以0.1 mm/r的進給量切削座圈，極易造成刀片磨損，導致刀具壽命極低，僅為100件，極大影響生產效率。另外，在刀具壽命末期，刃口加劇磨損，座圈圓度極易超差，90°座圈角度容易超上差。這極大影響了產品質量風險的控制和生產線cpk水平，同時也使得刀具成本居高不下。

2 工藝改進

2.1 改進方案

保持原有導管預鉆不變，座圈精鉸分成粗精加工兩步，同時為了保證整個工位節拍，將原來導管孔槍鉸刀具改進為導管槍鉸和座圈精加結合的組合式刀具。這樣既保證座圈相對于導管軸線的徑向跳動，以及座圈密封直徑處的圓度，同時更好地保證了導管和座圈的同軸度要求，并極大地提高刀具的實際使用壽命。改進后的刀具和工藝參數如圖4和表2所示。

表2 改進后座圈導管加工參數表

加工工藝加工參數粗加刀具(導管預鉆+座圈粗加)精加刀具(導管槍鉸+座圈精加)預鉆導管SPEED1=3600FEED1=360預鉆導管，座圈粗加，預留02mm切深給精加工SPEED2=1200FEED1=120導管預鉆段，線性變進給槍鉸導管SPEED1=3600FEED1=800FLINFEED2=1600通過導管預鉆段后，等進給槍鉸導管SPEED1=3600FEED2=1600槍鉸導管末端，精加座圈剩余02mm切深SPEED2=1200FEED3=120終點位置，空轉G4S3以工進進給退刀G1G64Z=R3+01快速退刀G0G64Z=R10

2.2 試驗驗證

方案確定后，每20件進行試驗跟蹤，并在檢測臺記錄座圈角度和泄露量(鑒于線邊圓度測量的復雜性，目前缸蓋生產線多用泄漏量來評價座圈圓度，泄漏量控制標準為<200 cm3/min)。并跟蹤刀具狀態。最終，該方案實現了座圈粗加刀具加工625件，精加刀具加工1 200件的壽命，如表3和表4所示。刀具磨損狀態如圖5所示。

表3 座圈角度試驗結果

件角度/(°) 第520件第540件第560件第580件第600件孔189518949894889248937孔289548955892989308941孔389548960892289408926孔489468949895689448944孔589548946896289368932孔689518950897389338945孔789488922894489238920孔889628950894989468918

3 結語

表4 座圈泄漏量試驗結果

件泄露/ (cm3/min) 第520件第540件第560件第580件第600件孔1189601999824孔205144950628孔363511545孔455601415孔502351462724孔63916551934孔79939072581孔820245191225

本文針對現有座圈導管孔加工工藝中的缺陷，探討了改進方案，引入了座圈粗精加工的工藝，實現了在不增加刀具刀具數量、保證工位的節拍的前提下，將座圈單精加工優化為粗精加工。有以下幾點優勢：

(1)刀具壽命從原來的100件翻至600件，減少了工位換刀頻次，提高工位節拍，降低生產成本。

(2)對于加工過程中出現的粗加刀刃的異常磨損，粗精加方案敏感度低。該方案基本不受粗加刀具崩刃的影響，保證了質量控制風險和加工的穩定性。

(3)由于導管槍鉸與座圈刀具為一體，因此，該方案能夠更好地滿足座圈相對于導管軸線的徑向跳動，及其自身在密封直徑處的圓度要求。

試驗證明，該粗精加方案是切實可行、可節約成本且高效可靠的。

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