淺談復合式缸孔加工工藝的技巧方法

黃幸周

（廣西玉柴機器股份有限公司 廣西玉林 537000）

氣缸體作為發動機中重要的構成，對氣缸體加工尺寸和誤差需要嚴格控制，避免對發動機性能產生直接影響。以往由于我國缺乏氣缸體加工核心技術，只能從國外購入氣缸體專用加工設備，國外企業在氣缸體加工技術領域中處于壟斷地位，技術和設備價格昂貴。經過我國各個企業和科研團隊的多年努力，南汽科研團隊在氣缸體加工技術上取得了突破性進展，其研發的精鏜缸孔精密雙軸機床設備逐漸替代國外設備，為氣缸體加工提供重要支持。

1 復合式氣缸體缸孔加工技術背景

氣缸體是發動機的重要構成部件，發動機內燃機基礎骨架主要由氣缸套、氣缸蓋和氣缸體構成。由于發動機燃燒室處于高溫、高壓環境，對于氣缸體和氣缸蓋之間的密封度要求嚴格。傳統氣缸蓋為了保證達到密封條件，在缸孔周圍設置螺栓孔，安裝氣缸套后凸出缸體頂面，要嚴格控制凸出面的尺寸精度，同時也要嚴格控制缸墊厚度和螺栓力矩，才能保證缸墊受到壓力達到密封要求。為保證密封，在缸孔周圍設置多個螺栓孔，必然造成氣缸蓋結構復雜，加工生產困難，也影響到鼻梁區的冷卻效果。另外，氣缸墊厚度、頂面突出高度及螺栓力矩的加工都對工藝技術要求更高，若技術不達標，很容易發生漏氣、漏油故障，影響發動機整體質量。

因此，需要對復合式氣缸蓋進行開發，將氣缸體水套轉移至氣缸蓋上，于氣缸蓋上面設置缸孔，對缸孔底面的加工要求高，必須使用專用設備和刀具才能保證達到精度要求。由于開發新產品變動性較大，使用的專用刀具和設備的周期性短，需要頻繁更換刀具，增加了設備開發和加工的成本。目前，氣缸蓋加工存在以下難點。（1）由于氣缸蓋底和缸孔交接位置均為弧面，復合缸孔位于燃燒室，需要在高溫、高壓環境下工作，若底面和缸孔連接位置銜接不佳，極容易受到高溫、高壓作用發生開裂問題，造成發動機故障。（2）缸孔底面對加工精度要求更高，對使用的加工刀具要求嚴格，加工期間在中心位置的徑向進給速度為0，復合缸孔無法橫向銑削整個底面，只能由徑向銑削加工，加工難度高，因此，更需要研發缸孔加工技術，通過優化加工工藝提高氣缸加工精度，滿足發動機的質量要求。積極應用普通鏜刀和銑刀加工，減少制作專用刀具，在加工中心內展開缸孔加工，以最大限度節約加工成本，最終得以延長氣缸體部件的壽命，降低發動機的故障率［1］。

2 復合式氣缸體缸孔加工工藝安排

2.1 復合式氣缸體缸孔加工工藝安排原則

復合式氣缸體缸孔的加工工藝安排原則主要為以下3 個方面。（1）在大表面上，將多余的加工層進行切除，以此確保在對其進行精加工切削處理后切削處理造成其形變量較小。（2）將容易發現復合式氣缸體內部缺陷的工序安排在前幾道工序中，降低不必要加工浪費情況的發生概率。（3）將復合式氣缸體缸孔的深孔加工措施及大孔徑加工措施安排在復合式氣缸體缸孔加工工藝的前面工序中，避免由于加大內引力對后續復合式氣缸體缸孔加工工序的精細加工產生影響。

2.2 影響復合式氣缸體缸孔精度的因素

對復合式氣缸體缸孔精度產生影響的加工因素主要有以下3 方面。（1）復合式氣缸體缸孔加工工藝順序。（2）復合式氣缸體缸孔加工定位的精度。（3）復合式氣缸體缸孔加工的硬件條件。

