發動機加工的工藝設計

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“提高品質，降低成本”為汽車企業在未來的競爭中提供了基本保證。對于發動機制造所采用的生產裝備，其投資費用和壽命計算并非是件簡單的事情。首先，企業要考慮在前期投入大量的資金購置生產設備；其次，在后期的使用過程中還要考慮加工過程中的使用成本和維護費用。因此，規劃過程中合理的工藝設計是非常重要的。因為發動機制造選用的生產裝備及工藝方法與加工的產品在規劃周期內的改型有著密切的關系，所以生產線為了適應這些設計上的差異，在規劃時就應考慮生產設備的適應性、工藝的合理性，以及設備對日常消耗品的運營成本。

1機床的設計機床的選型對規劃來講至關重要，將直接影響到后續生產線的利用率和新產品的適應能力。目前，對于發動機機械加工設備的選型主要是在專機和加工中心之間進行。

1.1專機將加工內容按工序分配給不同的單獨工位順序完成，毛坯（或半成品）從生產線的一端上料，半成品（或成品）從另一端下線，各工位間的傳輸由一條剛性的輸送帶連接起來。這種生產設備適合于生產線柔性要求不高、設計變化較小的系列零件的生產，而對于設計變化較大的零件則由于要適應新產品改造其采用按序加工的專機費用較高。因此，對于生產預期變化很少或設計變化不頻繁的零件，專機是最佳的選擇。專機的特點：加工內容簡單、質量可靠，加工效率高，加工精度和穩定性高。對于專機的設計，一般是根據產量綱領一次性投資到位。目前，發動機廠設計的機械加工線經常是關鍵工序采用專機，以保證加工效率和加工精度。如發動機氣缸蓋氣門閥座／導管及凸輪軸孔的精加工工序在氣缸蓋加工中屬于非常關鍵的工序，對這些工序的加工其使用的設備往往是專機。

1.2加工中心加工中心的特點是柔性好，產品發生變化時只需要更換夾具、刀具，調整和編制新的加工程序即可滿足新產品的生產。加工中心適用于復雜、工序多、精度要求高、需用多種類型普通機床和種類較多且復雜的刀具、工裝，經過多次裝夾和調整才能完成加工的具有適當批量的零件。其主要加工對象是箱體類零件，如汽車的發動機氣缸體、氣缸蓋等。箱體類零件在加工中心上加工，一次裝夾可以完成普通機床60％95％的工序內容，零件各項精度一致性好，質量穩定，同時可縮短生產周期，降低成本。對于加工工位較多且工作臺需多次旋轉角度才能完成的零件，一般選用臥式加工中心；當加工的工位較少且跨距不大時，可選立式加工中心。目前，規劃的發動機氣缸體、氣缸蓋生產線，由于其加工內容較多，加工中需要多次旋轉，各發動機廠優先選擇臥式高速加工中心進行組線?？紤]到設備的運行成本和維護費用，在使用設備的類型確定以后，購買設備時還要注意以下幾點。a.要使用統一的規范進行設備招標。統一的設備規范可以使公司在不同的項目中購買的設備具有很高的相似性，便于生產管理、人員培訓及日后生產線的改造或重新安排。b.設備的選擇要以其可靠性作為主要依據，要注意盡量避免使用供應商的專利技術或新開發的技術。c.機床所有的輔助設備和維修窗口盡可能地安排在機床后部，以便縮短機床彼此之間的間距，從而減少操作工的行走時間，縮短生產線的長度。

2刀具的設計

當確定好機床后，就要著手進行刀具的設計。為了達到效率與節拍平衡，保證充分發揮這些設備的效率，就需要考慮合適的刀具與之匹配。刀具選用的合理與否將直接影響工件質量和加工效率，因此刀具的設計應從以下幾方面進行。

