發動機缸蓋導管座圈孔復合鉸刀國產化開發及使用評價

摘要：針對發動機缸蓋導管座圈加工進口刀具成本高昂及缺乏國產可替代刀具的問題，從加工工藝要求出發，聯合上海交通大學及刀具制造商對導管座圈刀具進行了國產化開發，制定刀具加工質量與加工壽命評價方法并驗證；結果表明，國產復合鉸刀能滿足自動化生產線批量加工的精度及穩定性要求，且其制造周期及使用成品較進口刀具大幅降低，其壽命與進口刀具相比具備優勢，具有良好的推廣價值。

關鍵詞：缸蓋；復合鉸刀；導管座圈；國產化；評價

缸蓋是汽車發動機的重要組成部件之一，作為發動機配氣機構中的執行元件，氣門座圈和導管是保證發動機動力性能、經濟性能、可靠性及耐久性的重要零件[1]氣門座圈在工作中要承受很高的熱負荷和機械負荷，所以要求其具有很高的耐磨性和密封性。座圈材料通常為粉末冶金，屬于發動機加工中典型的難加工材料[2]。導管座圈制造精度直接影響氣缸蓋、氣門與座圈的密封性，若加工制造誤差大，將導致發動機高速運轉時，導管座圈零件的快速磨損，動力性能下降，同時加大耗油量，因此汽車制造廠家對缸蓋座圈和導管孔的尺寸精度及形位精度均提出了很高的要求，給缸蓋的制造裝備及刀具帶來了很大的挑戰。

長期以來，國內發動機缸體、缸蓋加工刀具以進口品牌為主，如瑪帕（MAPAL）、鈷領（Guhring）、瓦爾特（Walter）等，特別是對于導管座圈孔、凸輪軸孔等復雜結構的加工，其加工刀具市場基本被瑪帕所壟斷[3]，在國內沒有競爭對手。導管座圈孔由于其結構復雜，導致加工刀具必須使用復合結構，進口刀具售價十分昂貴，僅單個刀具購買價格就可達數萬元人民幣。刀具在缸蓋等零部件制造過程中為易損件，隨著汽車制造業競爭越來越激烈，開展國產化導管座圈孔復合鉸刀開發及應用研究，對于降低發動機制造成本，提升國產刀具制造業的競爭力，加強中國制造實力具有重要意義且十分必要。

導管座圈孔加工工藝簡介

上汽通用汽車LCV型缸蓋導管座圈孔截面如圖1所示，排氣側座圈孔局部放大圖如圖2所示。導管座圈孔分為進氣側和排氣側，其中座圈孔徑較大的一側為進氣側導管座圈孔。為保證氣門座圈在工作中的耐磨性和密封性，導管、座圈采用粉末冶金材料制造，通過電缸壓裝到缸蓋的導管座圈底孔中，通過控制壓裝力及位移使其與缸蓋形成組件。導管座圈壓裝完成后及可對導管座圈孔進行加工，加工過程控制計劃見表1、表2。

在缸蓋生產線中，導管座圈孔的加工分為導管座圈底孔加工及導管座圈孔加工，分別在導管座圈壓裝前后進行，本文中LCV缸蓋，導管座圈孔壓裝前后均需要4個工步進行加工，分別在OP50與OP110工序進行加工，所用刀具均為復合PCD鉸刀，一共為8種復合刀具，加工工藝信息件表3。加工過程部分工序示意圖如圖3所示，圖中可看出導管座圈孔精加工復合鏜鉸刀結構形式。

導管座圈孔國產化復合鉸刀開發

進口刀具為瑪帕公司生產的刀片加刀桿的復合式刀具，其售價及更換維護成本很高。經過結構參數設計、仿真優化（見圖4）及實驗驗證，座圈導管孔的刀具已經實現了國產化，且結構相較于進口刀具也進行了改進，取消需要進行現場調整的鉸刀桿設計，而采用了短錐定位連接的形式，提高了鉸刀桿的剛度及使用便利性。

國產座圈導管孔系列鉸刀的設計開發由交大智邦及上海交通大學先進刀具與切削技術研究中心進行，并委托國內刀具生產廠商瑞鼎機械進行生產制造。集眾家之所長的刀具生產方式充分體現了協同生產的優勢，提高了刀具的制造水平，縮短了刀具的生產周期，便于集中管理，提供了后續大批量供貨的基礎。國產刀具生產周期為兩個月，較進口刀具的三個月以上的生產周期減少了1/3。所開發的導管座圈孔鉸刀的實物如圖5所示。

