气缸缸体加工

引言气缸体总成是由气缸体和曲轴箱组成的关键组件，它不仅是内燃机各机构、系统的装配基体，其本身的许多部位又是曲轴连杆机构、配气机构、供给系统、冷却系统和润滑系统的组成部分。气缸体总成上各孔、各面及相互之间均有较高的尺寸、形状和位置公差要求，其加工难度很大。气缸体总成的样式加工均使用通用工艺设备，加工工艺过程可分为气缸体和曲轴箱零件的粗加工、半精加工和气缸体总成组件的精加工、关键部位的细加工四个阶段。整个工艺过程的关键环节是各加工阶段工艺基准的选择、关键部位(主轴孔、缸孔、凸轮轴孔)的加工和重要尺寸(主轴孔、凸轮孔、惰轮孔三孔孔心距坐标尺寸)的计算。2各加工阶段工艺基准的选择1.毛坯划线基准的选择毛坯划线基准的选择关系到毛坯各部位加工余量的均匀性和重要部位壁厚的均匀性。从设计角度考虑，气缸体和曲轴箱的理想划线基准应为：高度方向以通过主轴孔中心线且垂直于缸孔轴线的平面为基准；长度方向以对称线为基准；宽度方向以1～6缸的孔心连线为基准。从使用角度考虑，理想的划线基准应为：高度方向以底面平面为基准；长度、宽度方向的粗基准应能满足6个气缸孔壁厚均匀的要求，这是因为气缸盖与气缸孔内缸套内壁共同组成燃烧室，缸壁需在高温、高压下工作，如缸壁壁厚不均匀，容易引起缸壁热变形而导致严重事故发生。在首批气缸体毛坯划线过程中发现，由于制造泥芯下偏，使铸件缸孔中心偏离设计中心1.5～2mm，此时，若以1～6缸孔孔心连线为基准，则会导致6个缸孔壁厚不均匀。为确保缸孔壁厚均匀，根据气缸体铸造特点，选择1～6缸外壁作为划线的校正基准，较好地解决了壁厚不均匀问题。图1确定毛坯划线基准操作示意图确定气缸体毛坯划线基准的操作方法如图1所示。将气缸体横卧，用三个千斤顶支在工作平台上(见图1a)，前后方向用直角尺以底面基准线校正，调整左右千斤顶，从出砂孔处用高针以1～6缸外壁校平，以其中某一缸外壁上下平分，划出6个缸的中心连线，此线即为宽度方向的基准线。将气缸体竖立支在工作台上(见图1b)，以上述相同方式划出长度方向的基准线。2.气缸体与曲轴箱半精加工基准的选择气缸体和曲轴箱是典型的箱体类零件，其加工基准最好采用两销定位。因此，在半精加工各部位前，首先在气缸体和曲轴箱底面加工2-Ø15H7孔，同时半精铣底面，这样使形成以两零件底面和底面上的2-Ø15H7孔组成的一面两个定位基准。应当指出，2-Ø15H7孔的粗基准也是1～6缸外壁。一面两孔基准建立后，各部位加工尺寸应转换为以主定位销孔为起点的尺寸。2-Ø15H7孔“工艺基准”的建立原则为：①在对角线上的分布应尽量远；②孔距精度±0.005mm；③确保各被加工面的加工余量均匀；④使2-Ø15H7孔在加工过程中贯穿时间较长。3.精加工基准的转换当气缸体机和曲轴箱各部位半精加工完成后，将两零件用3个定位销和14个M18螺栓连接起来，组成气缸体总成。此时，气缸体和曲轴箱的零件加工基准面——底面已被连接，所以需重新建立总成的加工基准。从气缸体总成的结构形式来分析，总成顶面与气缸盖相连接，对平面度和表面粗糙度要求较高，因此该平面是较理想的加工基准面；而总成底面与油底壳相连接，也有较高的平面度和表面粗糙度要求，且该面上还有2-Ø15H7销孔可与底面和两孔组成一面两孔的加工基准。从加工和测量角度分析，精加工主轴孔和凸轮轴孔时，若以底面和其上的2-Ø15H7孔定位时，因顶面除有6个缸孔外，其余均为实体结构，这将给对刀和测量带来不便；若以顶面定位，由于底面结构上有6个较大的开放空间，便于对刀、测量和观察。