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缸盖柔性生产线的工艺装备及技术 |
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作者：哈尔滨东安汽车动力公司 张佰军 来源：AI汽车制造业 |
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我公司生产微型汽车发动机经验丰富，技术实力强，产品质量稳定，在国内微型汽车发动机市场上占有重要地位。为增强企业的市场竞争力，我公司开发研制了某款新型汽油发动机。该发动机采用直列四缸、单缸四气门结构，双顶置凸轮轴，平底挺柱（无摇臂，凸轮轴直接驱动气门工作），排量为1.075L，性能优良，技术领先国内水平。
由于新型发动机气缸盖（见图1）与公司传统的气缸盖存在着较大区别，其结构更加复杂、精度要求更高，技术难度很大，在原生产线上无法生产，为此公司组建了一条新气缸盖生产线。
图1 新型发动机气缸盖
生产线的装备情况
气缸盖是典型的箱体类零件，结构复杂。新气缸盖生产线要求多种产品共线生产，同时还要考虑后续产品的升级改进工作，因此，新线采用了全柔性方案，设备以加工中心为主。气缸盖柔性生产线设备以进口为主，线上单机生产，人工上下料，自动夹紧，自动加工，工序间采用自动输送线输送。
1. 主要加工设备
气缸盖柔性生产线由粗加工线和精加工线两部分组成，粗加工线由日本MAKINO公司和大隈公司的设备组成，精加工线由原德国Hüller hille公司和EX-CELL-O公司的设备组成。上述设备均为卧式加工中心，四轴可控，三轴联动加工。
粗加工线承担气缸盖大部分孔系的加工内容，主要设备有：大隈公司的MA-50HA型加工中心（见图2），主轴最高转速达12 000r/min，各轴定位精度为0.01mm，重复定位精度0.006mm；MAKINO公司的J4M型加工中心，主轴最高转速可达16 000r/min，各轴定位精度为0.006mm，重复定位精度为0.003mm，换刀时间1.7s（T-T）。
图2 大隈公司的MA-50HA型加工中心
精加工线主要用于精加工底平面、气门导管、气门阀座和凸轮轴孔的精加工，加工难度较大，采用了大量的先进加工技术。主要设备有：Hüller hille公司的SPECHT 500型加工中心，主轴最高转速为12 000r/min，各轴定位精度0.01mm，重复定位精度0.006mm；EX-CELL-O公司的XS321型加工中心（见图3），主轴最高转速为8 000r/min。
图3 EX-CELL-O公司的XS321型加工中心
另外，生产线上还选用了自动化程度非常高的日本岛田6553专用气缸盖清洗机。该设备采用涡流清洗和真空干燥方法，使复杂型腔内的铝屑能随涡流流出，可靠地保证了零件的清洁度要求。
为降低劳动强度，保证产品质量，批次号打印工序，气门座、气门导管和碗形塞片的压装工序以及气密性试验、凸轮轴轴承盖螺钉拧紧等工作均采用专用设备进行。其中，拧紧凸轮轴盖螺钉的力矩拧紧机采用德国博世公司生产的MtB/PVA12，该拧紧机操作方便，工作稳定。
气缸盖柔性生产线对工件的气门导管、气门座和其安装孔处尺寸的测量选用了专用的进口测量设备，分别为德国HOMMEL公司的电子量仪和日本东京精密的气动量仪，具有操作方便、人为因素影响小、测量精度高的优点。
此外，整条生产线全部采用了专用机动滚道，大大降低了操作者的劳动强度，有效地减少了工件传送易产生磕碰伤的问题，同时也方便了现场管理。
2. 零件的定位及夹具的设计
加工过程中合理选择工件的定位方式对保证工件的加工质量有着重要的意义。根据气缸盖的结构特点，粗基准采用6点定位原理，底面3点定位，排气面2点，后端面1点。精基准采用“一面两孔”定位，气缸盖精基准的选择满足了“基准统一”原则。采用这种“一面两孔”的定位方式，可以很简便地限制工件的6个自由度，定位稳定可靠，夹紧变形小，易于实现自动定位和自动夹紧，便于操作。
为保证加工过程中工件定位夹紧的可靠性，气缸盖柔性生产线上的加工中心均采用了专用液压夹具。该夹具具有如下功能：夹紧力可视可调整，在满足加工要求的情况下，可以最大程度地减小工件的装夹变形；各定位面设有气密性检测功能，加工时使工件与定位面能正确接触，保证了工件的定位精度；同时，还具有自动冲洗夹具定位面功能；为方便操作，在夹具上还设置了工件粗限位和防止工件脱落等装置，减小了操作者的劳动强度。
