左 楊，翁雪軍

（南京汽車集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210016）

缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件之一，缸蓋座圈錐面的加工品質(zhì)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率、油耗、排放都有非常重要的影響。針對(duì)缸蓋座圈品質(zhì)精度高、一致性好的產(chǎn)品要求，汽車行業(yè)越來越多地采用CNC 數(shù)控加工中心和精密復(fù)合型刀具[1~2]，以敏捷、柔性、精益的制造方式，適應(yīng)多品種、小批量、高節(jié)拍和節(jié)能、環(huán)保的市場(chǎng)新需求。汽車缸蓋座圈加工工藝，正在朝向更加深入微觀和更加精準(zhǔn)精密的方向發(fā)展。

到目前為止，市場(chǎng)上主流汽車設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋座圈，一般都是由3個(gè)座圈錐面組成的，分別是氣流進(jìn)口引導(dǎo)座圈錐面，氣流密封座圈錐面和氣流內(nèi)倒角座圈錐面，如圖1。

圖1 16 氣門缸蓋及其座圈錐面

現(xiàn)在，除了密封座圈錐面外，對(duì)氣流進(jìn)口引導(dǎo)座圈錐面，也提出了新的更高的要求。

本文主要探究調(diào)控氣流進(jìn)口引導(dǎo)座圈錐面的寬度尺寸，改善缸蓋吸氣時(shí)氣體流動(dòng)的平順性和穩(wěn)定性，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋進(jìn)氣性能一致性的方法，其他座圈錐面，可以此推演。

1 缸蓋座圈錐面的加工方法

1.1 問題的來源

缸蓋座圈錐面因功能不同，要求的角度也不相同。按氣體流進(jìn)缸蓋燃燒室的方向的順序來講，氣流進(jìn)口引導(dǎo)座圈錐面60°角，氣流密封座圈錐面90°角，氣流內(nèi)倒角座圈錐面150°角。缸蓋吹氣實(shí)驗(yàn)顯示，氣流滾流比對(duì)功率損失有重要影響。通過筆者所在單位技術(shù)中心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明[3]：缸蓋氣流進(jìn)口引導(dǎo)座圈錐面60°角的寬度尺寸，是影響缸蓋吸氣滾流比的關(guān)鍵因素之一。

1.2 加工過程方法分析

為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能，缸蓋普遍選用可變相位四缸雙凸輪16 氣門的設(shè)計(jì)技術(shù)，充分加大缸蓋的進(jìn)氣量。加工16 氣門缸蓋座圈錐面會(huì)延長切削時(shí)間，為了盡可能地減少缸蓋座圈錐面切削時(shí)間，目前，主要采用加工中心（如圖2）與MAPAL 雙鏜鉸動(dòng)力頭相結(jié)合的布置方式（如圖3）。

圖2 加工中心示意圖

圖3 MAPAL 鏜鉸動(dòng)力頭

當(dāng)加工四缸雙凸輪16 氣門缸蓋座圈錐面時(shí)，MAPAL 1# 鏜鉸頭加工缸蓋第1、2 缸的座圈錐面，MAPAL 2#鏜鉸頭加工缸蓋第3、4 缸的座圈錐面。

座圈切削加工順序與缸蓋進(jìn)氣氣流方向正好相反，從缸蓋底平面燃燒室的座圈向缸蓋進(jìn)氣道內(nèi)的導(dǎo)管方向進(jìn)行切削加工，可分為3個(gè)步驟（如圖2）：

第一步，加工中心軸Z 伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)（－），驅(qū)動(dòng)主軸上的鏜鉸頭前進(jìn)到達(dá)座圈錐面切削加工的開始點(diǎn)；加工中心軸W1、W3 步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)（－），分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MAPAL 鏜鉸頭里面的中間滑動(dòng)套筒前進(jìn)（圖示3），中間滑動(dòng)套筒前進(jìn)帶動(dòng)滑塊向中心做收攏運(yùn)動(dòng)，滑塊上安裝的刀具與滑塊做相同軌跡的運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，軸Z 伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)（+），驅(qū)動(dòng)整個(gè)鏜鉸頭后退，通過CNC 數(shù)控程序控制，刀具沿著軸Y、軸Z 兩個(gè)方向作合成運(yùn)動(dòng)，使刀具對(duì)座圈做切削加工得到氣流內(nèi)倒角座圈錐面150°角。

