汽配零件的“人氣選手”缸蓋的工藝優(yōu)化研究
聊起夾具,汽配件夾具相信是一個永不褪溫的話題,各類異形工件、夾持難題的解決,都是夾具企業(yè)的一把把辛酸淚。而如今,隨著制造業(yè)整體生產(chǎn)周期的加速,對于夾具企業(yè)來說,夾具結(jié)構(gòu)的改進是一回事,對于夾持零件的工藝改造,也是非常重要的一環(huán)。今天,就讓我們來看看汽配零件的“人氣選手”缸蓋的工藝優(yōu)化研究!
一、缸蓋概述
缸蓋是汽車發(fā)動機的關(guān)鍵部件之一,其位于發(fā)動機上部,借助螺栓、缸墊與氣缸體牢固合體。缸蓋用于封閉氣缸并構(gòu)建發(fā)動機的燃燒室,同時作為發(fā)動機的配氣機構(gòu)及相關(guān)部件的裝配基體,缸蓋加工工藝十分復(fù)雜,其主要特點有兩點:第一,汽車發(fā)動缸蓋通常為六面體,是多孔薄壁件,孔壁最薄部分僅3.5μ左右,孔壁加工數(shù)量可達100個。第二,缸蓋強度和剛度要求較高,只有達標才可保證氣體在熱應(yīng)力及壓力的共同作用下穩(wěn)定運行。以上工藝均具有很高的加工精度要求,其加工質(zhì)量好壞直接影響著發(fā)動機效能的發(fā)揮。
圖1 六面體多孔薄壁件
二、加工工藝詳述及優(yōu)化
2.1:制造材料
在發(fā)動機生產(chǎn)領(lǐng)域,我們通常以灰鑄鐵、鋁合金、蠕墨鑄鐵來做缸蓋材料。當前,柴油機通常使用蠕墨鑄鐵或灰鑄鐵,而汽油機則較多使用鋁合金,市場上有少量小型柴油機也采用鋁合金材料。鋁合金導熱性好,有利于提高壓縮比,進而提高發(fā)動機效能。在節(jié)能環(huán)保理念的推動下,人們對汽車發(fā)動機的節(jié)能減排要求不斷提高,驅(qū)使著包括缸蓋在內(nèi)的汽車發(fā)動機材料不斷優(yōu)化。以前,柴油機四氣門缸蓋氣門間裂紋的情況時有發(fā)生,后來隨著蠕墨鑄鐵的應(yīng)用推廣,這一問題得到了良好的解決。
在缸蓋加工領(lǐng)域,由于灰鑄鐵、鋁合金、蠕墨鑄鐵三種材質(zhì)的特性不同,其加工效率也不同。就加工效率而言,三種材質(zhì)中以蠕墨鑄鐵效率最低,而鋁合金效率最高。
2.2:加工生產(chǎn)線與工藝
在汽車發(fā)動機缸蓋加工領(lǐng)域,柴油發(fā)動機常用的蠕墨鑄鐵或灰鑄鐵缸蓋生產(chǎn)線布置通常有三種:
①為專用設(shè)備生產(chǎn)線。其擁有加工效率較高、刀具等運行成本較低的優(yōu)勢,通常用于定型缸蓋的大批量生產(chǎn);劣勢在于一旦需要改變產(chǎn)品設(shè)計,則改造成本非常高。
②加工中心+專用設(shè)備生產(chǎn)線,通常用于持續(xù)有小幅調(diào)整更改的產(chǎn)品,其改造成本可以很好地控制。
③由加工中心組成的柔性生產(chǎn)線,通常用于生產(chǎn)未定型發(fā)動機產(chǎn)品或產(chǎn)量較低的產(chǎn)品,其劣勢在于刀具等運行成本較高。在當今的鋁合金缸蓋加工工藝中,生產(chǎn)線通常為加工中心構(gòu)成的柔性生產(chǎn)制造系統(tǒng),設(shè)備主軸多采用電主軸,主軸轉(zhuǎn)速通常都定在7 000 r/mm以上。對于柔性加工線,頂?shù)酌婕庸た刹捎昧⑹郊庸ぶ行耐瓿桑膫?cè)面孔加工則可采用臥式加工中心完成。基于柔性加工線的成本分析,立式加工性價比較高,因此比較受用戶歡迎。在缸蓋加工中,加強立式加工中心的配置無疑可以獲得更好的成本優(yōu)勢。
對于生產(chǎn)線的總體布置,通常集中工序單元采用“U”型布線,與此同時,在進行工藝方案設(shè)計時,必須充分考慮到物流、投資與產(chǎn)出綜合成本、人體工學最優(yōu)化等諸多因素。
圖2 發(fā)動機缸蓋生產(chǎn)線
三、鋁合金缸蓋加工工藝的難點及優(yōu)化
3.1:平面加工
