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[刀具论文] 汽缸盖座圈导管加工刀具结构与加工质量的分析

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    2016-12-1 07:13
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    [LV.2]偶尔看看I

    发表于 2017-5-27 07:19:07 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    汽缸盖是整台发动机的重要箱体零部件之一,气门座圈锥孔密封面和导管孔的加工是其加工的关键点。如果进、排气座圈锥孔面与气门的密封配合不佳,产生泄漏,会给发动机造成以下后果:①压缩比达不到设计要求,功率不足;②油耗增加;③排放不达标,产生黑烟,污染环境;④进气管空气混乱,进气门温度上升;⑤积碳加重;⑥排气管冒火等。

    发动机汽缸盖的加工制造系统虽然众多,动力总成厂家各不相同,但加工工艺及工艺设计技术却有着许多共同之处。其中,进、排气座圈锥孔面与导管孔的跳动一般允差规定为0.05以下。

    1  汽缸盖的座圈、导管加工工艺要求

    图1为某汽缸盖的座圈、导管加工工艺要求。结合类似产品的技术要求和图1可知,汽缸盖座圈、导管的技术要求由三个方面组成。

    ①导管的工艺要求

    导管的工艺要求包括导管的孔径尺寸、导管孔的圆柱度、导管孔的直线度、导管孔与汽缸盖底面的垂直度、导管孔孔壁的粗超度、导管的孔位置度等。

    ②气门座圈的工艺技术要求

    气门座圈工艺要求包括座圈三锥孔的角度、座圈三锥孔之间的相交位置尺寸、座圈三锥孔的表面粗糙度、座圈三锥孔的位置度、座圈90°锥孔密封带的宽度、座圈90°锥孔密封带的圆度、座圈90°锥孔密封带的中心线位置尺寸等。

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    图1

    ③座圈与导管之间的工艺技术要求

    座圈90°锥孔面以导管孔径为基准的泄漏量允许值和跳动量。

    从技术要求可见,汽缸盖的座圈、导管加工工艺的技术要求高,因此在刀具的规划、设计和应用上,必须具备高的刚性、优的刀具同轴度和合理的加工工艺参数才能满足座圈、导管的加工工艺要求。

    2  加工座圈、导管的刀具结构

    加工汽缸盖座圈、导管的刀具主要有两种刀具结构,可应用于不同的设备上,来完成座圈、导管的加工。

    (1)阿波罗刀具

    阿波罗刀具(见图2)是一种与专机设备配合并完成汽缸盖气门座圈的锥孔面和导管孔的精加工复合刀具,主要由加工导管孔的枪铰刀、加工气门座密封锥孔面的镗刀和倒角锪刀三部分组成。其中,镗气门座密封锥孔面的刀具采用斜切式刀具结构形式,即把Z轴的轴向进给走刀转变成斜切方式来加工,这是该刀具的核心部分。加工汽缸盖座圈和导管的阿波罗刀具的整个加工工步是先采用Z轴切入方式锪削阀座65°、130°锥孔面(以图1的工艺要求阐述加工工步),接着再利用滑块进行斜切方式镗削加工90°锥孔面。相比Z轴向切入方式锪加工锥孔面,斜切方式更能提高被加工锥孔的侧母线直线度、表面精度和尺寸精度。在进行90°锥孔面加工时,该类刀具做成双滑块的结构,分别对90°锥孔面进行粗、精镗加工。完成座圈锥孔面加工后,刀具后退约0.20mm,接着提高刀具转速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,专用刀具恢复原转速,铰刀自动退回到起始位置。

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    图2

    阿波罗刀具的不足之处:加工节拍时间长;刀具只能在专机上应用;座圈65°/130°锥孔面加工由一片刀片完成,刀片的使用寿命不易受控;刀片主切削刃口在初始加工时易出现小崩口。

