發(fā)動機零部件螺紋孔的測量研究

賀 妍

（無錫凱美錫科技有限公司，江蘇 無錫 214000）

螺紋聯(lián)接的形式在發(fā)動機裝置的零件結(jié)構(gòu)中獲得了比較普遍的應(yīng)用，主要是由于相關(guān)的零部件在發(fā)動機裝置工作過程中，容易受到各類作用的侵蝕，甚至?xí)l(fā)生斷裂等情況，這時零部件將會失效，因此在出現(xiàn)故障的情況下，需要及時對損壞的零件進行更換。眾所周知，螺紋聯(lián)接的方式，其拆裝過程更加便捷。所以在發(fā)動機零部件的結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用相對比較廣泛。

1 螺紋孔結(jié)構(gòu)

螺紋孔結(jié)構(gòu)指的是采用絲錐進行內(nèi)螺紋攻絲前預(yù)制的孔，通常是指被加工零件上內(nèi)置的圓孔，最底部或者是最上面的零件表面處的圓形孔洞，即為螺紋孔結(jié)構(gòu)。在實際生產(chǎn)加工過程中的螺紋孔不一定是采用鉆孔的方式鉆出來的，也可能是應(yīng)用別的加工方法制造出來的，比如沖壓或者鑄等。在后續(xù)的工藝過程中，如果底孔部位的直徑和內(nèi)螺紋部位的直徑數(shù)值保持一致的話，當(dāng)相關(guān)零件的金屬材料進行擴張時就很可能卡住絲錐裝置，這種情況下絲錐就非常容易發(fā)生折斷的情況；如果底孔部位的直徑比內(nèi)螺紋部位的直徑數(shù)值大得過多的話，就會發(fā)生攻出來的螺紋，其牙型高度數(shù)值不滿足實際需求進而成為廢品的情況。螺紋部分的配合關(guān)系依據(jù)各個相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，需要具備對應(yīng)的配合用的公差，有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)設(shè)計人員可以查閱鉗工手冊。如果底孔部位屬于沉孔，則還要額外考慮攻絲過程中排屑方面的影響和制約。絲錐裝置在攻螺紋的時候，其切削刃的操作過程通常是對金屬進行切削，不過同時還會有對金屬進行擠壓的效果，所以在此過程中會形成金屬部位的凸起并且向牙尖部位流動的情況，因此車間操作人員在攻螺紋之前，零件鉆削后的孔徑（也就是底孔的直徑）需要大于螺紋孔的內(nèi)徑數(shù)值[1]。

2 發(fā)動機裝置

發(fā)動機（英文全稱是engine）指的是一種可以將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成機械能的機器設(shè)備，通常包含內(nèi)燃機（也就是指往復(fù)式活塞類型的發(fā)動機）、外燃機（也就是常說的斯特林類型的發(fā)動機或者蒸汽機）、噴氣式發(fā)動機、電動發(fā)動機等。其中的內(nèi)燃機裝置一般是將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機械能。發(fā)動機裝置既指的是動力的產(chǎn)生設(shè)備，又指的是包含動力設(shè)備和裝置的機器的整體（比如：汽油或者柴油發(fā)動機、航空用的發(fā)動機等）。發(fā)動機裝置最初是英國科學(xué)家發(fā)明的，因此，發(fā)動機的有關(guān)概念也是英語中的詞匯，它本來的意義指的是一種“生成動力源的機械設(shè)備或裝置”。

2.1 發(fā)動機的缸體

發(fā)動機裝置的缸體部分屬于發(fā)動機最為基礎(chǔ)性的零件及框架結(jié)構(gòu)，并且也是發(fā)動機裝置進行總體裝配過程中的基礎(chǔ)性零部件。發(fā)動機缸體的主要作用是用于支撐與保證活塞部件、連桿部件、曲軸部件等內(nèi)部運動的部件，使其能夠在運行的時候維持非常精確的相對位置。確保發(fā)動機裝置能夠順暢地進行換氣、冷卻以及潤滑等操作，為各類相關(guān)的輔助系統(tǒng)、零部件及發(fā)動機整體的安裝提供相應(yīng)的支撐。通常來講，汽車工業(yè)領(lǐng)域中的發(fā)動機裝置，其缸體與上曲軸箱會在鑄造的過程中實施一體化操作，可以稱為缸體-曲軸箱裝置。缸體上部的一系列圓柱形的空腔部位被稱為氣缸，下半部分是支撐曲軸所用的曲軸箱部分，其中腔內(nèi)是曲軸裝置進行活動的空間。一般在汽車發(fā)動機的缸體內(nèi)會鑄有若干的加強筋結(jié)構(gòu)、冷卻用的水套結(jié)構(gòu)以及潤滑油的油道結(jié)構(gòu)等功能性結(jié)構(gòu)[2]。

