發(fā)動機(jī)缸蓋工藝分析與設(shè)計

劉興 王雷

（長城汽車股份有限公司徐水分公司，河北 保定 071000）

缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其主要特點(diǎn)有兩點(diǎn)：第一，汽車發(fā)動缸蓋通常為六面體，是多孔薄壁件，孔壁最薄部分僅3.5mm 左右，孔壁加工數(shù)量可達(dá)100 個。第二，缸蓋強(qiáng)度和剛度要求較高，只有達(dá)標(biāo)才可保證氣體在熱應(yīng)力及壓力的共同作用下穩(wěn)定運(yùn)行。

一、制造材料

在發(fā)動機(jī)生產(chǎn)領(lǐng)域，我們通常以灰鑄鐵、鋁合金、蠕墨鑄鐵來做缸蓋材料。當(dāng)前，柴油機(jī)通常使用蠕墨鑄鐵或灰鑄鐵，而汽油機(jī)則較多使用鋁合金，市場上有少量小型柴油機(jī)也采用鋁合金材料。鋁合金導(dǎo)熱性好，有利于提高壓縮比，進(jìn)而提高發(fā)動機(jī)效能。在節(jié)能環(huán)保理念的推動下，人們對汽車發(fā)動機(jī)的節(jié)能減排要求不斷提高，驅(qū)使著包括缸蓋在內(nèi)的汽車發(fā)動機(jī)材料不斷優(yōu)化。以前，柴油機(jī)四氣門缸蓋氣門間裂紋的情況時有發(fā)生，后來隨著蠕墨鑄鐵的應(yīng)用推廣，這一問題得到了良好的解決。在缸蓋加工領(lǐng)域，由于灰鑄鐵、鋁合金、蠕墨鑄鐵三種材質(zhì)的特性不同，其加工效率也不同。就加工效率而言，三種材質(zhì)中以蠕墨鑄鐵效率最低，而鋁合金效率最高 。

二、加工生產(chǎn)線與工藝

在汽車發(fā)動機(jī)缸蓋加工領(lǐng)域，柴油發(fā)動機(jī)常用的蠕墨鑄鐵或灰鑄鐵缸蓋生產(chǎn)線布置通常有三種：第一種為專用設(shè)備生產(chǎn)線。其擁有加工效率較高、刀具等運(yùn)行成本較低的優(yōu)勢，通常用于定型缸蓋的大批量生產(chǎn)；劣勢在于一旦需要改變產(chǎn)品設(shè)計，則改造成本非常高。第二，加工中心+專用設(shè)備生產(chǎn)線，通常用于持續(xù)有小幅調(diào)整更改的產(chǎn)品，其改造成本可以很好地控制。第三，由加工中心組成的柔性生產(chǎn)線，通常用于生產(chǎn)未定型發(fā)動機(jī)產(chǎn)品或產(chǎn)量較低的產(chǎn)品，其劣勢在于刀具等運(yùn)行成本較高。在當(dāng)今的鋁合金缸蓋加工工藝中，生產(chǎn)線通常為加工中心構(gòu)成的柔性生產(chǎn)制造系統(tǒng)，設(shè)備主軸多采用電主軸，主軸轉(zhuǎn)速通常都定在7000r/min以上。對于柔性加工線，頂?shù)酌婕庸た刹捎昧⑹郊庸ぶ行耐瓿桑膫?cè)面孔加工則可采用臥式加工中心完成。基于柔性加工線的成本分析，立式加工性價比較高，因此比較受用戶歡迎。在缸蓋加工中，加強(qiáng)立式加工中心的配置無疑可以獲得更好的成本優(yōu)勢。對于生產(chǎn)線的總體布置，通常集中工序單元采用“U”或“一”型布線，與此同時，在進(jìn)行工藝方案設(shè)計時，必須充分考慮到物流、投資與產(chǎn)出綜合成本、人體工學(xué)最優(yōu)化等諸多因素。

三、鋁合金缸蓋加工工藝的難點(diǎn)及優(yōu)化

（一）平面加工從缸蓋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，大平面較多，進(jìn)、排氣面和頂面、底面均為大平面，這就要求平面度及表面粗糙度等精度必須保持較高水平，進(jìn)而要求機(jī)床擁有實(shí)現(xiàn)高精度加工的能力，能達(dá)到較高的刀具調(diào)整精度和幾何精度。以前，缸蓋大平面主要是運(yùn)用合金刀片加工，現(xiàn)在由于毛坯情況通常較好，因此常用金剛石刀片加工，這種工藝可以優(yōu)化缸蓋平面，提高加工表面的精度。

