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该加工工艺技术可为相关机械厂在提高缸体顶面
时间:2019-05-04 11:17

  以发动机缸体作为研究对象,主要从缸体顶面、缸孔、曲轴孔3个方面精加工尺寸进行论述。通过选用顶配进口加工中心及珩磨机,采用定制夹具及辅助支撑,并配以先进的刀具、优化CNC加工程序及机床加工精度,保证了产品的精加工尺寸要求,包括尺寸公差、形位公差、粗糙度、珩磨网纹等。该加工工艺技术可为相关机械厂在提高缸体顶面、缸孔、曲轴孔精加工精度方面提供借鉴。

  缸体是发动机最重要的核心零部件,缸体缸孔的高精度加工要求是制约提高发动机品质的难题,主要体现在缸体顶面、缸孔、曲轴孔几个方面。这些精加工尺寸控制不好,不仅将影响发动机整体的性能,同时容易造成漏油、漏水,如缸孔圆柱度不好会造成缸内的机油上窜气[1]、甚至爆缸现象。目前国内主流的加工中心及珩磨机生产厂商在设备动态加工精度、设备稳定性方面跟国外先进设备相比存在着较大的差距,生产出来的产品不合格率高,无法保证发动机整机产品性能的稳定性。不少机械制造厂工件夹紧采用机械结构装夹,这种局部夹紧易造成缸体挤压变形;如果非恒温恒湿车间,温度变化也会给铸件缸体精度带来很大的影响。因此国内大部分发动机厂为了控制成本,选用国内设备进行缸体工艺过程中的尺寸粗加工、半精加工,而精加工则会选用国际先进的设备;也有部分厂家会不惜成本,全线设备包括珩磨机都采用进口,以保证产品制造质量及装配质量。

  进口设备加工中心均有自动补偿功能,并通过专用夹具一次定位夹紧、关键工序刀具的选型、优化加工中心CNC及珩磨机程序、恒温恒湿的生产条件保证等,可完成缸体顶面精铣、珩磨缸孔、珩磨曲轴孔的复杂生产过程,达到高精度制造水平并满足生产线的节拍要求。本文以实际加工产品为例,对其具体制造工艺技术进行分析介绍。

  图 1 所示为发动机最终产品尺寸示意图,包括缸体顶面、缸孔、曲轴孔精加工尺寸,有关要求说明如下:

  2)缸体顶面尺寸:缸体顶面到曲轴孔距离尺寸公差为0.08 mm,顶面粗超度为Rmax12.5 m,顶面对曲轴孔的平行度为 0.05 mm,顶面平面度为0.05 mm。

  3)缸孔尺寸:缸孔直径公差为0~0.015 mm,缸孔对曲轴孔垂直度要求为0.05 mm/150 mm,缸孔加工位置度精度为 0.2 mm,缸孔圆柱度精度要求为0.01 mm,缸孔粗糙度为Rz2~5 m。

  4)缸体曲轴孔尺寸:曲轴孔的粗糙度为Rz10 m,直径公差为0~0.018 mm,曲轴孔位置度精度要求为 0.2 mm、圆度为0.005 mm、圆柱度为0.005 mm,曲轴孔第2、第3、第4档的同轴度为0.008 mm。

  1)缸体的装夹定位按照产品图纸进行设计。因图面尺寸基准为底面及底面两定位销孔,而这类基准在前面工序已加工出来,所以缸体顶面加工定位基准为底面及底面两定位销孔,这样消除了因基准转换造成的精度误差。

  2)由于缸体空间尺寸较大,加工过程若装夹不紧会使缸体产生微小晃动,严重影响加工精度,故需要在夹具上设计若干自锁式辅助支撑点及装夹点,且应保证缸体装夹受力均匀,防止因装夹受力不均,加工后释放应力而影响了缸体平面度。

  3)加工中心增加有 3 点三检的气检方式,装夹不到位会及时报警,保证了产品加工的稳定性。

  4)缸体顶面精铣、精密孔加工时采用立方氮化硼(CBN)刀片、铰刀。这些刀具寿命长,且具有加工精度高、表面粗糙度参数值小、生产率高等优点。若采用硬质合金刀片,则在大批量生产的条件下无法保证粗糙度的加工要求,只要镀层的硬质合金刀片加工超过 100 件,就容易产生粗糙度超差,而采用 CBN 刀片则效果要好很多,可以加工200件以上。