2.2 發(fā)動機的缸蓋部位

通常發(fā)動機的缸蓋部件安裝在缸體部件的上方，其可以在上部對氣缸結(jié)構(gòu)實現(xiàn)密封的效果并且形成燃燒室結(jié)構(gòu)。該部位由于需要長時間和高溫、高壓的燃氣發(fā)生接觸，為此需要承受非常大的熱量載荷與機械載荷。水冷類型的發(fā)動機裝置，其氣缸蓋部位的內(nèi)部事先鑄有冷卻用的水套結(jié)構(gòu)，缸蓋部件的下端面處的冷卻水孔和發(fā)動機缸體裝置內(nèi)的冷卻水孔相互連通。借助循環(huán)水的流動作用來實現(xiàn)冷卻燃燒室等高溫部件的目的。與此同時，缸蓋部件上還設(shè)置了進氣、排氣門座部件，氣門處設(shè)置了導(dǎo)管孔，該部位是用于安裝進氣、排氣門部件的，另外還設(shè)置了進氣通道以及排氣通道等結(jié)構(gòu)。汽油發(fā)動機的氣缸蓋部件上配置了安裝火花塞裝置的工藝孔，柴油發(fā)動機的氣缸蓋部件上方設(shè)置了用于安裝噴油器裝置的工藝孔。

3 發(fā)動機裝置中缸體的關(guān)鍵性螺紋的研究

3.1 缸體裝置的缸蓋螺紋通常采用內(nèi)螺紋的加工方式

發(fā)動機缸體裝置中的缸蓋部件上使用的螺紋通常是采用內(nèi)螺紋的形式來進行加工的。內(nèi)螺紋形式需要的相關(guān)測量指標(biāo)有如下若干種：鉆孔部位的深度數(shù)值、螺紋的深度以及螺紋配合的精度數(shù)值。螺紋配合的精度數(shù)值可以采用同樣精度數(shù)值的螺紋塞規(guī)或者止規(guī)來進行測量，這樣就能控制住內(nèi)螺紋部位的中徑方面的偏差數(shù)值，最終實現(xiàn)圖紙規(guī)定的要求。螺紋的長度方面的尺寸數(shù)值以及底孔部位的鉆孔深度的數(shù)值，屬于是自由類型的公差范疇，不過其也不可以對基準(zhǔn)尺寸發(fā)生過大的偏離程度，不然就會對螺拴部件的順利裝配產(chǎn)生不利影響。一般在工藝方面規(guī)定的合理的控制值為±0.575 mm。一般螺紋孔的深度方面的尺寸數(shù)值，需要采用深度尺或者游標(biāo)卡尺等工具來進行測量，不過在實際操作過程中，此類測量工作是不能實現(xiàn)的。

3.2 缸體裝置的螺紋孔指標(biāo)的測量

在測量例如缸體裝置側(cè)面用于安裝發(fā)電機的支架的螺紋孔的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)的時候，深度尺工具的測量桿部位大于螺紋的孔直徑的時候，此時無法進行測量操作。需要改用多用途的游標(biāo)卡尺工具來進行操作，因為發(fā)電機裝置的安裝平面和缸體裝置的測量基準(zhǔn)面在此時會形成一定數(shù)值的角度，游標(biāo)卡尺工具的實際測量基準(zhǔn)面和螺紋孔的深度基準(zhǔn)面之間可以用于接觸的面積過小，操作時不夠穩(wěn)定。并且此時的游標(biāo)卡尺的測量端和待測的螺紋孔尾部區(qū)域不能形成有效的接觸，也很難進行測量操作；與此同時，通過測量操作得到的底孔部位的鉆孔深度數(shù)值具有比較大的誤差量。

