(上海柴油機(jī)股份有限公司，上海 200438)

0 引言

氣缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，它的加工精度直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。而氣門座圈密封錐面和氣門導(dǎo)管孔的加工是整個(gè)氣缸蓋加工過程的關(guān)鍵工序，其加工精度影響柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力和排放指標(biāo)[1]。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的大批量生產(chǎn)中，氣門座圈密封錐面與導(dǎo)管孔的加工，除需要優(yōu)化加工工藝外，定位方式、加工方式、加工刀具結(jié)構(gòu)形式及刀具材料均需要重點(diǎn)關(guān)注。本文對氣門座圈密封錐面加工刀具結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了一種氣門座圈密封錐面加工裝置，其既能保證產(chǎn)品質(zhì)量，又能降低加工成本。

1 加工技術(shù)要求

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，氣門不斷地周期性開啟和關(guān)閉，在氣門導(dǎo)管中往復(fù)運(yùn)動(dòng)并反復(fù)沖擊氣門座圈，因此氣門、氣門導(dǎo)管、氣門座圈三者是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最惡劣的摩擦副之一。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)由于采用壓燃，壓縮比遠(yuǎn)高于汽油機(jī)，使氣門座圈承受更高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷沖擊。這就要求氣門座圈密封錐面具有良好的密封性，否則會(huì)導(dǎo)致氣門密封不嚴(yán)，燃燒室氣密性受到破壞，排氣溫度上升，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。

隨著當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊化程度不斷提升，氣門、氣門導(dǎo)管與氣門座圈附近更不易散熱，并長期處于600～800 ℃的高溫狀態(tài)。如果此時(shí)氣門桿的中心有偏移，會(huì)造成有害的熱傳導(dǎo)及氣門桿與氣門導(dǎo)管的快速磨損，導(dǎo)致氣門導(dǎo)管上部裝配的油封密封不良，機(jī)油消耗增加[2]。因此，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不僅對氣缸蓋上的氣門座圈密封錐面中心與氣門導(dǎo)管孔中心有較高的同心度要求，即氣門座圈密封錐面對氣門導(dǎo)管中心的跳動(dòng)要求，而且對氣門座圈密封錐面的角度也有一定的要求。

批量生產(chǎn)中將上述2項(xiàng)要求轉(zhuǎn)化為氣門座圈密封錐面與氣門密封錐面的貼合度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定，通常采用涂色法進(jìn)行檢驗(yàn)；而且氣門座圈密封錐面上的加工紋理應(yīng)呈360°連續(xù)，這樣才能保證進(jìn)、排氣門密封良好，才能確保發(fā)動(dòng)機(jī)的有效輸出功率和排放指標(biāo)。氣門座圈密封錐面技術(shù)要求見圖1。

2 刀具要求

氣門座圈密封面加工，通常采用加工中心配以成型刀具的加工方式，密封錐面由成型刀具(見圖2)刮削而成，密封面形狀由成型刀具形狀所決定。成型刀具采用較大的切削刃面刮削，切削阻力較大，容易造成刃口開裂。一旦成型刀具切削刃口開裂就會(huì)導(dǎo)致密封表面不平整。因此，采用成型刀具加工氣門座圈密封錐面，需維持較高的刀具更換率，才能確保工序成品合格率。這樣不僅切削效率低，而且加工成本也偏高。

為了解決以上難題，特設(shè)計(jì)和制造了氣門座圈密封錐面加工裝置(以下簡稱“加工裝置”)，并通過改變工藝方案，啟用閑置的進(jìn)口5軸鏜床來提高生產(chǎn)效率，降低單件產(chǎn)品加工成本。

3 加工裝置設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

將成型刀具切削加工改成帶一定角度的切削加工，利用閑置的進(jìn)口5軸鏜床設(shè)備來完成氣門座圈錐面加工。根據(jù)閑置的進(jìn)口5軸鏜床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過利用鏜床鏜頭內(nèi)部液壓活塞桿的軸向直線運(yùn)動(dòng)來設(shè)計(jì)加工裝置，使加工裝置上的鏜削刀具沿著一定角度方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行鏜削，從而完成對發(fā)動(dòng)機(jī)氣門座圈密封錐面的加工。

3.2 裝置結(jié)構(gòu)

加工裝置外形如圖3所示，具體結(jié)構(gòu)如圖4～6所示。

鏜頭安裝在5軸鏜床旋轉(zhuǎn)主軸上，加工氣門座圈密封錐面的鏜刀安裝在刀具底座上，刀具底座固定在鏜頭上；加工氣門導(dǎo)管孔的鏜刀安裝在鏜桿上，鏜桿固定在鏜頭的前端，鏜桿中心線與鏜頭中心線同軸線，確保氣門座圈錐面對氣門導(dǎo)管中心的跳動(dòng)要求。

導(dǎo)向蓋板固定于鏜頭的凹槽基準(zhǔn)面上，導(dǎo)向蓋板上設(shè)有T型導(dǎo)向槽，與鏜頭軸線形成一定角度。鏜頭內(nèi)裝有凹槽的活塞桿和定位銷，定位銷上裝有撥銷，其可圍繞定位銷自由轉(zhuǎn)動(dòng)；撥銷一端位于活塞桿凹槽內(nèi)，另一端位于刀具底座凹槽內(nèi)。通過油缸使活塞桿作軸向直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)撥銷轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)刀具底座沿導(dǎo)向蓋板中T型導(dǎo)向槽的既定軌跡斜向運(yùn)動(dòng)，對氣門座圈密封錐面進(jìn)行鏜削。加工不同錐角的氣門座圈密封錐面，需要采用相應(yīng)角度的導(dǎo)向蓋板和刀具底座。