國產刀具制造完成后在智邦公司進行組裝，組裝完成之后進行了嚴格的質量檢驗，包括刀具自身的尺寸精度檢驗及后續的切削工件尺寸精度檢驗。國產座圈導管孔鉸刀產品的驗收技術標準如下。

（1）刀柄" 刀柄需要進行動平衡矯正，殘余不平衡量應小于3 g·mm， 刀具在18 000r/min 工況下的動平衡等級G ≤ 6.3 mm/s。

（2）刀體" 刀體需要滿足設計圖紙所標注的尺寸公差，通常鉸刀的允差應為設計公差的2/3。

經過檢測，國產刀具的生產精度均達到設計要求，且尺寸靠近上偏差，為刀具磨損留下余量，提高了刀具的使用壽命。

導管座圈孔國產化復合鉸刀應用評價

1.切削精度評價

所制造的國產座圈導管孔鉸刀均進行了為期3個月的切削驗證，驗證環境為公司與上海通用汽車在國家科技部04專項支持下建立的發動機缸蓋和變速器閥體國產加工裝備柔性加工集成驗證平臺，該平臺面向國內加工裝備企業開放，通過提供裝備及工藝的組線驗證平臺和技術手段，為國產裝備進入汽車動力總成主機廠提供核心技術的工程化驗證條件，如圖6所示，結果表明國產座圈導管孔鉸刀可達到上汽通用N1/N5加工切削能力驗收要求，可批量切削出合格的工件。為了深入研究國產座圈導管孔鉸刀的穩定性及壽命表現，現將其切削工件的尺寸精度與進口刀具進行對比，同時對刀片磨損情況進行分析，得到對于國產座圈導管孔鉸刀的整體性能評價。

因工藝尺寸要求眾多，因此選取了可以反映刀具本身加工性能的導管孔的直徑以及座圈90度密封面的加工尺寸精度進行分析，至于其他五個角度的尺寸可以通過調整刀具進行調整，因此這里不做對比分析。圖7為國產與進口鉸刀的導管切削結果數據，可以看出，國產刀具切削結果均位于公差范圍之內，切削的導管尺寸大體位于公差范圍的上差2/3處，且所加工尺寸偏差寬度小于產品公差要求的1/3，充分說明切削穩定性好，可以滿足汽車產線加工能力指數的要求。

2.刀具壽命評價

對于汽車動力總成加工來說，刀具的磨損情況及使用壽命是極為重要的參數，直接關系到產品的加工成本。如果不能準確掌握刀具的正常使用壽命，一方面意外發生的刀具磨損或者斷刀會導致停機換刀，使得產量下降；另一方面未達到使用壽命而提前更換刀具也會提高刀具的使用成本。為了評價國產優化設計的座圈導管孔鉸刀的耐用性，采用EDS檢測磨損的方式將國產鉸刀與進口鉸刀進行對比。圖8及圖9所示分別為國產與進口座圈導管孔鉸刀的EDS分析結果。

根據EDS分析可知，國產優化設計的CBN刀片的主要的磨損形式為粘結磨損和磨粒磨損，但未出現微崩刃現象，因此其不易產生過快的刀具破損。而進口的CBN刀片主要磨損形式為微崩刃、粘結磨損和磨粒磨損，易于發生刀片破損，進而影響刀具使用壽命。

結語

針對LCV型缸蓋導管座圈孔加工工藝要求，通過與上海交通大學先進刀具與切削技術研究中心聯合設計，結合結構參數設計及加工有限元仿真等技術手段，并委托國內刀具生產廠商進行生產制造，成功開發了國產化導管座圈孔加工復合鉸刀。通過協作開發的方式，國產刀具生產周期降低為兩個月，較進口刀具的3個月以上的生產周期減少了1/3，批量化刀具使用成本可實現下降50%以上。所開發的國產化復合鉸刀在公司建立驗證線上經過切削加工驗證，結果表明國產化刀具在加工效率和精度指標上與進口刀具相比到達同等水平，且國產刀具壽命優于進口刀具，滿足缸蓋批量化生產需求。終上所述，國產化復合鉸刀在刀具準備周期，刀具使用成品，刀具壽命，及加工精度上，與進口刀具相比具有一定的優勢，具有良好的推廣價值。

參考文獻：

[1] 劉立波.缸蓋座圈導管加工技術研究與實踐[D].長沙：湖南大學，2011.

[2] 蘇娜.缸蓋座圈導管孔的加工工藝研究[J].機械研究與應用，2016（6）：166-168.

[3] 吉祺煒. MAPAL刀具在缸蓋座圈和導管加工中的改進[J].機械制造，2006（6）：52-54.