3.3 有關(guān)螺紋長度尺寸的加工過程研究

為確保螺紋部位具有合理、有效的旋合長度數(shù)值，需要對螺紋的加工長度進行有效的控制，與螺紋部位的長度數(shù)值相關(guān)聯(lián)的指標(biāo)是螺紋底孔部位的鉆孔深度數(shù)值，螺紋的底孔部位的鉆孔深度尺寸數(shù)值也需要進行有效的控制。經(jīng)過數(shù)控加工中心高精度操控系統(tǒng)的操作，能夠準(zhǔn)確地進行2項尺寸的精確設(shè)置。不過因為刀具的磨損、機床設(shè)備的累積誤差及毛坯工件的硬度可能發(fā)生的各類不確定因素的改變，很可能造成發(fā)動機缸體裝置上的鉆孔深度數(shù)值以及加工螺紋部位的長度數(shù)值出現(xiàn)不必要的改變，假如無法對其實施有效的控制，很可能導(dǎo)致相關(guān)工件出現(xiàn)批量報廢的嚴重事故，因此，車間現(xiàn)場的檢驗人員以及加工操作人員必須要對加工的工件實施定時的測量，盡量控制好相關(guān)加工參數(shù)指標(biāo)[3]。

4 加工現(xiàn)場的測量操作

加工車間的檢驗站內(nèi)的檢驗人員經(jīng)過持續(xù)的生產(chǎn)實踐，開發(fā)出了一系列簡單易用的測量工具，并且在實際操作過程中進行現(xiàn)場驗證，這樣就能比較容易地應(yīng)對鉆孔深度尺寸數(shù)值與加工螺紋深度數(shù)值在實際測量過程中的困難。

通常來講，用于螺紋深度數(shù)值與鉆孔深度數(shù)值測量的工具，其結(jié)構(gòu)相對比較簡單，方便進行加工制造。圖1（a）即為螺紋孔部位的剖面圖，尺寸A即為螺紋孔的深度尺寸，尺寸B即為螺紋底孔的深度。圖l（b）是用于測量螺紋深度以及鉆孔深度數(shù)值所使用的工具。同樣標(biāo)注出了和圖l（a）相互對應(yīng)的尺寸A以及尺寸B，相應(yīng)的檢驗工具兩端的斜面為118°，這個角度和鉆孔部位的底部的斜面保持相同（也就是鉆頭工具頂部角度的數(shù)值），該測量工具使用1 mm厚的彈簧薄鋼板材料進行制造，主要使用線切割機裝置進行切割操作，也可以采用報廢的鋸條在砂輪機裝置上進行手工操作，通過仔細地打磨得到。需要注意的一點是，此類測量工具的寬度需要小于螺紋底孔部位的直徑數(shù)值，不然該工具就不能和被測量的部位相互接觸。因為鋸條的材質(zhì)具有一定程度的強度與彈性，因此該類型的測量工具在車間現(xiàn)場的實際應(yīng)用會相對方便一些。

圖1 螺紋孔部位剖面示意圖

4.1 對于螺紋部位長度的測量

如圖2所示的測量過程，把相應(yīng)的測量工具順著螺紋的底孔孔壁向上進行運動，直到相關(guān)的測量刀口與螺牙部位出現(xiàn)接觸為止，測量人員通過垂直方向目視相應(yīng)的工具下刻線部位和刀口的距離是否在A±0.515 mm區(qū)間之內(nèi)，假如發(fā)生超差現(xiàn)象，需要調(diào)整絲錐工具工作的行程參數(shù)。

圖2 螺紋部位長度的測量

4.2 螺紋底孔部位的鉆孔深度數(shù)值的測量

如圖3所示的測量過程，把檢驗用的工具輕放到鉆孔部位的底部，工具端口成118°的情況下（也就是鉆頭工具頂部角度的數(shù)值），此時兩斜面和孔底部的斜面部位處于完全接觸的狀態(tài)，需要注意上刻線和測量刀口距離數(shù)值是否在B±0.585 mm區(qū)間之內(nèi)，假如發(fā)生超差現(xiàn)象，需要調(diào)整鉆頭工作的行程參數(shù)。發(fā)生接觸時，觀測者垂直觀察測量工具上刻線相對螺紋孔對于基面發(fā)生的偏移量。

圖3 螺紋底孔部位的鉆孔深度數(shù)值的測量

需要重點說明的一點是：每種螺紋孔部位僅僅可以對應(yīng)單一規(guī)格的測量螺紋部位深度以及鉆孔深度的特定操作工具，這是因為每種螺紋孔具有的參數(shù)各不相同，因此相關(guān)的測量工具只能是專用的。