第二步，加工中心軸W1、W3 步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)（－），分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MAPAL 鏜鉸頭里面的中間滑動(dòng)套筒繼續(xù)前進(jìn)，中間滑動(dòng)套筒前進(jìn)帶動(dòng)滑塊，滑塊帶動(dòng)刀具繼續(xù)向中心做收攏運(yùn)動(dòng)，由于MAPAL 鏜鉸頭滑塊本身的運(yùn)動(dòng)軌跡為90°，此時(shí)刀具對(duì)座圈做切削加工正好得到氣流密封座圈錐面90°角。

第三步，加工中心軸W1、W 3 步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)（－），分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MAPAL 鏜鉸頭里面的中間滑動(dòng)套筒再繼續(xù)前進(jìn)，中間滑動(dòng)套筒前進(jìn)帶動(dòng)滑塊，滑塊帶動(dòng)刀具向中心做收攏運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，軸Z 伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)（－），驅(qū)動(dòng)整個(gè)鏜鉸頭前進(jìn)，通過CNC 數(shù)控程序控制，刀具沿著軸Y、軸Z 兩個(gè)方向作合成運(yùn)動(dòng)，使刀具對(duì)座圈做切削加工得到氣流進(jìn)口引導(dǎo)座圈錐面60°角。

1.3 工藝過程方法分析

理論上，缸蓋氣流密封座圈錐面90°角的寬度尺寸在空間位置上向前移動(dòng)（接近缸蓋底平面），缸蓋氣流進(jìn)口導(dǎo)向座圈錐面60°角的寬度尺寸就被延長，90°角的寬度尺寸在空間位置上向后移動(dòng)（遠(yuǎn)離缸蓋底平面），60°角的寬度尺寸就被縮短。但是，90°角的寬度尺寸在燃燒室里的空間位置是不允許變化的，或者說座圈錐面密封線深度是不允許變化的。例如在某型號(hào)的缸蓋90°角的寬度尺寸上規(guī)定測(cè)量基準(zhǔn)直徑Φ28.03。在工藝技術(shù)上，為了增加60°角的寬度尺寸而又要保證90°角的寬度尺寸和深淺尺寸都不能變化，可以將90°角的寬度尺寸組成的線段，沿著它自己原來的空間軌跡向外做移動(dòng)。

這種空間移動(dòng)有兩個(gè)實(shí)現(xiàn)方法：

（1）刀具調(diào)整方法。分別調(diào)整MAPAL 刀具徑向、軸向的2 顆螺釘，使刀具刀尖先沿著鏜鉸頭軸向向內(nèi)收斂（縮短），再使刀具刀尖沿著鏜鉸頭徑向向外伸出（加高）。這樣刀具刀尖相對(duì)于缸蓋座圈做了向外、向上運(yùn)動(dòng)后，又返回到90°角的原來軌跡的延長線上。即在空間位置上軌跡不變化，只是起始點(diǎn)做了移動(dòng)。

（2）程序調(diào)整方法。是按照空間軌跡不變化起始點(diǎn)移動(dòng)的坐標(biāo)參考點(diǎn)編寫新程序，通過CNC 數(shù)控程序控制步進(jìn)電機(jī)（軸W 1、軸W3）,伺服電機(jī)（軸Z）按照新的數(shù)控程序做聯(lián)動(dòng)，使刀具刀尖沿著90°角的原來軌跡做運(yùn)動(dòng)，得到切削加工出來的90°角的寬度尺寸相等、位置沿著原來的空間軌跡移動(dòng)的線段。

2 實(shí)際應(yīng)用

某汽車研究中心通過缸蓋吹氣實(shí)驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)，缸蓋氣流進(jìn)口引導(dǎo)座圈錐面60°角的寬度尺寸對(duì)氣道滾流比影響較大，轉(zhuǎn)換到缸蓋氣道性能上有5%左右的影響。經(jīng)過對(duì)1.5T 缸蓋測(cè)量發(fā)現(xiàn)缸蓋第1、2 缸座圈60°角寬度與第3、4 缸寬度差異較大，其中3、4 缸寬度較小，對(duì)性能影響不利。

寬度測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 刀具調(diào)整前6 件缸蓋3、4 缸氣流進(jìn)口引導(dǎo)座圈錐面60°角的寬度尺寸表 （單位：mm）

