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气门座圈和导管孔的专机加工技术

作者:贝搏体育登路  来源:  时间:2021-11-16 22:33  点击:

  气门座圈和气门导管孔的加工工艺是整个气缸盖加工的关键技术,因此对气门座圈锥面与导管孔加工的新技术进行深入的研究具有重大的意义。本文对气缸盖座圈和导管底孔加工和检测做了详细的阐述。

  气缸盖是发动机零件中结构较为复杂的箱体零件,也是关键件,气门座圈和气门导管孔的加工工艺是整个气缸盖加工的关键技术,其加工精度对发动机的性能有着重要影响,加工中所采用的工艺技术仍有许多共同之处。随着发动机技术的不断提高,对性能的不断追求,其对气门座圈、导管的耐磨性以及密封性要求越来越高。随之硬度在HRC 50以上的高硬度新型粉末冶金材料被应用在发动机座圈、导管上,对气门座圈锥面与导管孔加工的新技术进行深入的研究具有重大的意义。要保持稳定的、较高的加工精度,提高生产效率,除需要优化加工工艺外对定位方式、加工方式、切削刀具及刀具材料和切削参数等均提出了较高的要求。

  为了使座圈和导管与气缸盖达到最佳的配合,对座圈和导管底孔的加工有严格的要求,底孔的同轴度保证在0.05mm,位置度要求为0.1mm,如果其同轴度、位置度等尺寸存在加工误差会造成气门座圈和导管压装切边和精加工余量的分配不均,从而影响到最终精加工精度。为保证座圈和导管孔底孔的尺寸公差,一般会采用专用复合刀具,并分钻扩、半精镗和精镗三道工序进行加工,为了提升效率现在也有采用专用复合刀具速钻和精镗两道工序进行加工(见图1),其对刀具的要求就更高了。采用复合刀具速钻和精镗两道工序进行加工的关键是要在具有A轴或夹具360°旋转功能的设备同步加工,加工采用PCD刀具高速切削,切削速度为F8000-10000、S4000-5000。

  气缸盖座圈和导管的压装通常采用零件润滑和冷却压装,之前也有将气缸盖本体加热压装的工艺,由于成本过高效率低一般不采用。较为常用的方式为零件润滑方式压装,其优点在于成本低、效率高,但由于过盈大对底孔造成挤压变形、切边的隐患。零件冷却压装效率较为慢一点。为了更好地提高加工效率又能保证质量,采用零件润滑及自动冷却压装方式,座圈、导管压装机采用立式压装结构,分四个工位,为上料、进气压装、排气压装以及座圈、导管进入压头前,采用池式液氮冷却单元进行冷却,压装过程中通过压头对零件润滑,导管、进排气座圈采用振动盘自动上料,应该仿形料口防错、感应识别和缺料报警。进、排气座圈、导管分别分布在2个工位压装(见图2),导管压头与工件有0.1mm间隙,座圈压装压力大小,主要是根据配合间隙的大小而定,采用零件冷却压装气门座圈,即将座圈冷却到一定温度,再逐一取出进行压装。

  T为冷却温度;δmax为所选得的标准配合在装配前的最大过盈量,单位为um;Δ0为装配时为了避免配合面相互擦伤所需的最小间隙,通常采用同样公称直径的间隙配合H7/g6的最小间隙,单位为um;d为配合的公称直径,单位为mm;α1 、α1分别为被包容件及包容件材料的线为装配环境的温度,单位为℃。

  配合面压力的计算公式:P0=E/2×Δ/D×[1-(DH/D)2]。其中,E为弹性模量,参照《机械设计手册》;Δ0为衬套与外壳孔的配合过盈量;d为气门座圈内孔直径;DH=D-(D-d)/4。

  压装座圈时,以压头为定位挡块与工件无间隙压装由伺服电动机驱动完成各伺服压装单元,采用PROMESS电子伺服缸,对每一个压装过程进行力-行程曲线%实现对加工部件的实时性检测。设有座圈和导管的压力控制范围,超范围报警。

  每一个压装过程的数据,如测量值、普通变量以及力-行程曲线都被保存在数据库内;经编辑过的程序也被保存下来。以上所有的数据都可以很方便的进行访问和分析,这使得整个生产过程100%的可追溯性成为现实。

  气门座圈和导管孔的精加工通常是在精铣燃烧室面之前加工,为了更好地保证气门座圈和导管孔的加工精度可先精铣燃烧室面,再精加工座圈导管孔;加工完成后,再对工件进行翻转倒屑和冲洗燃烧室面,保证后序传输时该结合面无铁屑等杂物嵌入,保证缸体结合面无压痕,再通过采取特殊滚道确保燃烧室面无划伤、压痕及切屑嵌入等质量问题。

  采用一把专用刀具同时加工气门座圈和导管孔有利于提高同轴度。加工座圈的工作锥面,一般是采用锪削(见图3)和车削两种成型工艺(见图4)。锪削的刀刃倾斜角要与气门座圈工作锥面的半锥角相等,加工时由于座圈是淬硬材料(HRC 40~60),刀刃的磨损较快,而这种刀刃磨损的轮廓会复制在密封锥面上,从而影响到座圈工作时的密封性。其优点是刀具的结构和刀具切削运动的控制较为简单,加工效率也较高,不足的是刀具消耗快寿命短,原因在于面切削刀具崩刃后易导致工件报废。