2.1加工設備首先是了解加工設備的性能，只有了解設備的性能才能選用合適的刀具來匹配，若設備與刀具不匹配，其效率都不能發揮出來。近年來的相關資料表明，一把價值幾萬元的刀具有可能影響一臺價值幾百萬元的設備發揮效率，規劃過程中對刀具的設計和安排在很大程度上決定了生產階段的制造成本和刀具費用。

2.2刀具材質制造技術的高速發展，對切削刀具的要求越來越高。為適應高速切削度的要求，新材料刀具已經被廣泛使用，因此切削效率大大提高。高鈷、高釩、高性能高速鋼刀具的耐用度可比普通高速鋼刀具提高1.53倍；粉末冶金高速鋼刀具的強度可提高20%30%，韌性提高1.52倍，并且其可靠性比普通高速鋼刀具明顯提高；而CBN（立方晶氮化硼）、PCD（聚晶金剛石）刀具和陶瓷刀具等代表當今技術發展水平的超硬刀具，其切削速度可比硬質合金刀具提高數倍，大大提高了加工效率。隨著切削速度的提高，主軸與刀柄的連接在離心力的作用下發生很大變化，直接影響工件的加工精度和表面粗糙度。適應數控機床和高速加工需要的刀具夾持及刀柄與機床的連接件如HSK刀柄、熱套刀柄、液壓刀柄等，以及其他新型刀柄都被廣泛應用。

2.3刀具結構為提高生產效率和縮短換刀時間，在汽車零部件的加工中越來越多地使用了各種復合刀具，如鉆鏜復合、鉆鉸復合、鉆孔和螺紋加工復合等各類復合刀具。結構復雜的展開式刀具滿足了很多特殊的加工要求，有些刀具甚至已發展成機、電、液一體化的裝置，已遠遠超越了傳統刀具的概念。由于動力總成加工中大量采用的是流水線生產，上道工序直接影響下道工序的生產，而為了提高生產效率和降低生產成本，又采用了大量的組合式刀具、非標刀具。常用的非標刀具如氣缸體缸孔鏜刀見圖1。

2.4刀具成本刀具消耗量與很多因素有關，需要具體情況具體分析。在考察總的刀具消耗費用的同時，更重要的是看單件加工產品消耗的刀具成本,不僅要看直接的刀具成本，更要看刀具對生產效率的影響及其引起的總制造成本的變化。新刀的性能、壽命及采購價格對刀具費用的影響非常大，而可重磨刀具的數量、重磨次數及修磨費用的高、低對刀具的總成本也有著顯著的影響。因此，需要考慮一次性設備和刀具投資與長期性刀具消耗費用之間的關系，進行綜合考慮、平衡。

2.5工藝方法為了充分發揮高效率柔性線的作用，刀具對工藝提出了許多新的要求，如盡量考慮用同一種刀具完成同一工件不同工序的加工，努力減少刀具庫存量，限制換刀頻率，降低制造成本等。同時，還要針對一些工藝難點，設計專用刀具、復合刀具（智能刀具），以解決加工精度和加工效率之間的問題。

2.6刀具供應商刀具的選用包括刀具供應商的確定。由于切削加工是一個系統問題，工藝的變化、機床、夾具、切削液、切削參數都對刀具的壽命有著顯著的影響，而影響加工性能的刀具本身的結構形式、刀具的材料、表面涂層等的確定又與工藝、切削參數、切削液等緊密相連，因此選用刀具時都必須經過切削試驗后再確定選用的刀具及其供應商。同時，現代汽車制造業還要求刀具供應商不僅能提供切削加工的整體解決方案，而且能提供及時有效的現場技術支持，進而形成與汽車制造企業的合作伙伴關系。

3工藝流程的設計

發動機自制件的加工一般要求其精度較高，因連接孔、連接面較多，在裝夾時需要選擇合理的夾緊、圖1氣缸體缸孔鏜刀定位點，而且還要控制切削力的大小，因此要從工藝流程設計的幾個方面綜合考慮，嚴謹設計以滿足產品的加工精度要求。