5 測量方案的進一步優(yōu)化

對于螺紋孔位置度精確測繪工作的關(guān)鍵問題即為螺紋孔內(nèi)部中心線部位測量過程需要保證采集點處的偏差數(shù)值保持相對較小，如果可能，最好保證采集點位置處中心線與螺紋內(nèi)孔的加工中心線位置保持重合的狀態(tài)，還要注意，操作過程中需要保證螺紋孔測繪的位置度指標(biāo)的過程中，測繪點位置盡量選取在相同截面之內(nèi)。

從事測量的工程技術(shù)人員可以進一步開發(fā)更為新穎的測繪模式和方案，以此降低螺紋孔位置度指標(biāo)在測量過程中出現(xiàn)的偏差，達到高效測繪以及較高的精度。下面是經(jīng)過優(yōu)化之后，相關(guān)螺紋孔位置度指標(biāo)的測繪工作解決方案，此種測繪方法得到的結(jié)果，其偏差數(shù)值明顯低于傳統(tǒng)的測繪方法所得的結(jié)果。

優(yōu)化之后的測量方法的主要原理為：采用三坐標(biāo)類型測量儀器的觸頭部位直接進行內(nèi)孔中3個整數(shù)倍螺距部位“模擬圓柱體”處的各類參數(shù)，應(yīng)用這3個模擬的圓柱體部位中心點來創(chuàng)建螺紋孔部位的幾何中心線。之后從這個模擬圓柱體中截取出3個平面，這3個平面上分別采集出5個點的參數(shù)，各個面和面間的距離數(shù)據(jù)保持為螺距數(shù)值的整數(shù)倍。應(yīng)用這個測量方案進行操作之后，螺紋孔結(jié)構(gòu)的中心線偏差數(shù)值將會明顯小于傳統(tǒng)的測量模式，之后測量螺紋內(nèi)孔部位的中心線和絲錐截面部位發(fā)生重合位置的各類參數(shù)指標(biāo)，隨后對于重合處位置和測量過程基準(zhǔn)指標(biāo)間位置偏差數(shù)值進行計算，進而在達成待測量工件上內(nèi)孔位置度指標(biāo)的過程中，保持測繪點位置始終處于同一平面之中。

6 現(xiàn)場使用情況簡述

為了進一步驗證此優(yōu)化方案的便捷性以及最終測量結(jié)果是否滿足有關(guān)的要求，將這個測量辦法用于某工具頂部螺紋內(nèi)孔中位置度指標(biāo)的相關(guān)測量工作中。操作過程中應(yīng)用了2種不同的測量方法，之后還進行了相應(yīng)結(jié)果的比對，根據(jù)不同的測量方法，制訂出了2種測量的工藝方案執(zhí)行過程，分別對于該待測工具頂部螺紋孔部位進行6次的測量操作。

經(jīng)過2種測量方法的對比，得到如下結(jié)果：根據(jù)優(yōu)化之后的測繪方法對于相同部位的位置度指標(biāo)進行測量，6次操作中有5次偏離程度明顯小于常規(guī)方法的測量結(jié)果。

7 結(jié)論

通過上述分析，可得出如下結(jié)論。

（1）優(yōu)化后工件螺紋內(nèi)孔位置度的三坐標(biāo)測量機測繪方案，確保了孔中心線建模的精準(zhǔn)性，實現(xiàn)了工件內(nèi)孔位置度“計算點”維持于相同圓面，此測繪方案實現(xiàn)了工件內(nèi)孔位置測繪誤差＜0.03。

（2）相同工件上對應(yīng)工件內(nèi)孔，多次重復(fù)測量的便捷程度高；大批量相同工件上相同位置工件內(nèi)孔，測量工藝便捷程度高；相同刀具鉆削的不同工件內(nèi)孔，其位置度測繪分析數(shù)據(jù)結(jié)果離散性較小。

8 結(jié)束語

綜上所述，在實際生產(chǎn)加工的過程中，某些工藝人員思路中相對復(fù)雜的工程實際難題，很可能被某些一線工作的操作人員或者檢驗人員采用比較簡單并且實用的方法化解。因此車間的工藝人員需要多多深入到實際加工過程中，進行思路的擴展，這樣有助于解決加工實踐過程中發(fā)生的難題。