  采用车削工艺加工座圈工作锥面可避免镗削时出现的缺陷。加工座圈时,一般需要加工座圈的端面,70°锥面和45°的工作锥面。前两个面的加工是为了获得一个宽度恒定的工作锥面。使用加工座圈和导管孔的专用刀具,在专用刀具上倾斜布置的滑板刀架用于车削座圈的工作锥面,附加固定安装的3把刀具则用来加工座圈的端面、45°和75°锥面。由装在专用刀具端面处的导向套对加工导管孔的铰刀进行导向。为保证导向套与机床主轴的同轴度,在导向套装入刀体后可以再对导向套进行磨削,以消除构件的制造误差和装配误差。专用刀具刀体的导轨是按座圈工作锥面的角度制造的,所以可保证工作锥面的加工精度和重复精度。

  加工开始前,分别推动滑板和铰刀运动的两个推拉轴,U1轴和U2轴位于起始位置,U1轴控制导管精加工铰刀,U2轴控制推动滑板拉动精车刀加工座圈。加工开始时,固定安装的刀具首先镗锪座圈30°倒棱,接着这些刀具后退约0.1mm,使刀刃脱离加工面,并使装在倾斜滑板上的车刀处于待加工位置,此时U1轴推动导管精加工铰刀加工导管孔,接着刀具再退约0.1mm,U2轴通过推动外层推杆使滑板实现进给,对座圈工作锥面进行精车。加工完后在滑板移到终点位置时,U1轴和U2轴回位于起始位置。现采用CBN刀具车削座圈工作锥面时,由于要采用很高的转速(2200~3800r/min),加工时产生的离心力会影响到加工精度,因此,对于这种专用刀具应采用推拉平衡滑板车削方式。随着高速加工中心进入汽车生产领域,越来越多的缸盖已转向采用加工中心来进行加工。由于加工中心难于在主轴后端设置推动铰刀实现进给的油缸,故只能寻求别的办法。MAPAL和KENNAMETAL等一些刀具公司已开发出利用离心力控制的适合于加工中心使用的专用刀具。这种刀具在加工座圈和导管孔时,刀具先是以1500r/min的转速镗削座圈锥面,加工完毕后,刀具后退约0.1mm,接着刀具转速提高到5000r/min,此时U1轴控制导管精加工铰刀以恒定的进给速度推动铰刀对导管孔进行加工。当导管孔加工完毕后,刀具再后退约0.1mm,专用刀具的转速再降至1500r/min,U2轴控制推动滑板拉动精车刀对座圈45°密封面、70°密封面同时加工,加工完成后主轴退出,U1轴和U2轴回位于起始位置。

  在车削气门座圈的过程中由于刀片的正常磨损,更换刀片对于加工首件尺寸的调整,因每次更换的刀片长度、厚度及安装等问题(见图5),需要调整刀片的刀补长度来保证加工产品的质量。

  加工45°锥面刀具调整尺寸与方法:新的刀补长度调整尺寸=原刀补长度尺寸+(原刀补半径尺寸-新刀补半径尺寸)。设原刀补长度尺寸为129.584mm,原刀补半径尺寸为11.768mm,对比显示新刀补半径为11.755mm,那么新的刀补长度尺寸调整为129.597mm。加工70°锥面刀具调整尺寸与方法:新的刀补长度调整尺寸=原刀补长度尺寸+(原刀补半径尺寸-新刀补半径尺寸)×cos70°;设原刀补长度尺寸为

  127.996mm,原刀补半径尺寸为10.472mm,对比显示新刀补半径为10.43mm,那么新的刀补长度尺寸调整为128.01mm。

  缸盖气门座圈和导管孔精加工后需监控的项目有:气门座圈圆度和角度,导管孔直径和圆度,气门座圈相对于导管孔的同轴度以及座圈的密封性。这是现有控制项目,在主机加工厂都会加以控制,如:气门座圈圆度0.012mm,气门座圈跳动0.03mm,气门座圈的角度误差保证在30以下,其座圈的密封性200cc/min(现我们现场以100cc/min为内控标准),导管的直径公差为0~0.018mm,圆度保证在0.006mm,气门座圈相对于导管孔的同轴度在0.35mm以下,导管表面粗糙度小于Ra0.8mm,在加工过程分析中,尤其是对密封性、泄漏量出现问题时,会对座圈密封面的直线度进行检测,直线mm。检测原理是将此检具放入带测量的座囤和导管孔内后,检具本体以导管孔和阀座粗定位,按下起动按钮后,电动机开始驱动直线导轨沿阀座母线方向滑动,滑动过程中,接触式气动测点以200点/s的扫捕频率扫描阀座,测量方式类似轮廓度仪;直线mm,基本可以覆盖同一缸盖阀座的进、排气阀座直径(进、排气阀座角度必须一致)。当测点爬过下边缘时,程序开始计算阀座的直线度及宽度;当爬过上边缘后,程序中止计算,同时给出阀座的直线度和宽度计算结果,并且以图6、图7所示的图形方式直观显示,图6为不合格直线为合格直线度。在密封性、泄漏量出现问题时,对座圈密封面的直线度进行检测,直观显示的结果有利于对加工参数的调整起到关键作用,直线度差可通过调整车削时的转速和进给来修复。

  综上所述,气缸盖座圈、导管的加工随着专机技术的应用,将进一步提高座圈的导管的加工精度、质量的稳定和提升,整线加工效率的提高,降低单台成本消耗,降低整车油耗,减少废气排放,提升产品市场的竞争力。

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