铸造铝合金缸体加工

作者：    来源：中国机械与金属

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 传统能源的供应日益见紧，环境保护的压力日趋加大，使汽车向小排量、高功率、低油耗、低排放方向发展。因而对发动机的性能要求越来越高，发动机正在采用高性能、高强度材料，材料的强度的提高对机械加工提出了更高的要求，对机床、刀具、加工工艺提出了更高要求。现以发动机的缸体加工谈谈点滴体会。 零件结构及材料 缸体是发动机的基础件，更是关键件。上表面是缸盖安装面，下表面与油底壳配合，前面有前罩盖，后面是变速器，左右分别是进排气面。各大平面形状精度高、尺寸精度高，相互位置准确，表面粗糙度低。缸体上还有活塞往复运动的汽缸孔和安装曲轴的主轴承孔；更密布有油道、水道，大大小小的定位孔和螺纹孔。 缸体材料为铸造铝合金ZL111，这种铝合金有良好的铸造性，铸件外观状态好、精度高；强度高、气密性好、耐高压；经热处理后力学性能是硅铝系合金中最好的，同时又具有良好的加工性，适于机械加工。铸件公差按GB/T6414-CT7级，不允许有裂纹、冷格、缩孔、疏松、及浇不足；为提高铸件强度，增加了必要的加强筋。 精度简述 （1）上下平面是缸体的基本表面，在Smax＝377×325m㎡的范围内，表面粗糙度Ra1.6。 （2）前、后面，表面粗糙度Ra1.6。 （3）底面上2-∮13H7销孔与底面一起构成了缸体的设计基准和工艺基准；顶面上的两个销孔是缸盖的安装定位基准，前后面各有两个销孔分别为前罩盖和变速器壳体的安装定位，其余的孔则为螺纹孔和油孔。 （4）缸体上最重要的孔是缸孔和曲轴孔。活塞往复高速运动，使缸孔即承受活塞环的摩擦力又承受高温燃气的膨胀压力和热应力，既有交变载荷又有冲击载荷。含磷耐磨铸铁L111做的缸套，在缸体浇注时即镶铸在缸体中，使缸孔在苛刻的工作条件下，具备良好的性能，满足了发动机工作需要。 缸孔的具体参数和精度：四个缸孔4-∮G±0.01mm、表面粗糙度RzDIN2～5μ。 （5）主轴孔即为曲轴安装定位又为曲轴工作定位，承受曲轴高速旋转的摩擦和冲击。为确保曲轴定位稳定可靠，选用了灰铸铁做主轴承盖，这样主轴孔就由双金属构成。孔的具体参数：直径∮K﹢0.016、表面粗糙度Ra0.8。 可见汽油发动机的缸体是一个精度高、结构复杂的薄壁箱体件。欲实现缸体的高速、高效、高质量加工，必须将机床、刀具、材料诸多因素综合考虑，而把这方方面面有机地串联在一起的就是加工工艺，因此欲实现缸体的高速高效加工必须有科学、先进、合理的加工工艺。 工艺路线 工艺路线影响产品质量、影响生产效率、影响生产成本，必须合理安排。确定工艺路线的原则： （1）保证产品符合设计图样及相关技术资料要求，并且质量稳定。 （2）有利于发挥设备及工艺系统的效能，方便操作，物流合理。 （3）尽量做到生产周期短，效率高，成本低。 缸体加工的工艺路线如下： （1）毛坯予加工形成了底面的一面二销的工艺基准；以此为基准完成排气面各凸台的加工，形成转换基准。 （2）以排气面凸台定位，加工底面及二定位销孔，形成底面的‘一面两销’工艺定位基准，同时粗加工缸孔，粗铣顶面。本工序结束前以较小加工余量对底面及定位销孔进行一次精加工，确保底面的平面度、与顶面的平行度、及好的尺寸精度和较低的粗糙度，为以后的各工序准备一个好的工艺基准。 （3）以底面的“一面两销”为基准，加工主轴承盖安装面、曲轴半圆孔；精加工前后面控制两面的平面度、垂直度、位置度和表面粗糙度，加工前、后面，上面的孔系。装配主轴承盖。 （4）精镗曲轴孔，缸孔；最后以较小的余量对底面进行精加工，确保底面有好的平面度、低的表面粗糙度和与顶面的平行度。 （5）绗磨缸孔，铰绗曲轴孔。 （6）最终检验。 加工的时候请切记：缸体内腔多、壁厚薄、压紧点要合理，压紧力要适当，避免出现安装、定位、压紧变形。 机床的选用 高速加工中心，主轴最高转速16,000rpm，X、Y、Z轴进给速度可在1-6,000mm/min内随意调节，快进速度60m/min，B轴转速40rpm（360×1°旋转分度工作台），主轴最大功率20/30kW，最大扭矩95/143N﹒m，X、Y、Z线性轴定位精度0.0021mm，重复定位精度0.00125mm。双托盘，装卸零件和加工同时进行，提高了加工效率。 经调研、考察，及针对缸体的精度、产量及加工节拍进行具体分析，该机床无论主轴功率、扭矩，主轴转速，进给速度，还是进给精度、定位精度以及重复定位精度，完全可以满足产品精度需要和产品加工要求。 刀具的选用 刀具是机械加工中最关键、最活跃的因素，它敏感地影响加工质量和生产效率，应慎重选择并经实际加工确认。应用于加工中心进行高速、高效切削的数控刀具不仅要硬度高、耐磨性好，还应该强度高、韧性好，同时还要： （1）具有高的可靠性——切削稳定、质量一致、换刀次数少、寿命长。 （2）安装精度高、重复定位好，互换性好、快换性强。 （3）系列化、标准化、通用化。 （4）具有良好的断屑性、排屑性。 面系加工 如前所述，缸体的六个面是发动机的基本安装面，欲保证发动机的精度和性能必须控制好缸体的六个平面的精度，尤其底面是缸体加工的主要工艺基准。为此缸体平面加工刀具选用了KSCM-AluMill高速面铣刀。KSCM-AluMill面铣刀，钢制刀盘铝制刀体，即有足够的刚性又减轻了重量，且双金属结构有利于减震。PCD刀片高导热性、低摩擦系数，更有极高的硬度、优良的耐磨性；该刀具高的金属去除率，低加工毛刺，有利于提高加工效率，高速切削时尺寸稳定、寿命长，效率高、质量好，非常适用于加工含硅铸造铝合金。几个月的加工实践也证明了这一点。 孔系加工 复合刀具有利于提高加工效率，阶梯钻是最简单、最常用的复合刀具。缸体的孔系加工选用了180°顶角阶梯钻头： 180°顶角，钻孔时几乎没有径向力，四条直线韧带沿圆周对称分布，导向性好，兼具修光作用，孔的直线度和位置度得到大幅提高。缸体的螺纹孔以及安装孔钻孔选用了这种180°顶角阶梯钻头。 三刃阶梯钻：圆周均布三个切削刃，钻芯比二刃钻头厚，强度高，弥补了硬质合金韧性差的弱点；其刀尖前端形状特殊，可自动定心，不需予加工中心孔；切削刃多增大了每转进给量；强度高，可进行高速切削，大幅度缩短了加工时间，提高了加工效率，此钻头尤其适于加工深孔；其尺寸精度最高可达H9，位置精度最高可达±0.011mm，粗糙度Ra2.5～10，最高切削速度可达Vmax＝350m/min。缸体的油孔加工，尤其深油孔加工采用了三刃 阶梯钻。 孔系加工的又一重要内容是挤压螺纹，挤压丝锥的挤压使被加工材料产生塑性变形而使螺纹成型，它不像切削成型的螺纹被切断了金属纤维，挤压螺纹的金属纤维是连续的，因而强度高，常被用于连杆螺栓、主轴承盖螺栓、缸体连接螺栓等高强螺栓连接。