3.1發動機機械加工線工藝流程的設計原則a.粗加工與精加工分開進行，先粗加工后精加工，進而消除零件加工時的內應力變形，并且可以提高加工效率。b.用作精基準的部位（如氣缸體的底面、2個工藝孔）優先加工，使后序部位的加工能夠具有統一的工藝基準，簡化了后序的設備工裝，減少了工件的定位誤差。c.工藝路線盡量縮減，以便減少生產線的占地面積，避免零件搬運過程中的磕碰傷。d.柔性化程度要高，可以在一條生產線上加工多個品種，滿足市場多樣化的需求。e.考慮人機工程的合理運用，包括線首、線尾的上下料及工序間工件的裝卸和傳輸。f.重視工序間檢測，在設備投資資金允許時，要考慮配備檢測工件所需的氣電量儀、線性量具和相應的在線檢驗臺，以加強產品的質量控制。g.廣泛使用高效刀具，提高機床的加工效率。

3.2加工基準的選擇在加工過程中，合理選擇工件的定位方式對保證工件的加工質量有著重要的意義。根據發動機箱體類零件（氣缸體、氣缸蓋）的結構特點，粗基準一般采用六點定位原理，精基準采用“一面兩孔”定位，箱體類零件精基準的選擇要滿足“基準統一”原則。發動機中的軸類零件的粗基準選擇靠近兩端的軸頸，軸向定位基準一般選擇中間主軸軸頸兩邊的平面；一般軸類零件其精基準的選擇都相同，最重要的精基準是中心孔，曲軸軸向的精基準一般選取止推面。

3.3加工夾具的選擇為了保證加工過程中工件定位夾緊的可靠性，自動化程度稍高一點的生產線上均采用了專用液壓夾具。液壓夾具可實現非常高的定位精度，在定位和夾緊過程中夾緊力保持恒定不變，從而確保在同一道工序下加工質量的一致性，因變形而造成的廢品率將會微乎其微。在針對箱體類零件無法設定剛性支撐時，使用輔助浮動支撐油缸、轉角油缸與浮動支撐油缸的組合均可保證夾緊工件不變形。使用液壓夾具的優勢是可以節省夾緊和松卸工件時所花費的大量時間。

3.4典型工藝的選擇

（1）氣缸體缸孔加工和曲軸孔加工工藝的選擇a.缸孔加工工藝的選擇缸孔的作用是保證活塞在氣缸內平穩地上下運動，因此對其尺寸、形狀、表面精度均有嚴格要求，為保證缸孔的上述要求，一般采用精鏜和珩磨2種工藝進行加工。對于無缸套、封閉水套的氣缸體加工采用粗鏜、半精鏜→精鏜→珩磨（多采用平臺珩磨）工藝；對于濕式缸套、封閉水套的氣缸體加工采用粗鏜→半精鏜→精鏜（同時精鏜缸孔止口）工藝；對于采用成品薄壁缸套的結構，加工底孔采用粗鏜→半精鏜→精鏜→珩磨（多采用平臺珩磨）工藝。常見的缸孔數控珩磨機見圖2。b.曲軸孔加工工藝的選擇曲軸孔是多檔的間斷長孔，其尺寸公差、圓度、同軸度、表面粗糙度均有嚴格要求。為保證同軸度的要求，曲軸孔加工一般采用精鏜和珩磨2種工藝進行加工。以精鏜作為最終工序時，其設備投資少、輔助材料消耗少、成本相對低一些，鏜削加工的表面粗糙度較大。另外，由于材料硬度、軸瓦鎖瓦槽引起的斷續切削等因素造成形狀誤差，使軸瓦的鋼背與主軸承孔的貼合不良。以精珩為最終工序時，其設備投資多、輔助材料消耗多、成本相對高一些，但以珩磨為最終工序的缸孔、曲軸孔，其尺寸、形狀公差較精鏜為最終工序的要好，且表面質量也較好。曲軸孔鏜鉸工藝見圖3。