    (2)HSK刀柄连接的组合刀具

    另一种在CNC加工中心上加工座圈、导管的工艺是粗、精加工两道工序完成。座圈锥孔面采用粗、精两把刀具加工,即“3+3”刀片布局形式,其好处是粗加工刀片加工过程中出现小崩口时,后道的精加工刀片可以切削掉前面的密封面小缺陷。在引导孔加工的基础上,铰刀一次完成导管孔加工。

    目前在CNC设备上使用的座圈、导管加工的组合刀具主要有两种形式:

    ①导管引导孔铰刀、导管铰刀均采用直柄夹持固定,即前4加后2共6个螺钉固定铰刀,座圈锥孔面加工的刀片直接固定在刚性好的整体式刀柄上(见图3)。铰刀切削刃数根据加工导管的孔径设计成6刃、4刃、2刃及带导条的单刃铰刀。对于汽缸盖导管铰刀(直柄铰刀非FHS结构),当导管孔直径偏小、铰刀直径≤5mm时,有些刀具供应商根据刀柄头部的调整区域直径(排气道的鼻口尺寸)来设计尺寸。受固定螺钉在内孔圆周上布局局限性影响,刀柄前端调整跳动的螺钉设计成3个会给调刀工调整铰刀的跳动带来不便。此时可以增加铰刀夹持区域刀杆直径来满足4个螺钉布局,即铰刀设计为阶梯铰刀刀杆,如?5加工直径与?6-?8夹持直径的组合设计。

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    图3

    ②如图4所示,粗、精加工刀具的刀柄均采用法兰结构形式。铰刀采用FHS结构连接固定,座圈锥孔面加工的刀片直接固定在法兰结构的刀体上部。

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    图4

    两种刀具的结构形式在实际使用中各有利弊。

    ①第一种结构刀柄在刀具加工过程中,主轴传递给刀片的驱动力大,加工使用周期内驱动力无变化;铰刀头部刃口的跳动每次都需线下与三锥孔加工刀片一起调整,且铰刀头部的跳动调整需要一定的时间;该类刀具在加工过程中的刚性好。

    ②对于第二种结构形式的刀柄,当座圈与导管的相对跳动要求高时,此结构对精度有保证。机床使用几年后还可弥补主轴跳动,保证加工精度。在刀具加工过程中,主轴扭矩的传递力存在瞬间的变化风险,易造成法兰连接处上、下刀柄两部分在圆周上的小角度位移。法兰结构设计的刀柄连接与调整依靠轴向4+4个螺钉及径向4螺钉连接固定,会因小角度位移或颤抖而出现刀片崩刃现象;铰刀头部与FHS连接柄部为基准时,在跳动量满足要求的前提下,铰刀与刀柄的固定连接时间短,且铰刀头部不需要每次调整跳动,但是第一次的铰刀跳动需要通过法兰结构来完成调整,调整时间比直柄铰刀跳动的调整时间更长。法兰结构的刀柄整体刚性比较差,且传递扭矩没有整体刀柄好,因此加工锥孔面时易出现轻微振纹。该类刀具的铰刀(FHS结构)制造成本高于直柄铰刀的制造成本。

    图5是使用不同的刀具结构加工的座圈密封锥孔面照片。左图为有轻微振纹的座圈密封面,右图为理想粗糙度密封锥面。

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    图5

    ①不同刀具结构的调整前后排序选择

    FHS导管铰刀连接结构时,先调整铰刀头部的跳动,再调整三个锥孔的加工刀片(法兰结构的原因)。若导管铰刀是直柄铰刀,则先调整三个锥孔的加工刀片或调整铰刀头部的跳动。

    ②座圈、导管加工刀具调整的难易程度

    两种刀具结构加工座圈锥孔的刀片调整难易程度相同,加工导管孔的刀具调整存在比较明显的差异。

    FHS结构铰刀的第一次调整比较难。由于调整铰刀头部的跳动需通过调整法兰结构来满足要求,因此铰刀头部的摆动最大点不一定与法兰结构的调整螺钉在一个角度上,调整费时。一旦法兰结构把FHS固定座调整好,FHS结构的新铰刀每次固定几乎都不再需要调整法兰,在一段时间内只需直接连接FHS接口固定即可。一旦铰刀的刀杆出现弯曲,则每次都必须调整法兰结构以满足铰刀头部的跳动。直柄铰刀主要通过调整刀柄头部的四个螺钉来完成(调整跳动的螺钉数量应与铰刀的刃口数量匹配)。