復合式氣缸體缸孔加工工藝順序為：需要先對氣缸體的頂部、底部、前部及后部4個區域中的大面積大部分加工余量進行切除，以此釋放氣缸體的鑄造應力。在對復合式氣缸體缸孔進行精加工之前，還需要完成各個面的孔加工操作，避免精加工缸孔時對其他缸孔造成缸孔變形的影響。主軸承孔的剛性和缸孔剛性相比更高，所以，在進行復合式氣缸體缸孔精加工操作時，應先進行主軸承孔的加工，之后再進行其他缸孔加工。

復合式氣缸體缸孔加工定位的精度指的是由于定位基準不準確造成的加工工藝問題，這一問題主要表現為缸孔的壁厚不均、鏜削余量分配不均，使得復合式氣缸體缸孔的加工階段出現受力分布不均的情況，使得復合式氣缸體缸孔精加工操作后無法達到孔徑、圓柱度及圓度等加工精度方面的要求。

復合式氣缸體缸孔的硬件條件主要包括加工設備精度保證、加工設備的穩定性保證、工裝夾具的剛性保證、工裝夾具的定位準確程度、刀具切削過程中的均勻受力等。

復合式氣缸體缸孔的加工主要使用的加工工藝為鏜削工藝。鏜削工藝的流程為：將復合式氣缸體工件在工作臺上進行固定，之后讓刀具隨著加工設備的主軸進行旋轉運動，依靠工作臺移動運動及主軸進給運動，達到鏜削操作目的。通常使用的鏜刀類型為微調鏜刀和定位鏜刀。

復合式氣缸體缸孔的加工工藝流程為：毛坯孔；粗鏜缸孔；半精鏜缸孔；精鏜缸孔；鏜止口；珩磨缸孔［2］。

3 復合式氣缸體缸孔加工的技術要求

3.1 加工設備的選擇

對于復合式氣缸體缸孔加工設備的選擇，首先需要根據加工工藝設計技術要求對設備的工作任務、預計產能、質量目標及柔性條件等進行明確，并結合技術學習調研、與設備制造商溝通、同行業對比、以往應用經驗反饋和工藝設計優化原則等進行復合式氣缸體缸孔加工工藝的設計，并將設計成果在加工設備選擇的具體技術要求中進行應用。加工中心是對各個模塊進行標準化的數字控制設備，其在可靠性及柔性方面都進行了有效的提高，具有加高的性價比。

3.2 工裝夾具的設計

復合式氣缸體缸孔加工中使用工裝夾具設備，需要在完成工件加工工藝的設定之后，根據加工工序內容及加工工序要求開展。工裝夾具的設計質量會直接對工件加工質量、工件加工生產效率、工件加工操作安全程度、工件加工操作便捷程度及工件加工設備維護等方面產生影響。工裝夾具的設計是確保工件加工精度的關鍵點，其首先需要對定位基準、定位方法、支撐點及壓緊點進行正確的選擇，并且還需要設計工件定位裝夾氣密性的檢測功能，確保工件定位的準確性，若有必要，還應進行加工受力分析及定位誤差分析操作，確保夾具設計可以達到工件加工的精度要求。工裝夾具設計應盡量使用各類快速、高效的裝夾設施，盡量使用標準原件和結構，以此確保操作的便捷程度，降低輔助時間和夾具制造成本，提高生產效率［3］。

