發動機氣缸蓋數控加工工藝研究 Research on NC Machining Technology of Engine Cylinder Head

葛偉杰 GE Wei-jie

摘要：發動機中氣缸蓋是重要部件之一，其內部組成結構較復雜，同時氣缸蓋的質量情況與發動機運轉效果有直接聯系，因此制造過程保證氣缸蓋設計標準、質量合格至關重要。文章結合當前先進制造技術手段，探究發動機氣缸蓋數控加工工藝，以期為相關研究提供些許助力。

Abstract： The cylinder head is one of the important components in the engine， and its internal composition structure is complex. At the same time， the quality of the cylinder head is directly related to the engine operation effect. Therefore， it is very important to ensure the design standard and qualified quality of the cylinder head in the manufacturing process. Combined with the current advanced manufacturing technology， this paper explores the NC machining process of engine cylinder head， in order to provide some help for relevant research.

關鍵詞：發動機;氣缸蓋;數控加工工藝

Key words： engine;cylinder head;numerical control machining technology

中圖分類號：U263.14? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）22-0098-02

0? 引言

在發動機體系中，氣缸蓋是極其重要的組成部件，其承擔著難以替代的作用，隨著科技發展，為了更好地發揮發動機效率，氣缸蓋內部結構日益復雜，其中的精度和準度要求日益提高，基于此，對氣缸蓋的加工工藝水平也提出了新的要求[1]，在新技術、新工藝的支持下，數控加工得到廣泛應用，現階段在航空及機械加工中發揮了重要作用。本文結合數控加工的優缺點進行闡述，分析發動機氣缸蓋的數控加工工藝，為發動機氣缸蓋加工工藝優化提供些許助力。

1? 發動機氣缸蓋數控加工主要特點

1.1 發動機氣缸蓋數控加工優點

①自動化程度高，大幅度降低工人工作量。一般情況下，數控機床操作工僅需確保數控機床按照預設程序依次加工，加工過程中不存在故障即可，同時做好加工前后零件裝卸、刀具更換、零件抽檢等輔助及質量保證工作。發動機氣缸蓋采用數控加工提高了自動化程度高，大幅度降低了工人工作量，助力制造企業有效降低人力支出。

②加工零件一致性好，零件質量具有保證。數控機床較普通機床而言，制造水平顯著提高，其尺寸精度及重復定位精度都有顯著提升，更易保證零件各部加工精度一致性;同時數控加工主要借助程序進行運作，較普通機床的人工操作相比，更能保證加工零件的質量，盡最大可能降低人為失誤發生的概率。采用數控機床加工后，只要按照規定程序操作，保證工藝設計合理，可實現長期、穩定的高質量生產。

1.2 發動機氣缸蓋數控加工缺點

①加工成本一般較高。采用數控加工后，雖可有效降低人力成本和工期，但采用此技術存在加工成本高的問題，具體原因如下，其一是購買符合數控加工的設備費用較普通機床高，其二是首次加工需要花費更長的時間進行準備調試，同時，數控機床對各種零配件的要求更高，發生故障時，維修成本也較大。

②加工范圍有選擇性。采用數控加工時，其只能承擔機械加工總量中的70-80%的工作任務，結合其自身性能，更適合執行多品種、小批量或中批量生產。同時由于數控加工對象一般都為復雜零件，同時為了保證加工效果采用工序集中原則（即一次裝夾盡可能多的完成多的加工量及內容），這必然會導致加工期限延長，與專用多工位組合機床等相比，在生產規模方面仍有一定的差距[2]。

③加工過程難以調整。由于數控機床是依靠程序進行驅動的，其很多步驟都較為死板，難以結合實際情況進行靈活性調控，即使可以進行人工調控，可供調節的范圍也相對較小，尤其是出現意外情況時，很難及時依靠人工進行調整。

2? 發動機氣缸蓋數控加工的總體設計

2.1 氣缸蓋零件圖分析以及加工內容確定

隨著技術發展，氣缸蓋結構日益復雜，在新技術的支持下，氣缸蓋也逐漸優化升級，與此同時，發動機的發展使得氣缸蓋逐漸向多氣門方向發展，這在一定程度上增加了加工難度。

某型多缸發動機氣缸蓋圖例如圖1，其從外觀來看，是一個結構復雜的箱體，對精度要求其高，其加工質量與發動機的運行效果有直接聯系。當發動機氣缸蓋毛坯鑄造完成后，進入數控加工首先需要完成頂底面加工，以此為依據，得到氣缸蓋的定位基準，然后才能加工各孔系，結合氣缸蓋的整體結構來看，主數控加工內容是氣缸蓋的各面和對應孔系，其中各系列孔的加工占據了該氣缸蓋加工的大部分內容[3]。