    直柄铰刀使用一定时间后,若刀杆有轻微弯曲,可以通过调整四个螺钉来满足跳动要求。

    ③调刀人员的调整影响

    加工汽缸盖的导管座圈刀具在加工座圈密封面时,有法兰结构的刀柄刚性弱于无法兰结构的刀柄刚性。在调整有法兰结构的刀柄时,如果螺钉调整不到位,加工密封面可能会出现轻微的振纹。有法兰结构的刀柄在加工座圈密封面时,部分有轻微振纹,部分没有;而无法兰结构的刀柄在加工密封面均无轻微振纹。除设备夹具和刀体本身的刚性因素外,这种现象与调刀人员对法兰结构的最后锁紧程度是否到位有较大的关系。

    ④上机复检铰刀头部跳动后的差异

    生产中,当替换上线的刀具在加工中出现跳动量偏大时,往往会在设备主轴上调整铰刀头部的跳动量。两种刀具的不同设计结构决定了铰刀头部跳动调整后的设备等待时间不同。直柄铰刀一般在设备上复检或者重新调整跳动后即可开机试切验证加工结果;而采用FHS连接的铰刀在设备上复检或者重新调整跳动(通过法兰结构调整来满足跳动)后仍不能马上开机试切零件,必须卸下刀具重新回刀具间,在对刀仪上复测座圈三角度刀片的相关尺寸。

    3  汽缸盖座圈、导管加工时的定位和粗加工

    加工零件的理想化定位状态是在现有设备夹具所具备的刚性条件下,充分满足零件夹紧足够稳定的条件。针对刀具加工座圈材料中出现的高切削力,加工对象的定位稳定性尤为重要。对于汽缸盖的座圈、导管加工,选择汽缸盖的燃烧室面和燃烧室面上的两销孔来定位,即“一面两销”来控制自由度。夹具的压紧点与座圈锥孔面的密封度加工结果有关系,应尽可能地将压紧点与支撑点重合在一个相向位置,两点(支承点与夹紧点)距离越小取向越理想。

    汽缸盖座圈、导管的粗加工是非常重要的一部分。大多数人认为粗加工仅仅是为了减少精加工的加工余量,是为了精加工的加工质量而进行的预加工,而精加工刀具才是决定产品质量的关键。因此在实际使用时较为注重精加工的状况,而忽视粗加工的加工状况。

    实际生产过程中,当粗、精加工刀具不设计配备三角度三刀片时(3+3形式),经常会出现粗加工刀具磨损或有微小崩口,导致座圈表面粗糙度值过大或者有台阶、断带等加工缺陷,这是精加工无法修正的,最终导致座圈泄漏量超差而报废。因此,粗加工刀具的加工质量控制不容忽视。

    4  座圈密封锥孔面的精加工

    座圈密封锥孔面的最终加工要达到工艺技术要求,除在高精度机床上配备合理的刀具外,还必须注意精加工时的余量设定、加工程序的最佳化和切削刀片的刃口合理处理等。

    (1)精加工余量的设定

    座圈密封带在工艺上有尺寸范围要求,并且密封带宽中心线与上、下两个角度面的交汇线距离也有要求。在加工过程中,一旦三刀片之间的磨损出现差异,势必改变90°密封锥孔面的中心线位置,故座圈三角度的加工余量设定是关键。

    假如在座圈三锥孔面粗加工结束时,三个角度的法向都留有相同余量(见图6,均为0.20mm),即三角度的刀片加工每一个锥孔面时,每一刀片在Z轴方向的实际切削加工长度不同(见表1)。

