柴油機缸蓋氣門導(dǎo)管及座圈加工技術(shù)的應(yīng)用與探討

分析當(dāng)前發(fā)動機氣缸氣門座圈與導(dǎo)管底孔的常用加工方式以及氣門導(dǎo)管與座圈加工特點和存在的主要問題，介紹一種適用于加工氣門導(dǎo)管及座圈的實用新型復(fù)合刀具應(yīng)用技術(shù)，并從該復(fù)合刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計、導(dǎo)向裝置和刀具冷卻與排屑措施等方面進行深入探討。1

序言WD615系列發(fā)動機缸蓋氣門導(dǎo)管、座圈加工尺寸及精度要求如圖1所示，進氣、排氣導(dǎo)管孔內(nèi)徑尺寸要求Φ11H7，導(dǎo)管中心相較于缸蓋下表面（基準C）垂直度要求Φ

0.1mm，座圈面相較于導(dǎo)管中心（基準A、基準B）徑向圓跳動要求為0.02mm。尺寸精度要求高，缸蓋導(dǎo)管采用鑄鐵材質(zhì)，硬度200～250HBW，進氣門、排氣門座圈材料采用粉末冶金WR3119L，硬度40～46HRC，要求導(dǎo)管孔表面粗糙度值Ra＝1.6μm，座圈面表面粗糙度值Ra＝0.8μm，硬度及表面粗糙度要求高。原生產(chǎn)工藝多采用分體式鏜刀，先加工缸蓋導(dǎo)管孔，導(dǎo)管孔加工完畢后，采用機床主軸不動，更換加工刀具后再對氣門座圈進行加工的方式，這時需要重新校對刀具和氣門座圈之間的位置，檢測氣門座圈的徑向圓跳動量是否合格，若不合格，需重新調(diào)整，有時需要反復(fù)調(diào)整多次。換刀需要停機，停機時間不產(chǎn)生效益，但要分攤費用，計入加工成本。這樣不僅降低了生產(chǎn)效率，容易產(chǎn)生加工廢件，增加了生產(chǎn)成本，而且采用這種加工方法加工的缸蓋氣門座圈和導(dǎo)管孔表面粗糙度也很難達到產(chǎn)品的技術(shù)要求。為解決這種問題，目前多采用特殊組合刀具加工的方法，而刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理決定了氣門座圈和導(dǎo)管孔的加工質(zhì)量和刀具壽命。圖1缸蓋氣門導(dǎo)管、座圈尺寸及精度要求2

氣門導(dǎo)管及座圈加工特點和存在的主要問題根據(jù)一般規(guī)定，孔深L與孔徑d之比大于5，即L/d＞5的孔稱為深孔。發(fā)動機缸蓋氣門導(dǎo)管的鉸削加工除具備普通鉸削的特點外，還具備深孔加工的特點，在實際加工過程中存在以下主要問題。

1）根據(jù)加工現(xiàn)場分析，發(fā)動機缸蓋氣門導(dǎo)管及座圈加工處于封閉狀態(tài)下進行，不能直接觀察到刀具的切削情況?，F(xiàn)階段僅通過觀測斷屑以及切削液噴射角度進行判斷。

2）切削熱散熱及排屑難度大。普通加工過程的散熱主要通過切削傳遞，占比在80%以上，而深孔鉆削具有不易排屑、擴散遲的特點，該項占比僅為40%左右，導(dǎo)致刃口的切削溫度可達600℃以上，必須采用強制有效的冷卻方式，同時由于為深孔加工，排屑路徑長，因此易產(chǎn)生堵塞，導(dǎo)致崩刃或斷刀。

3）工藝系統(tǒng)整體剛性差。鑒于深孔加工的特點，孔的長徑比較大，刀桿細而長，整體剛性差，易產(chǎn)生振動及加工走偏等問題，必須配置支承導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。3

解決方法和措施3.1刀具結(jié)構(gòu)的設(shè)計目前，為解決傳統(tǒng)分體式鏜刀加工氣門導(dǎo)管及座圈重復(fù)校對刀具的問題，根據(jù)氣門導(dǎo)管及座圈加工特點，某廠使用了一種新型的刀具應(yīng)用技術(shù)。在對氣缸的導(dǎo)管孔和氣門座圈進行粗加工后，留有合適的余量；采用一把復(fù)合刀具將導(dǎo)管孔和氣門座圈一次精加工完成，由復(fù)合刀具精度來保證導(dǎo)管孔、氣門座圈的位置和尺寸精度。復(fù)合刀具的結(jié)構(gòu)一般設(shè)計成單刃焊接式和單刃機夾式（即槍鉸刀）兩種形式，這兩種形式的刀具都是將加工氣門座圈錐面的鏜刀和加工導(dǎo)管的鉸刀做成一體，槍鉸系統(tǒng)主要用于直徑2～30mm孔的加工，是最常見的深孔鉆削加工方式[3]。某廠用于發(fā)動機氣缸氣門導(dǎo)管及座圈加工的單刃機夾式新型專用復(fù)合刀具結(jié)構(gòu)如圖2所示，切削參數(shù)見表1。圖2單刃機夾式新型專用復(fù)合刀具結(jié)構(gòu)