2.2 氣缸蓋總體加工工序的劃分

結合上文可知，氣缸蓋為典型的箱體零件，其中加工步驟雖多，但其中的孔加工占據了超半數的任務量，其中的孔系標準也存在差別，孔徑大小等多種多樣，因此，在加工時對工藝水平要求較高。高精度表面加工中為了避免應力變形，應該在粗、精加工之間安排應力變形恢復時間，使粗加工后零件充分恢復形變后進行精加工[4]。通過對氣缸蓋零件數控加工工藝分析，綜合考慮各影響因素，具體加工工藝過程如圖2。

3? 發動機氣缸蓋主要數控加工工序設計要點

結合圖2某型發動機氣缸蓋數控加工工序設計要點如下：

3.1 數控加工設備及刀具和夾具選擇

在進行氣缸蓋零件數控加工時，對數控機床、刀具和夾具的選擇至關重要。數控機床精度、刀具材料和夾具的剛性都會對零件的精度產生影響。在進行零件加工時，刀具直接與工件和切屑相接觸，因此其承受很大的切削壓力，同時刀具在應用過程中也會存在很大的摩擦阻力，這導致刀具溫度迅速升高。結合以上幾點，想要更好的提升工作效率，需要保證刀具具有一定的硬度和耐磨性及一定的強度和韌性，可以承受長時間的切削及摩擦同時刀具還要具有抗熱性能，可以承受高溫作業。

在氣缸蓋零件數控加工中，需要結合零件特點選擇適宜數控自動化生產的裝夾方法。在選擇定位夾緊方案時，需考慮機器人自動裝夾和生產線加工節拍這兩個因素，設計對應自動化工裝夾具實現一次裝夾完成盡可能多表面，以減少裝夾誤差，充分發揮數控加工優勢[5]。

3.2 發動機氣缸蓋頂面加工工序

氣缸蓋的頂面主要由孔組成，頂面包括回油孔、氣缸蓋螺栓孔、水套連接孔、火花塞孔、進氣座圈孔、排氣座圈孔和排氣道冷卻水孔等加工內容，其中大部分孔有位置精度要求。其中，火花塞孔和進氣、排氣座圈孔的加工精度要求最高。對于上述要求較高精度部分加工時采用粗加工-半精加工-精加工分布實施。

3.3 發動機氣缸蓋底面加工工序

通過分析氣缸蓋零件圖可知，氣缸蓋底面最關鍵的加工內容就是凸輪軸孔和導管孔。在加工氣門導管孔時，需要嚴格保證導管孔的直徑、位置度、角度、直線度和表面粗糙度等參數的精度。該孔的加工方法采用粗鏜→半精鏜→精鏜。為確保氣門座底孔與氣門導管底孔的同軸度要求，精加工刀具可選用一體式高質量高精度的新型階梯鏜刀。這該型刀具選用大大提高生產效率，同時確保同軸度精度[6]。氣缸蓋底面凸輪軸孔用于承載凸輪軸，并保證凸輪軸在高速旋轉的前提下平穩運行。不僅需要每個凸輪軸孔具備高精度的直徑、圓度、圓柱度、位置度和表面粗糙度，同時還要求凸輪軸止推面具備很好的平行度、輪廓度以及相對于首尾凸輪軸孔中心線的垂直度，加工時要注意與凸輪軸的研配。

3.4 發動機氣缸蓋各側面加工工序

發動機氣缸蓋側面加工主要有進、排氣側面、前、后側面四面加工。該工序完成分別完成氣缸蓋進、排氣側面對應孔的加工，由于火花塞孔在上道工序中已加工，可作為本工序的定位基準，該火花塞孔是氣缸蓋零件設計基準，按基準統一原則選擇該孔為加工定位基準，避免產生形狀位置度誤差。氣缸蓋的前、后端側面相對比較簡單，主要以碗形塞孔和對應安裝螺紋孔，孔加工為主。

4? 結語

數控加工工藝較傳統工藝具有更多優勢，其在當前的高效化、精準化、質量化和多樣化智能制造中發揮了巨大的價值，該加工工藝主要結合了傳統機制工藝規范和數控加工特點實現發動機氣缸蓋的數控加工工藝規程優化。但結合和實際來看，應用中還存在些許不足，仍需要從實踐中吸取經驗、總結教訓，并靈活地進行優化和創新，才能保證發動機氣缸蓋的數控加工工藝朝著科學化的發展目標前進。

參考文獻：

[1]伍岳林，戴清橋.發動機及關鍵零部件制造技術[M].機械工業出版社，2015.

[2]劉剛.機車內燃機氣缸蓋的數控加工工藝研究[D].大連交通大學，2009.

[3]易剛，林劍峰，侯延星，化春雷，羅和平.發動機缸蓋加工關鍵工藝研究[J].機械設計與制造，2011（06）：84-85.

[4]林朝平.數控加工編程中工序劃分的原則與要點[J].組合機床與自動化加工技術，2003（01）：28-29.

[5]王麗茜.發動機缸蓋柔性加工系統工藝及效率優化[D].上海交通大學，2016.

[6]周寅龍，羅勝陽.發動機氣缸蓋加工工藝研究[J].機械制造，2020，58（03）：8-11.