（2）曲軸CNC外銑、CNC內銑、CNC車-車拉工藝的選擇C外銑工藝CNC外銑機床是專為汽車發動機曲軸設計制造的柔性數控銑床，設備應用工件回轉和銑刀進給伺服連動控制技術，可以一次裝夾曲軸，不改變曲軸回轉中心，隨動跟蹤銑削曲軸的連桿軸頸；工件兩端由電子同步電動機旋轉驅動，具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特點；曲軸平衡塊側面需加工時主軸軸頸加工設備應優先選用CNC高速外銑或CNC內銑，連桿軸頸的加工用CNC高速外銑。C內銑工藝CNC內銑工藝的加工性能指標要高于普通外銑加工，尤其是對于鍛鋼曲軸，內銑更有利于斷屑且剛性特別好。內銑機床有多種加工形式，使用最多的是曲軸固定型數控曲軸內銑加工工藝，其主要特點是生產效率高、加工精度好、適用范圍廣和柔性好。具有代表性的工藝裝備有德國HELLER公司開發的數控曲軸內銑機床系列，其主要功能特點是工件兩端用電子同步電動機旋轉驅動，銑刀跟隨連桿軸頸銑削。如果毛坯是鍛鋼毛坯則選用CNC內銑工藝更有利于斷屑。C車-車拉工藝CNC車-車拉工藝特點是一次設定能完成所有同心圓的車削，并在同一臺機床上完成車-車拉(車側端面)加工，其加工效率高。通過使用特殊卡盤和刀具系統還能實現柔性加工，且機床保養簡便其維護成本也較低。特別適用于平衡塊側面不需加工、軸頸有沉割槽的曲軸。車-車拉機床見圖4。

（3）氣缸蓋氣門座圈、氣門導管孔和凸輪軸孔的加工工藝的選擇a.氣門座圈、氣門導管孔的加工工藝氣門座圈和氣門導管的加工是整個氣缸蓋機械加工的關鍵，其加工精度對發動機的性能有著重要的影響。為保證氣門座圈工作錐面對導管孔的跳動、氣門座圈錐面表面粗糙度、氣門導管的直線度及其對氣門座圈工作錐面同軸度的影響，需要分析氣門座圈、導管孔和底孔的加工方式、專用復合刀具的采用、刀具材料的選擇、冷卻方式、切削參數等各方面的影響因素，以滿足加工工藝要求。底孔的同軸度誤差會造成氣門座圈和導管孔精加工余量的分配不均，從而影響到終加工精度，因此氣門導管、氣門座圈底孔的加工需采用硬質合金復合鏜刀一次完成。b.凸輪軸孔的加工工藝氣缸蓋凸輪軸孔的直徑公差、圓度、粗糙度、同軸度及孔位置公差的要求都很高，其加工難度大。如果5個同軸的凸輪軸孔從兩側加工，加工時機床回轉工作臺（B軸）需帶工件回轉180°。由于工作臺回轉后存在誤差，無法保證凸輪軸孔的加工精度，因此只能采用長刀桿，從氣缸蓋一端進刀一次加工完成5個孔。一般在安排工藝時，根據凸輪軸孔的精度要求，將凸輪軸孔的加工分粗加工、半精加工和精加工三步來完成。由于工件凸輪軸孔處結構的限制，精加工所用鏜刀桿的長徑比大，刀桿剛性降低，因此精加工鏜刀桿應采用聚晶金剛石支撐導條結構的整體硬質合金鏜刀，且進、排氣凸輪軸孔設計采用同一把刀具來加工。

（4）曲軸光整工藝的選擇經過鹽浴處理的曲軸的表面粗糙度差，為提高其表面粗糙度等級，去除曲軸表面的尖角毛刺、棱邊倒圓等而采用曲軸光整工藝。經過光整處理的曲軸不會產生變形，其原有尺寸精度等級也不會改變，但提高了表面粗糙度等級。曲軸光整前、后表面紋理對比見圖5。