刀具底座斜面上設(shè)有鍵槽，斜面鍵槽內(nèi)設(shè)有2個(gè)螺孔，2個(gè)螺孔內(nèi)各安裝一壓簧和調(diào)節(jié)螺釘，在導(dǎo)向蓋板的凹槽底面與斜面鍵槽之間安裝一阻尼鍵，見圖5～6。阻尼鍵、壓簧和調(diào)節(jié)螺釘構(gòu)成一阻尼裝置。在刀具底座中增加阻尼裝置，以消除機(jī)構(gòu)間隙；另外，刀具底座與導(dǎo)向蓋板T型導(dǎo)向槽配合采用能消除機(jī)構(gòu)間隙的契型配合，實(shí)現(xiàn)高精度加工要求。

4 加工裝置制造及試驗(yàn)驗(yàn)證

以排氣門座圈為例說明加工裝置的制造及生產(chǎn)驗(yàn)證。

4.1 刀具底座

排氣門座圈密封錐面的角度技術(shù)要求為45°±0.5°。為保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量，加工裝置的公差取值范圍是技術(shù)要求公差的1/5，即45°±0.1°。因此，將刀具底座兩側(cè)斜面的鍵槽角度加工精度定為45°±0.1°。刀具底座主要零件見圖7。

4.2 導(dǎo)向蓋板

因鏜床鏜頭體錐面角為120°，當(dāng)工作臺(tái)進(jìn)給至導(dǎo)管孔鏜削完成時(shí)，工作臺(tái)觸及限位器而停頓，此時(shí)的鏜頭與氣缸蓋夾具端面只剩10 mm的間隙，因此加工裝置的導(dǎo)向蓋板外形必須小于鏜頭體外形，且與刀具底座是動(dòng)配合。因此，導(dǎo)向蓋板上的T形導(dǎo)向槽的半錐角也須加工成45°±0.1°，并設(shè)定合適的配合精度。導(dǎo)向蓋板主要結(jié)構(gòu)見圖8。

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

將加工裝置各部件組裝后安裝到5軸鏜床專機(jī)上，讓設(shè)備空運(yùn)轉(zhuǎn)5 min，確保各系統(tǒng)運(yùn)作正常。先對夾具和工件面進(jìn)行清理、裝夾，然后開機(jī)加工6個(gè)排氣座圈密封錐面。切削刀具材料為立方氮化硼。加工到第5個(gè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)加工過的排氣座圈密封錐面上有擠壓痕跡。經(jīng)分析確認(rèn)，是由切削速度過快造成的，故對設(shè)備的切削速度進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)立方氮化硼的車削用量表，按下列公式[3]計(jì)算，得到切削進(jìn)給時(shí)間為20 s：

t=h/(nf)

(1)

式中：t為進(jìn)給時(shí)間，s；h為切削深度，mm；n為主軸轉(zhuǎn)速，r/min；f為進(jìn)給量，mm/r。

將設(shè)備的切削速度調(diào)整為20 s，重新開機(jī)再加工12個(gè)排氣座圈密封錐面。加工完成后，未發(fā)現(xiàn)加工后的排氣座圈密封錐面上有擠壓痕跡。然后按工藝要求，用涂色法檢驗(yàn)排氣門座密封錐面的密封質(zhì)量。將錐面涂有顏色的排氣門涂色規(guī)插入相應(yīng)的排氣門導(dǎo)管孔(見圖9)，壓緊氣門座圈并旋轉(zhuǎn)，然后取出涂色規(guī)，檢測氣門座圈密封錐面上的顏色是否周向均勻分布，再用三坐標(biāo)儀測量氣門座圈密封錐面角度。

檢驗(yàn)結(jié)果：氣門座圈密封錐面加工紋理360°連續(xù)，錐面上的顏色周向均勻分布，三坐標(biāo)檢測座圈密封錐面錐度全部合格，如表1所示。

表1 試加工檢測數(shù)據(jù)

5 應(yīng)用效果

加工裝置的試驗(yàn)成功，使氣門座圈密封錐面加工工序的節(jié)拍由原加工中心加工的20.5 min減少到現(xiàn)在專機(jī)加工的13.5 min，生產(chǎn)線由2班作業(yè)減為單班作業(yè)；同時(shí)，還理順了加工工藝線路，避免來回駁運(yùn)中零件磕傷碰壞現(xiàn)象，有利于產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；而且閑置專機(jī)得以激活，調(diào)劑出一臺(tái)柔性加工中心，取消了高價(jià)值刀具的使用；綜合各項(xiàng)，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品制造成本下降了3.6%。

6 結(jié)論

本文介紹的氣門座圈密封錐面加工裝置，結(jié)構(gòu)比較緊湊、加工質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率較高。其不但解決了氣門座圈密封錐面加工這一氣缸蓋工藝加工過程中的關(guān)鍵性難題，還增加了一種使用普通專機(jī)加工氣門座圈密封錐面的工藝方法，極大地提高了生產(chǎn)效率，開辟了一種用非數(shù)控手段解決高精度加工問題的思路和方法。