  5)控制加工中心切屑参数,优化CNC走刀路线,适当提高切削速度,可减少缸体顶面因进刀、出刀时吃刀量受力不均而造成的缸体前后端面平面度超差。

  6)大盘铣削加工后,通过CNC控制程序及追加大毛刷,绕着缸体顶面沿铣刀加工路线刮一遍,剔除缸体毛刺。

  7)车间温湿度控制。控制设定恒温202℃、相对湿度40%~60%,减少热胀冷缩对缸体精加工的影响。

  缸体缸孔精加工尺寸要求高,是工艺制造控制的重点。为了保证缸孔珩磨的质量,需在珩磨前把缸孔直径尺寸公差控制在0.01 mm,即只允许有20 m的公差带通过气检后方能进来珩磨机进行铰珩,而在缸孔入珩磨前,需先在加工中心精镗缸孔到预定尺寸,其加工工序图如图3所示。

  精镗刀采用内冷结构,保证在切削过程中产生的热量及时被带走从而降低局部加工的温度、提高缸孔表面质量。根据最终产品图纸对比,珩磨前工序缸体缸孔直径精镗后预留有0.04~0.05 mm 加工余量给后面珩磨机铰珩,粗超度控制在 Rz10~20 m,圆柱度控制在 0.015 mm,而位置度 0.2 mm 和垂直度 0.05 mm/150 mm 与产品图纸一致,即在保证位置度和垂直度情况下通过铰珩来控制缸孔的粗糙度、直径、圆柱度。

  缸体缸孔精镗后通过在线气检设备检测缸孔直径,符合的产品通过机动辊道进入珩磨机。虽然进口缸孔铰珩设备(如德国某知名珩磨机)一次性投入较大,但后期加工成本极低,且加工质量稳定。采用立式珩磨机进行加工。在加工过程中,珩磨头的油石在胀缩机构下作径向进给,把工件逐步加工到所需尺寸,珩磨头外周镶有 6~9 根铰珩砂条,粗珩可采用6根,精珩采用9根,长度约为缸孔长度 1/3~2/3。珩磨时往返速度控制在 25~35 m/min,珩磨效率较高[2],珩磨往复换向加速度越大,换向时所形成的圆弧过渡区域越小,珩磨网纹质量越高[3]。油石对孔壁的压力控制在0.3~0.5 MPa,珩磨油石压力的大小直接影响工件表面质量、油石磨损量和工件尺寸精度、表面粗糙度[4]。

  缸体缸孔精镗后经过粗珩和精珩可满足产品尺寸要求,珩磨后会产生20~30的珩磨网纹,对缸孔油膜的润滑油存储有很好的效果。缸孔珩磨后直径、位置度、圆柱度、垂直度、粗糙度检测报告如图4所示。

  常用的汽油发动机最大转速可达6000 r/min,对曲轴孔工艺要求高,为了保证曲轴孔珩磨的质量,需在珩磨前把曲轴孔直径尺寸公差控制在0.015 mm,即只允许有0.03 mm的公差带通过气检后方能进来珩磨机进行平台珩,而在曲轴孔进入珩磨前,需先在加工中心精镗曲轴孔到预定尺寸,其加工工序图如图5所示。

  加工中心精镗刀采用内冷结构,由于曲轴孔深度大、达300 mm,故对镗刀要求也高,采用CBN材质刀片,其结构如图6所示。

  刀具选用很关键,选用了mapal品牌,该刀具上带有4根半精镗刀片和6根精镗刀片。在加工过程中,先由刀片扩引导孔,切削掉大部分余量,然后由半精镗刀片镗至 48.79 mm,留0.2 mm的余量给 48.995 mm 刀片进行切削;先镗曲轴孔第1档、第2档的位置,然后旋转转台,镗另一侧曲轴孔第5档、第4档、第3档的位置。

  根据最终产品图纸对比,珩磨前工序缸体曲轴孔直径精镗后预留有0.04~0.05 mm加工余量给后面珩磨机平台珩。平台网纹的曲轴孔与普通珩磨的曲轴孔相比,磨合期缩短了 1/3~1/2,寿命提高 10%~20%,扭矩提高 5%,机油消耗降低 50%~60%[5]。平台珩粗糙度控制在Rz10-20 m,圆柱度控制在0.01 mm,而位置度 ?0.2 mm、圆度0.01 mm、同轴度0.008 mm,也通过平台珩达到产品尺寸要求。

  为了保证尺寸精度,曲轴孔采用一次珩磨到位,即从第1档平台珩至第5档,同时进行旋转及往返运动。

  缸体曲轴孔珩磨后直径、圆度、位置度、同轴度、圆柱度、粗糙度检测报告如图7所示。

  针对发动机缸体顶面、缸孔、曲轴孔精加工,采用自锁式夹具及辅助支撑设计,选用先进的刀具材料和刀具组合结构,控制加工温湿度,控制好加工工艺参数、切屑余量,并通过先进加工中心和进口珩磨机,保证了产品精加工精度要求,进而保证了产品装配性能,实现缸体量产。

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