2.1 對(duì)影響60°角寬度的因素分析

針對(duì)座圈加工提出的新問題和座圈加工實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用上述缸蓋座圈錐面加工實(shí)際與理論相結(jié)合的分析方法，就可以完成調(diào)控缸蓋60°角座圈錐面的寬度尺寸，滿足缸蓋吸氣性能對(duì)座圈錐面的技術(shù)要求。

圖4 為1.5T 缸蓋進(jìn)氣座圈尺寸示意圖。

圖4 1.5T 缸蓋進(jìn)氣座圈尺寸示意圖

按照缸蓋座圈加工先后順序來分析，缸蓋氣流內(nèi)倒角座圈錐面150°角的理論寬度尺寸為1.12 mm，氣流密封錐面90°角的理論寬度尺寸為（1.20 ±0.20）mm，氣流進(jìn)口導(dǎo)向座圈錐面60°角的理論寬度尺寸為0.628 mm。60°角寬度尺寸的線段的長短，受到90°角端點(diǎn)坐標(biāo)位置和座圈內(nèi)徑拔模斜度5°角的共同影響。

座圈中心線的軸向：軸Z（深度水平方向）；中心線的徑向：軸Y（高度垂直方向)，從水平和垂直兩個(gè)方向，來研究氣流進(jìn)口導(dǎo)向座圈錐面60°角的寬度尺寸的變化。如圖5。

圖5 60°角的寬度尺寸計(jì)算示意圖

（1）在Z 軸（深度方向）上來討論。

如公式（1），深度尺寸h1每增加0.10 mm，座圈錐面60°角的寬度尺寸增加0.020 6 mm。對(duì)座圈寬度尺寸影響有3個(gè)因素，座圈底孔加工深度（14.343±0.12）mm，座圈厚度（6±0.05）mm，座圈加工深度（8.19±0.20）mm，累計(jì)公差0.37 mm，代入公式（1），計(jì)算得到影響座圈錐面60°角的寬度尺寸0.076 mm。

（2）在軸Y（高度方向）上來討論。

如公式（2），高度尺寸h2每增加0.10 mm，座圈錐面60°角的寬度尺寸增加0.236 mm。對(duì)座圈寬度尺寸影響有4個(gè)因素，座圈底孔位置度0.065 mm，座圈內(nèi)徑（26.3 ± 0.12）mm，座圈同軸度0.075 mm，座圈錐面同軸度0.065 mm，累計(jì)公差0.325 mm，代入公式（2），計(jì)算得到影響座圈錐面60°角的寬度尺寸0.766 mm。

（3）座圈錐面60°角的寬度尺寸計(jì)算

當(dāng)切削起點(diǎn)移動(dòng)沿Z 軸和Y 軸分別調(diào)整0.1 mm，代入公式（1）、（2）、（3），寬度增量0.215 mm。

2.2 實(shí)際加工結(jié)果

通過調(diào)整NC 程序，刀具切削軌跡起點(diǎn)沿Z 軸調(diào)整0.1 mm，試切了8個(gè)缸蓋，測(cè)量結(jié)果見表2。

如表2 數(shù)據(jù)所示，3、4 缸座圈錐面60°角的寬度尺寸，由0.365 1 mm 加寬到0.585 7 mm，增量0.221 mm，理論與實(shí)際相差值0.006 mm，達(dá)到汽車研究中心對(duì)1.5T 缸蓋氣道“吹氣試驗(yàn)”的技術(shù)要求。

3 結(jié)束語

缸蓋座圈錐面60°角的寬度尺寸，及其所在空間位置的控制方法，可用于不同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的座圈錐面60°角，90°角，150°角的寬度尺寸和空間位置的調(diào)整控制。

[1]李曉科.加工中心確保氣門座圈加工質(zhì)量[J].現(xiàn)代零部件，2009，（4）：84-86.

[2]易 剛，林劍峰，侯延星，化春雷，羅和平. 發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋加工關(guān)鍵工藝研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011，（6）：84-85.

[3]張小矛，高衛(wèi)民，辛 軍，錢承炬，平銀生，陳 明，倪計(jì)民，張萬平.進(jìn)氣道對(duì)缸內(nèi)直噴增壓汽油機(jī)性能的影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2011，（4）：300-306.