表1缸蓋導(dǎo)管與座圈加工切削參數(shù)在采用復(fù)合刀具加工導(dǎo)管孔和氣門座圈過程中，刀具更換使用方便，直接裝夾于機床主軸，由刀具自身導(dǎo)向找正，保證了導(dǎo)管孔和氣門座圈位置精度?？朔藗鹘y(tǒng)分體式鏜刀加工需要反復(fù)校對刀具和氣門座圈之間位置跳動量的問題。焊接式與機夾式復(fù)合刀具兩者不同之處在于焊接式復(fù)合刀具的刀片是直接焊接成形，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，使用靈活，但易產(chǎn)生裂紋及硬度降低等焊接缺陷，同時焊接式刀具在刀片磨損后會連同刀體同時報廢，生產(chǎn)成本高。機夾式復(fù)合刀具的刀片磨損后可以更換，克服了焊接式刀具在制造過程中所帶來的一系列缺陷，因而應(yīng)用越來越廣泛，但刀片更換后需要根據(jù)導(dǎo)管孔余量進行人工調(diào)整。生產(chǎn)企業(yè)可根據(jù)零件結(jié)構(gòu)、加工精度及生產(chǎn)的具體情況，結(jié)合國內(nèi)外機械加工工藝的發(fā)展趨勢，對刀具結(jié)構(gòu)進行合理的設(shè)計選擇。3.2刀具導(dǎo)向設(shè)計由于氣門導(dǎo)管孔的長徑比＞9（60/6.5），加工易產(chǎn)生振動，并引起刀頭偏歪，從而影響加工尺寸精度和生產(chǎn)效率，因此需重點解決導(dǎo)管孔加工的導(dǎo)向問題。目前，某廠使用的新型單刃機夾式專用復(fù)合刀具，鉸刀的設(shè)計特點是切削部分與導(dǎo)向部分分離布置，通過3個導(dǎo)向塊和1個副切削刃的布置來框定其徑向尺寸范圍，制成2個直徑，即副切削刃（圓柱刃部）在半徑方向上高出導(dǎo)向塊一個c值（見圖3），這樣可以避免導(dǎo)向塊產(chǎn)生刮削，并能控制一定的擠壓量。c值不能太大，否則會導(dǎo)致刀片剛性差，產(chǎn)生振動，同時會降低擠壓作用，影響孔的表面粗糙度。由于采用多個導(dǎo)向塊結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以使刀具在導(dǎo)管孔內(nèi)多點定圓，得到足夠的支承作用并自行導(dǎo)向，解決刀桿剛性不足、鉸孔走偏等問題，同時導(dǎo)向塊必須始終與導(dǎo)管孔壁保持壓力接觸，才能保證加工過程的穩(wěn)定性。

a）鉸刀倒錐

b）滯后量圖3鉸刀倒錐及導(dǎo)向滯后量加工高精度孔時，一般取c＜0.01mm，帶3個導(dǎo)向塊的單刃鉸刀比帶2個導(dǎo)向塊的單刃鉸刀的c值小。同時通過將導(dǎo)向塊和圓柱刃磨倒錐k，可以有效減小鉸刀導(dǎo)向部分與圓柱孔壁的非正常刮削，降低因摩擦力矩產(chǎn)生的非正常磨損及振動。一般取k為（0.01～0.025）/100mm，導(dǎo)向塊前端相對鉸刀刀尖軸向滯留量L

約為（0.4～1）mm。3.3冷卻與排屑設(shè)計考慮氣門導(dǎo)管加工時切削熱不易排散、切屑不易排出的情況，氣門導(dǎo)管加工過程中對冷卻的嚴格要求，以及加工過程中刀具的狀態(tài)、刀桿軸向受壓和向前推切屑的排屑方式等因素，某廠使用的新型單刃機夾式專用復(fù)合刀具設(shè)計有特殊的切削液噴射孔結(jié)構(gòu)，通過設(shè)備內(nèi)冷系統(tǒng)，將高壓切削液從刀桿的內(nèi)外部直接噴射入導(dǎo)管內(nèi)壁的切削區(qū)，起到強制冷卻潤滑作用的同時將切屑從導(dǎo)管孔內(nèi)強制沖出，以滿足加工需要。機床主軸切削液分兩路：一路從刀桿的內(nèi)孔輸出通過鏜刀部分刀頭上的噴射孔射到切削區(qū)，采用從刀片的前端沖向刀尖的內(nèi)冷卻方式，便于排屑。這樣可以直接將座圈錐面切屑垂直沖出，但同時也有部分切屑粘結(jié)在已加工的導(dǎo)管內(nèi)孔表面上，導(dǎo)致切屑排出不徹底，對刀具切削刃及導(dǎo)向塊的壽命產(chǎn)生影響，同時也會降低導(dǎo)管孔表面粗糙度。另一路從鉸刀部分均勻分布的側(cè)面孔噴出（見圖4），由于刀具加工過程中高速旋轉(zhuǎn)，因此切削液將以旋轉(zhuǎn)的形式高速、均勻地從整個刀頭周圍向前噴射而出，快速將切屑沖出，減少切屑停留在導(dǎo)管孔內(nèi)孔表面的機會，并且可以充分起到對鉸刀、導(dǎo)向塊的強制潤滑、冷卻和減振作用，并對增加刀具壽命及提升零件表面質(zhì)量起到積極作用。圖4鉸刀噴孔布置一般切削液可選用1∶10的乳化液，濃度不得過于黏稠，其作用是對切削刃及導(dǎo)向塊起冷卻、潤滑作用，并沖刷帶走切屑。機床切削液箱的箱體應(yīng)設(shè)有