4 復合式缸孔加工的技術的設計原理和具體實施方式

4.1 復合式缸孔加工技術的設計原理

根據復合式缸孔加工技術要求及原理，本文以使用普通銑刀和鏜刀便可以完成的復合式缸孔加工方法，這種方法具有操作簡單、通用性較強的特點，其加工工藝流程如下。

（1）定位和安裝銑刀及鏜刀。即操作人員將需要加工的氣缸蓋進行定位，使氣缸蓋的開口向上，并在加工中心部位進行銑刀和鏜刀的安裝。

（2）銑操作。即操作人員使用銑刀對缸孔底部進行螺旋插補精銑操作，之后，再對缸孔底部使用圓弧插補精銑操作，圓弧插補的直徑計算公式為“D=缸孔的設計直徑-鏜刀R×2”，銑削后的缸孔深度（h1）需要達到設計要求。

（3）鏜操作。即操作人員通過轉動刀盤及更換鏜刀的方式對缸孔側壁進行加工，通常使用的鏜刀R應在0.2～0.4mm 之間，確保鏜操作后的缸孔直徑也可以符合設計要求，鏜操作后的缸孔深度為h2，其需要比銑削后的缸孔深度（h1）小。

（4）加工完成后退出刀具操作。操作人員需要進行以下4 步操作：①氣缸蓋的缸孔在實施螺旋插補操作之前需要進行精銑和半精銑兩個步驟，缸孔的底部需要留出0.3～0.6mm 的余量，缸孔側壁則需要留出0.8～1.2mm 的余量；②進行氣缸蓋缸孔加工操作，使缸孔底部的留有余量達到0.5mm，缸孔側壁的留有余量達到1.0mm；③在上述②操作中，操作人員需要將螺旋插補操作分成兩刀銑削進行處理，第一刀銑削0.1mm，第二刀銑削0.4mm；④上述③操作中，操作人員通過鏜刀進行鏜孔操作后的缸孔深度需要確保h2＜h1，并且缸孔深度應在0.08～0.1mm的范圍內。

這種方法和現階段使用的技術相比具有以下3個方面優勢。（1）操作人員使用這種方法進行氣缸蓋缸孔加工時，不需要依靠專業的刀具及設備來完成加工操作，可以通過現有的普通鏜刀和銑刀，借助加工中心就可以完成加工處理，可以有效節省設備采購花費的成本。（2）可以嚴格對鏜削后的缸孔深度進行控制，確保鏜削操作的缸孔深度h2小于銑削操作的缸孔深度h1，若是出現鏜削操作的缸孔深度h2大于銑削操作的缸孔深度h1的情況，則會導致缸孔底部根處由于銑削操作出現凹坑。（3）可以選擇使用合理的圓弧插補直徑，圓弧插補直徑的計算公式為“D（圓弧插補直徑）=缸孔設計直徑-鏜刀R×2”。在“圓弧插補直徑D＜缸孔設計直徑-鏜刀R×2”的情況下，則會導致缸孔底部根處出現一圈突出的圓環；若是“圓弧插補直徑D＞缸孔設計直徑-鏜刀R×2”的話，則會導致氣缸底部和側壁的連接圓弧被銑削掉。

4.2 復合式缸孔加工技術的具體實施方式

作為對照，對復合式缸孔加工技術的具體實施方式進行詳細說明，此說明僅為示范性說明，并沒有對本方法的使用范圍及應用進行限制。通過進行非限制性及非排他性案例的描述，其中，相同的標記代表著相同部件，若有差異，則會特別標注出來［4］。

4.2.1 案例一

一種復合式缸孔加工技術需要包括以下四步。（1）定位和安裝銑刀及鏜刀。即將需要加工的氣缸蓋進行定位，使氣缸蓋的缸孔1開口向上，并在加工中心部位進行銑刀和鏜刀的安裝。（2）銑操作。對缸孔1實施精銑和半精銑兩步，使缸孔1的底部可以留有0.3mm的余量，缸孔1的側壁可以留有0.8mm的余量。之后，使用銑刀對缸孔地面實施螺旋插補操作，螺旋插補操作需要分成兩刀銑削完成，第一刀銑削0.1mm，第二刀銑削0.4mm。之后，使用圓弧插補精銑，缸孔1的底面圓弧插補精銑也需要分成兩刀銑削完成，第一刀銑削0.3mm，第二刀銑削0.2mm，圓弧插補的直徑計算公式為“D=缸孔的設計直徑-鏜刀R×2”，銑削后的缸孔1深度h1需要達到設計要求。（3）鏜操作。操作人員對刀盤2進行轉動，更換好鏜刀，鏜刀的規格為R0.4mm，對缸孔1的側壁進行加工處理，使缸孔1的直徑可以滿足設計要求，鏜孔操作完成后的缸孔1深度為h2，h2需要小于h1，也就是0.08mm。（4）完成全部加工操作后，退出刀具。