（二）高精度孔加工缸蓋有氣門導(dǎo)管孔、凸輪軸孔、挺桿孔等高精度孔，彼此間配合嚴(yán)密，因此加工時要嚴(yán)格把控其表面的粗糙度、位置及尺寸精度等。在進(jìn)行加工時，缸蓋氣門導(dǎo)管和氣門閥座是同時進(jìn)給加工，要做到一次到位，以減少誤差，保持氣門導(dǎo)管與閥座的同軸度。具備密封配合要求的氣門閥座和錐面，對圓度及跳動有嚴(yán)格要求；有些氣門導(dǎo)管孔有運(yùn)動件間配合要求，因此其尺寸精度要求特別高，且由于兩者的材質(zhì)不同，所以在加工過程中，應(yīng)注重刀具材料選用等。

（三）氣門導(dǎo)管底孔加工氣門導(dǎo)管底孔的尺寸精度要求非常高，因此加工時應(yīng)注意考慮精度要求，避免誤差出現(xiàn)，應(yīng)注意精度控制，一旦控制不穩(wěn)定，將影響氣門導(dǎo)管與缸蓋的配合度，進(jìn)而對發(fā)動機(jī)的可靠性造成影響。

（四）凸輪軸孔加工作為缸蓋中的最長孔，凸輪軸孔如運(yùn)用調(diào)頭加工（或分段加工），雖可降低機(jī)床設(shè)備的要求，也基本可保障加工精度，但無法滿足凸輪軸孔對同軸度的加工要求。所以，加工時應(yīng)盡可能保證一次成型。

（五）缸蓋加工毛刺的優(yōu)化眾所周知，缸蓋所用的鋁合金材料是塑性材料，加工中難免出現(xiàn)毛刺。解決毛刺問題的關(guān)鍵在于：一是加工中首先要選取合適的參數(shù)，二是提高工件材料的硬度。在加工過程中，通常運(yùn)用高壓水或尼龍刷來去除和弱化毛刺，這些操作有一定危險性，需要確保人身安全。

四、缸蓋加工流程的優(yōu)化要點(diǎn)

缸蓋加工是一個系統(tǒng)工程，通過細(xì)致的實(shí)驗(yàn)研究，我們總結(jié)出了以下優(yōu)化要點(diǎn)：首先，在工藝總體設(shè)計時，應(yīng)同時考慮工序加工后的檢測程序設(shè)計，完成一道加工就進(jìn)行相應(yīng)的檢測，這樣一來可以有效控制工序質(zhì)量。其次，缸蓋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，內(nèi)應(yīng)力的不穩(wěn)定分布可能導(dǎo)致形變，會影響加工精度。因此，我們在進(jìn)行缸蓋加工時，通常遵循“先面后孔”的原則，并通過將精細(xì)加工和粗加工分散進(jìn)行的手段，釋放應(yīng)力。其三，缸蓋的結(jié)合面劃傷可能導(dǎo)致缸蓋品質(zhì)受損，影響發(fā)動機(jī)的效能。因此，為了避免該問題發(fā)生，我們通常對結(jié)合面采用精加工，避免發(fā)生后續(xù)破壞。其四，隨著自動化生產(chǎn)的推進(jìn)，有些加工生產(chǎn)線自動化程度不斷提高，對于這些自動化生產(chǎn)線，必須附帶夾具噴氣和刀具折斷等檢測，避免損失的發(fā)生。

缸蓋作為汽車發(fā)動機(jī)總成的關(guān)鍵部件，其工藝品質(zhì)事關(guān)汽車發(fā)動機(jī)的整體效能發(fā)揮。缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工藝標(biāo)準(zhǔn)要求較高，因此，不斷追求最佳的加工工藝是業(yè)界的一致目標(biāo)。本文對缸蓋加工及其工藝進(jìn)行了介紹，分析了缸蓋制造材料和加工生產(chǎn)線，深入探討了當(dāng)下主流的鋁合金缸蓋加工工藝特點(diǎn)，并從平面加工、高精度孔加工、氣門導(dǎo)管底孔加工、凸輪軸孔加工、缸蓋加工毛刺的優(yōu)化等方面對工藝難點(diǎn)進(jìn)行了梳理分析，提出了優(yōu)化方案，最后還總結(jié)了缸蓋加工流程的優(yōu)化要點(diǎn)。我們認(rèn)為，應(yīng)不斷加強(qiáng)缸蓋尤其是鋁合金缸蓋工藝品質(zhì)的優(yōu)化研究，以適應(yīng)未來汽車行業(yè)的發(fā)展要求。