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    图6
    表1 缸盖座圈密封面精加工余量设定
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    从表1中可知,当主轴Z向进给时,进给量f=0.05mm,三角度的三刀片在法向0.20mm余量上切削有差异,即出现了被忽视的刀具主切削刃磨损的差异。

    将座圈粗加工后留的余量设定为:120°法向余量为0.243mm,90°法向余量为0.198mm, 60°法向余量为0.140mm,座圈刀具在Z轴方向进给的切削圈数相同,因为此时Z轴方向的切削距离均为0.280mm。以相同的进给量f=0.05mm进行切削,三刀片的切削圈数均为5.6圈,主切削刃刃口磨损几乎相同(见表2)。

    表2 缸盖座圈密封面精加工余量设定
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    图7为加工座圈三锥孔面的刀片主切削刃法向磨损。由于三锥孔面的加工刀片存在磨损差异,并能反映法向加工尺寸变化,从而反映三角度的交汇线尺寸变化。在三角度法向和Z轴轴向留相同的余量时,比较这两种状态下刀片主切削刃可知,法向所产生的变化远大于Z轴的轴向。由图7可知,法向留0.20mm余量时刀片磨损明显,若产品的精加工余量设定0.30-0.50mm,则三刀片的磨损尺寸差异会更严重。一般密封锥孔面的测量基线的宽度公差为±0.10,假如留相同的余量,因刀具存在磨损差异,会改变此测量基线的超差,即靠近凡尔线的宽度可能小于下极限。

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    图7
    (2)座圈三角度的锥孔面精加工程序编制

    座圈密封锥孔面的粗糙度与刀片的刃口处理和刀体的刚性有关,最后加工座圈锥孔密封面时需要选择合理的主轴转速和进给量。

    座圈密封锥孔面采用适合在数控设备上使用的复合刀具加工,对于座圈三个角度的精加工程序,将原加工到Z轴位置尺寸时主轴立即退出的程序进行优化,刀具进给到Z轴的设定位置尺寸,主轴在原Z轴位置转动3圈后才退出,这样可以保证座圈密封面的气密度达到要求。

    图8是三种车削形式加工的模拟座圈相同角度形状。图8a是座圈刀具加工到Z轴设定位置尺寸时,主轴上刀具无旋转立即离开加工面的形状(这个假设难以完成,仅作为分析问题描述);图8b是座圈刀具加工到Z轴设定位置尺寸时主轴刀具还在旋转中,刀具立即离开加工面的形状;图8c是座圈刀具加工到Z轴设定位置尺寸时,主轴上刀具在原Z轴位置继续旋转3圈以上再离开加工面的形状。

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    (a)
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    (b)
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    (c)
    图8

    图9、图10为某汽缸盖的进、排气座圈密封锥孔面的泄漏量超差至满足工艺要求的比较数据。对于汽缸盖的进、排气座圈密封锥孔面的泄漏量,产品允许的最大值为400cc/min,设备初期加工零件的检测结果为:进气座圈密封锥孔面的泄漏量最高达到813cc/min;排气座圈密封锥孔面的泄漏量最高达到1239cc/min。通过加工程序的优化,刀具加工到Z轴位置时,在原Z轴尺寸位置再旋转3圈,使进、排气座圈密封锥孔面得到平整的密封带,这样可彻底解决座圈密封锥孔面的泄漏量超差问题。

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    图9
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    图10
    小结

    综上所述,在汽缸盖座圈、导管的加工中,虽然气门座圈密封锥孔面的泄漏量、座圈对导管基准的跳动为两大质量控制难题,但是只要按照一定的经验实施相关环节的加工工步,通过对气门阀座和导管孔多种加工技术的分析,即可得到一套提高加工精度的方法。选择高精度机床,采用合理加工工艺,选用各种有利因素舍弃不利元素,消除各过程中的小误差累积,其泄漏量和跳动量完全能达到产品设计要求,并最终达到精益生产的目的。

    原载《工具技术》  作者:许伟达

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