挤压加工内螺纹的关键是准确给出挤压前的孔的尺寸——孔小，挤压变形的金属多，将使丝锥被挤坏；孔大，挤压变形的金属少，螺纹充不满。经反复试验，终于摸索出了最佳数据，成功地完成了挤压螺纹加工。 金刚石铰刀是适应高精度大批生产的需要发展起来的一种精密孔加工刀具。缸体定位销孔的精加工使用了分体式可转位金刚石铰刀，切削速度V＝400～500m/min，充分发挥了高速加工中心的性能，提高了加工效率。抽检产品Φ8R8(－0.019/0.041)、Φ10R8(﹦0.0410/0.019)、Φ13H7(＋0.018)三组孔，尺寸变动范围在0.014mm之间，尺寸精度最大误差不到公差的60% ，平均误差＜0.005mm，孔表面粗糙度＜Ra0.8，圆柱度误差＜0.008mm。实现了产品加工的高精度高效率。 双金属曲轴孔精镗和铰绗 缸体的主轴承盖材料为灰铸铁，因而曲轴孔由双金属构成，上半圆灰铸铁，下半圆铸造铝合金，二者强度不同、硬度不同，因而切削抗力不同，加工后不同材料处孔的半径也不同，实质就是孔不圆。双金属增加了曲轴孔的加工难度。如何保证孔的圆度、圆柱度成了曲轴孔加工的关键。 经反复论证，并参考德国宝马公司的成功经验，采用精镗-铰绗工艺。 欲控制双金属曲轴孔精镗后的圆度和圆柱度，必须解决镗刀的弹性变形和轴向位移两个问题。镗削过程中，如果镗刀刚性不好，材料的切削抗力使镗刀产生弹性变形，双金属，不同金属抗力不同，刀具的弹性变形也不等，则破坏了孔的圆度。如果定位间隙较大，灰铸铁产生的较大的切削抗力将把镗刀推向铝合金一侧，镗孔后铝合金半圆的半径大，灰铸铁半圆的半径小，测量结果也验证了这点。为此首先增加刀片和刀轴的刚性，其次增加镗刀出口引导和定位，最佳的引导--定位状态，是无间隙滑配合。恰当的精镗余量，使精镗时双金属孔的切削抗力基本相等，是保证双金属镗孔的精度的又一重要条件，上述三项措施确保了曲轴孔的精镗精度。实际加工中选用了四刃可转位精镗刀，精镗后尺寸精度误差δ＜0.018mm，同轴度误差＜0.016mm，最小仅0.0021mm，圆度误差＜0.008mm，粗糙度＜Ra1.6 。 铰绗的作用在于进一步改善孔的表面状态，提高尺寸精度，更重要的在于改善孔的形状精度和位置精度，即提高孔的圆度、圆柱度及同轴度。铰与绗是一个工步、一把刀前端铰刀铰孔，紧接着后段绗磨油石进行绗磨，消除铰孔刀痕，提高孔的圆度和圆柱度，改善孔的表面粗糙度。为确保铰绗后孔的形状精度和尺寸精度以及曲轴孔的同轴度，铰孔的加工余量、铰后绗磨的绗磨余量要适当，加工余量小不足以消除精镗留下的加工痕迹及误差，余量大则双金属的不等切削抗力使孔的形状误差重新变大。 铰绗使曲轴孔圆度、圆柱度、同轴度获得极大改善，完全满足产品精度要求，以圆度为例，允差0.006mm，实际在0.005mm以内，最小仅0.00174mm。加工效率满足节拍要求，至今已加工数万件质量良好。 缸孔加工 缸孔加工是缸体加工的又一重点，缸孔精度的好坏影响发动机的性能，所以缸孔加工必须慎之又慎。 缸孔加工工艺：镗孔：粗镗、精镗 ---> 绗磨：粗绗，精绗、平台网纹绗磨。 镗孔 粗镗——去除多余金属，消除缸孔毛坯误差，为精镗建立尺寸精度、孔的形状精度，一句话为精镗做好准备；面对强度高、耐磨性好的含磷铸铁缸套，约4mm的加工余量，选择了硬度高、摩擦系数低耐磨性好的立方氮化硼刀具。两刃粗镗刀，一次去掉了缸孔的绝大部分多余金属，切削速度达到200m/min。 