4.2.2 案例二

另一種復合式缸孔加工技術需要包括以下四步。（1）定位和安裝銑刀及鏜刀。即將需要加工的氣缸蓋進行定位，使氣缸蓋的缸孔開口向上，并在加工中心部位進行銑刀和鏜刀的安裝。（2）銑操作。對缸孔實施精銑和半精銑兩步，使缸孔的底部可以留有0.5mm 的余量，缸孔的側壁可以留有1.0mm的余量。之后，使用銑刀對缸孔地面實施螺旋插補操作，螺旋插補操作需要分成兩刀銑削完成，第一刀銑削0.1mm，第二刀銑削0.4mm。之后，使用圓弧插補精銑，缸孔的底面圓弧插補精銑也需要分成兩刀銑削完成，第一刀銑削0.3mm，第二刀銑削0.2mm，圓弧插補的直徑計算公式為“D=缸孔的設計直徑-鏜刀R×2”，銑削后的缸孔1深度h1需要達到設計要求。（3）鏜操作。操作人員對刀盤進行轉動，更換好鏜刀，鏜刀的規格為R0.4mm，對缸孔的側壁進行加工處理，使缸孔的直徑可以滿足設計要求，鏜孔操作完成后的缸孔深度為h2，h2需要小于h1，也就是0.1mm。（4）完成全部加工操作后，退出刀具。

4.2.3 案例三

還有一種復合式缸孔加工技術需要包括以下四步。（1）定位和安裝銑刀及鏜刀。即將需要加工的氣缸蓋進行定位，使氣缸蓋的缸孔開口向上，并在加工中心部位進行銑刀和鏜刀的安裝。（2）銑操作。對缸孔實施精銑和半精銑兩步，使缸孔的底部可以留有0.6mm 的余量，缸孔1的側壁可以留有1.2mm的余量。之后，使用銑刀對缸孔地面實施螺旋插補操作，螺旋插補操作需要分成兩刀銑削完成，第一刀銑削0.1mm，第二刀銑削0.4mm。之后，使用圓弧插補精銑，缸孔的底面圓弧插補精銑也需要分成兩刀銑削完成，第一刀銑削0.3mm，第二刀銑削0.2mm，圓弧插補的直徑計算公式為“D=缸孔的設計直徑-鏜刀R×2”，銑削后的缸孔深度h1需要達到設計要求。（3）鏜操作。操作人員對刀盤進行轉動，更換好鏜刀，鏜刀的規格為R0.2mm，對缸孔1的側壁進行加工處理，使缸孔的直徑可以滿足設計要求，鏜孔操作完成后的缸孔1深度為h2，h2需要小于h1，也就是0.1mm。（4）完成全部加工操作后，退出刀具。

上述操作可以進行變通應用，因此，案例只是對某種或多種特定實施方式進行描述［5-6］。

5 結語

綜上所述，因為復合式氣缸蓋應用在試制新產品過程中容易出現變動，并且使用的刀具和設備的專用程度明顯，加工操作具有較大的局限性，并且采購耗費時間較長等缺點。而本文所提到的加工方法只需要使用普通銑刀和鏜刀，借助加工中心便能夠完成復合式氣缸蓋的缸孔加工任務，不需要專用的設備和刀具，所以，這一方法在新產品試制開發階段的復合式氣缸蓋制作中具有良好的應用效果。