從缸蓋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看,大平面較多,進、排氣面和項面、底面均為大平面,這就要求平面度及表面粗糙度等精度必須保持較高水平,進而要求機床擁有實現(xiàn)高精度加工的能力,能達到較高的刀具調(diào)整精度和幾何精度。以前,缸蓋大平面主要是運用合金刀片加工,現(xiàn)在由于毛坯情況通常較好,因此常用金剛石刀片加工,這種工藝可以優(yōu)化缸蓋平面,提高加工表面的精度。
3.2:高精度孔加工
缸蓋有氣門導管孔、凸輪軸孔、挺桿孔等高精度孔,彼此間配合嚴密,因此加工時要嚴格把控其表面的粗糙度、位置及尺寸精度等。在進行加工時,缸蓋氣門導管和氣門閥座是同時進給加工,要做到一次到位,以減少誤差,保持氣門導管與閥座的同軸度。具備密封配合要求的氣門閥座和錐面,對圓度及跳動有嚴格要求;有些氣門導管孔有運動件間配合要求,因此其尺寸精度要求特別高,且由于兩者的材質(zhì)不同,所以在加工過程中,應(yīng)注重刀具材料選用等。
3.3:氣門導管底孔加工
氣門導管底孔的尺寸精度要求非常高,因此加工時應(yīng)注意考慮精度要求,避免誤差出現(xiàn),應(yīng)注意精度控制,一旦控制不穩(wěn)定,將影響氣門導管與缸蓋的配合度,進而對發(fā)動機的可靠性造成影響。
3.4:凸輪軸孔加工
作為缸蓋中的最長孔,凸輪軸孔如運用調(diào)頭加工(或分段加工),雖可降低機床設(shè)備的要求,也基本可保障加工精度,但無法滿足凸輪軸孔對同軸度的加工要求。所以,加工時應(yīng)盡可能保證一次成型。
3.5:缸蓋加工毛刺的優(yōu)化
眾所周知,缸蓋所用的鋁合金材料是塑性材料,加工中難免出現(xiàn)毛刺。解決毛刺問題的關(guān)鍵在于:一是加工中首先要選取合適的參數(shù),二是提高工件材料的硬度。在加工過程中,通常運用高壓水或尼龍刷來去除和弱化毛刺,這些操作有一定危險性,需要確保人身安全。
圖3 鋁合金與蠕墨鑄鐵缸體
四、缸蓋加工流程的優(yōu)化要點
缸蓋加工是一個系統(tǒng)工程,通過細致的實驗研究,我們總結(jié)出了以下優(yōu)化要點:
首先,在工藝總體設(shè)計時,應(yīng)同時考慮工序加工后的檢測程序設(shè)計,完成一道加工就進行相應(yīng)的檢測,這樣一來可以有效控制工序質(zhì)量。其次,缸蓋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,內(nèi)應(yīng)力的不穩(wěn)定分布可能導致形變,會影響加工精度。因此,我們在進行缸蓋加工時,通常遵循“先面后孔”的原則,并通過將精細加工和粗加工分散進行的手段,釋放應(yīng)力。其三,缸蓋的結(jié)合面劃傷可能導致缸蓋品質(zhì)受損,影響發(fā)動機的效能。因此,為了避免該問題發(fā)生,我們通常對結(jié)合面采用精加工,避免發(fā)生后續(xù)破壞。其四,隨著自動化生產(chǎn)的推進,有些加工生產(chǎn)線自動化程度不斷提高,對于這些自動化生產(chǎn)線,必須附帶夾具噴氣和刀具折斷等檢測,避免損失的發(fā)生。
五、結(jié)語缸蓋作為汽車發(fā)動機總成的關(guān)鍵部件,其工藝品質(zhì)事關(guān)汽車發(fā)動機的整體效能發(fā)揮。缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工工藝標準要求較高,因此,不斷追求最佳的加工工藝是業(yè)界的一致目標。本文對缸蓋加工及其工藝進行了介紹,分析了缸蓋制造材料和加工生產(chǎn)線,深入探討了當下主流的鋁合金缸蓋加工工藝特點,并從平面加工、高精度孔加工、氣門導管底孔加工、凸輪軸孔加工、缸蓋加工毛刺的優(yōu)化等方面對工藝難點進行了梳理分析,提出了優(yōu)化方案,最后還總結(jié)了缸蓋加工流程的優(yōu)化要點。我們認為,應(yīng)不斷加強缸蓋尤其是鋁合金缸蓋工藝品質(zhì)的優(yōu)化研究,以適應(yīng)未來汽車行業(yè)的發(fā)展要求。
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