另外，为了提高机床的工作效率，所有加工中心均采用了双托盘结构，每个托盘上安装一套夹具。这样，在机床工作的同时，操作者可利用外侧的夹具装卸工件，避免了装卸工件占用加工时间。
3. 刀具的选择
新型气缸盖本体材料为铸铝，切屑较粘且易粘刀，而进、排气门座和气门导管的材料是粉末冶金，特点是硬度高，这些都给切削加工带来了一定的困难。
为了获得较高的产品质量，我们的刀具均采用进口产品，主要厂家有德国MAPAL和日本马克托罗、三菱等，刀具材料大部分采用硬质合金。在凸轮轴孔和气门导管、气门阀座等精度要求高的部位还采用了PCD、CBN刀具，在加工过程中采用较高的切削速度，较低的进给量。
由于铸铝气缸盖的加工多为高速切削，因此，刀具与主轴接口采用了HSK结构。该结构的刀柄后部锥面和端面同时与机床主轴配合，定位精度高，特别适合高速切削。
为保证产品的加工质量，提高刀具使用寿命，加工时在浇注外部冷却液的同时，大多数刀具还采用了内冷功能。高压冷却液通过机床主轴从刀具内部冲出，浇到切削刃上，然后带着切屑从刀具的排屑槽排出，可以起到很好的冷却、润滑、排屑的功效。
生产线上的关键工艺技术
由于新气缸盖结构复杂，加工精度又高，针对不同的结构做好加工工艺分析、并制订合理的工艺方案对保证气缸盖的加工质量有着重要的作用。
新型气缸盖关键加工工艺的具体分析如下：
1. 气缸盖气门座、气门导管孔系统的加工
气门座圈和气门导管的加工是整个气缸盖机械加工的关键，其加工精度对发动机的性能有着重要影响。为保证气门座圈工作锥面对导管孔的跳动、气门座锥面表面粗糙度、气门导管的直线度以及对其外圆同轴度的影响，减少工序成本、提高生产效率，需要从气门座圈与导管孔底孔的加工、专用复合刀具的采用、刀具材料的选择、冷却方式、切削参数等各影响因素的分析、控制来满足加工工艺要求。
底孔的同轴度误差会造成气门阀座和导管孔精加工余量的分配不均，从而影响到终加工精度，因此，气门导管、气门座安装孔的加工采用硬质合金复合镗刀一次完成。
气缸盖气门座、气门导管孔尺寸精度要求高（见图4），材料均为粉末冶金，特点是硬度高、加工难度大。对此，气门导管、气门座的加工采用进口MAPAL复合镗铰刀（见图5）。该镗铰刀为机夹刀片结构，刀片材料为CBN，使用寿命长，专用复合刀具要求的刚性足够，制造精度高、径向跳动小、同轴度高，还需有较小的不平衡量。
图4 气缸盖气门座、气门导管结构
图5 气门导管、气门座的加工采用进口MAPAL复合镗铰刀
2. 气缸盖凸轮轴孔的加工
气缸盖凸轮轴孔的直径公差、圆度、粗糙度、同轴度以及孔位置等精度要求都很高，加工难度大。如果5个同轴的凸轮轴孔从两侧加工，加工时，机床回转工作台（B轴）需带工件回转180°。由于工作台回转后存在误差，无法保证凸轮轴孔的加工精度，因此只能采用长刀杆（见图6），从缸盖一端进刀一次加工完成5个孔。
图6 凸轮轴孔加工刀具
在新缸盖生产线中，根据凸轮轴孔的精度要求，将凸轮轴孔的加工分粗加工、半精加工和精加工三步来完成。
首先，在装配凸轮轴轴承盖之前，先进行粗加工，用球头铣刀铣出两组半圆孔，留出单边0.75mm的加工余量。然后，在装配凸轮轴轴承盖之后，再采用整体镗刀（焊接PCD刀片）进行凸轮轴孔的半精加工。最后，为保证凸轮轴孔的加工精度，采用专用的整体硬质合金镗刀进行精加工，根据工件的结构特点，进、排气凸轮轴孔设计采用同一把刀具加工。
由于工件凸轮轴孔处结构的限制，精加工的镗刀杆长度直径比大，刀杆刚性降低，因此，精加工镗刀杆采用了PCD支撑导条的结构。其作用如下：防止加工中刀杆的振动，提高孔的形状精度和表面质量；通过导条的支撑作用，可以避免刀杆在加工过程中由于切削力的作用而产生的让刀现象，可以提高加工孔的尺寸精度；通过导条可以在已加工孔中起到导向作用，保证了凸轮轴孔的同轴要求。由上述分析可以看出，支撑导条结构对保证凸轮轴孔的加工质量起到了重要的作用。
结束语
目前，这条生产线已投入批量生产，加工产品质量稳定，生产线顺利通过了实际生产使用的考验，哈尔滨东安汽车动力股份有限公司的这条缸盖柔性加工线已成为先进缸盖加工线的成功案例。 (end)
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(11/15/2008) |
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