精镗——欲确保绗磨的高精度，稳定的质量，必须绗磨余量适当、基础精度适当（孔的圆度、柱度、尺寸精度、表面粗糙度），精镗就是为绗磨做准备，留有合适的余量、提供合适的基础精度。三刃精镗刀，单面加工余量0.3mm左右，将绗磨余量控制在0.045~0.075mm之间；齿进给0.2mm，切削速度189m/min，进给速度510mm/min，精镗后缸孔圆柱度误差≯0.015mm，达到了为绗磨做好准备的目的。 绗磨 粗绗磨——去除余量，消除精镗痕迹； 精绗磨——确保绗磨尺寸精度、形状精度，形成网纹沟痕； 平台绗磨——消除沟痕尖峰，形成平台，建立缸孔表面的平台网纹结构。 绗磨机实际为一条双立轴绗磨自动线，缸孔精镗后由机动辊道输送至绗磨工位，进行型号识别及尺寸检测，按型号及尺寸调出加工程序，机床第一立轴逐孔步进，进行1～4缸孔粗绗磨，全部缸孔粗绗磨完成后，机动辊道将缸体送至精绗磨工位，机床第二立轴进行1～4缸孔的精绗磨、平台网纹绗磨。第二轴的绗磨头为双涨舒绗磨头，先进行缸孔的精绗磨，合格后精绗磨油石缩回，平台绗磨油石涨出，进行平台绗磨。缸孔的精绗磨和平台网纹绗磨由同一个绗磨头一次安装定位完成，避免了重复定位误差，确保了绗磨精度。整个粗绗磨、精绗磨、平台绗磨过程中，绗磨条的涨舒量、进给速度、绗磨头的轴向进给速度、轴向行程、上下超越量、圆周旋转速度都按预设程序进行，只要修改有关程序即可调整参数。机床有自动测量、补偿、修正功能，可以根据测量结果自动调整加工程序，修正加工误差，将缸孔绗磨后的尺寸精度、形状精度严格控制在公差中线附近。 缸孔绗磨要注意的问题 （1）绗磨余量要合适。余量小，不能充分消除缸孔固有误差，重新建立精度；余量大，绗磨时间长，加工效率低，油石磨损快，加工成本高而且加工精度差，质量不稳定。 （2）油石涨出量、涨出速度应与金属的切除量和切除速度一致。切除的金属多油石涨出的少，将出现空行程，浪费机动时间，降低加工效率；切除的金属少，油石涨出的多，油石与缸孔挤压，造成缸孔变形，严重时将撞碎油石，不仅影响加工速度而且破坏了精度。 （3）绗磨的质量和效率主要取决于油石的切削性能。油石的切削性能好，则绗磨速度快、效率高；反之油石切削性能差，金属去除率低，则油石挤压缸孔，甚至出现撞碎油石的现象。此时缸孔的尺寸精度、形状精度、缸孔表面网纹状态都很差。 （4）油石的切削性能取决于油石的磨粒材料、粒度和结合剂，最后表现于油石的硬度。硬度高弹性低，切削性能差；硬度低，油石软，脱粒快，油石很快磨损。 （5）绗磨常用的磨粒材料有金刚石、刚玉、碳化硅等；切削性能好常用的是金刚石磨料，粗绗油石常用粒度151粒或126粒，常用的是D151金刚石绗磨条或D126金刚石绗磨条；精绗油石一般是64粒或46粒，常用的是D64金刚石绗磨条或D46金刚石绗磨条；平台网纹绗磨效果比较好的磨料是碳化硅，常用的是C30碳化硅平台绗磨条。 至此缸体的机械加工已全部完成，为及时发现问题，确保产品质量可靠、受控，安排了最终检测工序，进行最终检测、打标。 缸体加工结束了，但机械加工的发展是无止境的，高精度、高效率，低成本，是机加人的不懈追求，努力提高，锐意改善，让我们为发动机缸体加工的进步，为汽车发动机技术的进步再接再励进取不止。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/10/2014)