（5）機器人去毛刺工藝的選擇毛刺是金屬切削加工的必然產物，難以完全避免。毛刺不僅影響產品的外觀而且影響產品的裝配、使用性能和壽命。隨著高科技的發展及產品性能的提高，對產品質量的要求越來越嚴格，去除機械零件的毛刺就愈加重要。讓機器人按給定軌跡運動并利用高壓水射流去除機械加工產生的毛刺和鑄件毛坯的飛邊、毛刺，具有高效節能、潔凈環保、無化學污染的特點，而且不需要進行二次清洗。

（6）高速雙主軸切削工藝的選擇設備與工藝的發展總是互相促進的，高速切削工藝技術正是在高速切削所需要的高速切削機床和高速切削刀具大力發展的推動下應運而生的。高速雙主軸加工中心是為滿足汽車制造業高效率的要求而開發的新產品，可同時加工2個工件，減少了設備的占地面積，并極大地減少了操作者的數量，提高了勞動生產率。

（7）氣缸蓋氣門閥座以車代鏜加工工藝的選擇氣門座圈的加工難點在于內孔的幾何形狀復雜，有多段圓弧、多段錐度、多段直孔的復合。為獲得寬度恒定的工作錐面，保證氣門座圈工作錐面對導管孔的跳動、錐面的表面粗糙度、導管的直線度，減少工序成本，提高生產效率，氣門座圈工作錐面在氣缸蓋擴產時采用車刀進行車削加工方式，可減少調刀次數，提高加工效率。

（8）發動機零部件加工時微量潤滑工藝的選擇微量潤滑技術的優點：減少了機床部件，進而降低了投資費用；免去了冷卻潤滑液的排放費用和減少了潤滑液的使用，從而降低了維護費用；減少了有損人們健康的因素；在干式切削過程中，潤滑液幾乎是粘附在切屑上的。為了完成硬度愈來愈高的高合金材料的加工任務，在銑削淬硬鋼材料時可以通過微量潤滑來明顯地延長刀具的使用壽命和提高工件的表面質量。

（9）組合式凸輪軸工藝的選擇能夠將不同的材料組合起來，相對于鑄造和鍛造的實心凸輪軸，可以減輕質量達40%，是一種很有前途的工藝方法。組合式凸輪軸可以采用不同的工藝方法制造，其中值得一提的有徑向螺栓聯接的組合式凸輪軸、釬焊凸輪軸、多邊形連接法、摩擦焊連接法、粘接連接法或者熱套粘結連接法，以及各種過盈連接法和楔形連接法。

（10）連桿鉸珩工藝的選擇鉸珩工藝是在傳統珩磨基礎上發展起來的，目前在較為先進的連桿線上的孔加工工藝中大量采用。鉸珩應用于內孔加工。按照珩磨軸的布置方式，鉸珩亦可分為立式和臥式2種。珩磨條的漲開方式一般不采用液壓方式而采用機械方式，同時根據珩磨條充分冷卻的需要，珩磨頭一般采用內冷方式。

（11）連桿漲斷工藝的選擇連桿漲斷工藝是，鍛造的連桿毛坯在實施斷裂剖分之前，先粗鏜連桿大頭孔，然后在其預定斷裂處加工兩個對置的溝槽，隨后將連桿大頭孔套裝到一臺進行斷裂剖分裝置的兩個半芯軸上，并將連桿進行定位和夾緊，然后利用沖擊力，將連桿的大頭孔在溝槽處被斷裂剖分為連桿體和連桿蓋。

4結束語

發動機機械加工生產線在工藝設計時要根據實際情況，結合市場、資金、人員、成本、質量等因素，合理進行機床、刀具和工藝流程的設計，使設計的生產線既適應未來的生產需求和產品需要，又降低加工過程中的使用成本和維護費用，在保證生產效率的前提下，提高產品的競爭力。