在实际加工中，选择以总成顶面在工作台上定位，以底面上2-Ø15H7孔精确校正后，在总成侧面铣出一工艺平面，该工艺平面与顶面组成新的精加工基准。3关键部位的加工气缸体总成上关键部位(缸孔、主轴孔、凸轮轴孔)的加工至关重要。三孔的尺寸、形状和位置之差均有较高精度要求，且孔的表面粗糙度要求也校严格，三孔的加工精度直接影响柴油机的整体性能和寿命。三孔的结构和精度要求如图2所示。图2缸孔、主轴孔、凸轮轴孔的结构及精度要求1.缸孔的加工WD618气缸体总成上有6个Ø130H6(+0.025mm)缸孔，其圆柱度要求为0.01mm，对主轴孔中心线的垂直度要求为0.02mm，对主轴孔中心线和后端面的位移度要求为Ø0.3mm，表面粗糙度要求为RZ6.3µm，a.精细加工设备及加工基准缸孔的精加工在T42100双立柱坐标镗床上完成；缸孔的细加工则在MB4220×100半自动立式珩磨机上完成。加工基准是以总成底面和底面上2-Ø15H7孔组成的一面两孔定位基准。b.精、细加工工艺处理在德国生产的BFT90/3卧式镗床上粗镗各缸孔，留余量1.5～2mm；在T42100坐标镗床上半精镗各缸孔，留余量0.4～0.5mm；在T42100坐标镗床上以总成底面和2-Ø15H7孔定位，精镗各缸孔，留研量0.05～0.07mm；在MB4220×100半自动立式珩磨机上以底面及2-Ø15H7孔定位，珩磨各缸孔达到图纸要求。2.主轴孔的加工主轴孔是由7个Ø110H6(+0.022mm)孔组成，其圆柱度要求为0.01mm，同轴度要求为Ø0.02mm，表面粗糙度要求为RZ10µm。a.精细加工设备及加工基准主轴孔的精加工在个42100坐标镗床上完成；主轴孔的细加工则在德国生产的BFT90/3卧式镗床上完成。加工基准采用以顶面在工作台上定位，以侧工艺面校正，再以底面上的2—Ø15H7孔精校正。b.精、细加工工艺处理在BFT90/3卧式镗床上粗镗气缸体和曲轴箱上各半圆孔，留余量3mm；气缸体和曲轴箱各部位粗加工或半精加工后进行把合，形成气缸体总成组件；在T42100坐标镗床上定位、校正后压紧，校正镗杆平行度0.005mm(以工作台为基准)，半精镗主轴孔至Ø109.5+0.05mm，松动总成组装螺栓去应力后重新把合；在T42100坐标镗床上校正工件及镗杆后，用浮动镗刀将主轴孔Ø109.5+0.05mm尺寸加工至Ø109.85±0.01mm，表面粗糙度Ra1.6µm；在BFT90/3卧式镗床上，将总成前面对准镗床主轴，以顶面及侧工艺面校正X、Y方向，以主轴孔自身校正轴心后压紧，精镗第一、二孔至Ø110±0.005mm；将加工主轴孔的枪铰刀(见图3)轴部与机床主轴联接，校正联接套内孔径跳0.01mm，铰刀头部放入第一二孔内定位、导向，选用切削速度v=20～30mm/min，转速n=85r/mm，进给量s=0.08～0.12mm/r，精铰主轴孔，使之达到图纸要求。加工时应注意：①当枪铰刀从第二孔进给至第三孔时，应将进给量S严格控制在0.08～0.1mm/r范围内，此时枪铰刀的压光刀可将第一、二孔充分压光。②铰完第三孔后，可提高进给速度，快速进给至第四孔，以后各孔均按此处理。③在整个铰孔过程中应对刀刃部分充分冲洗，及充分冷却，以防止铰刀与孔发生粘连。3.凸轮轴孔的加工凸轮轴孔由7个Ø65H7(+0.030mm)孔组成，其同轴度要求为0.02mm，对总成前面、惰轮孔和Ø17H7孔的位移度要求为0.05mm，表面粗糙度要求为Rz16µm。凸轮轴孔的加工机床、加工基准和工艺图3加工主轴孔用枪铰刀处理方法与加工主轴孔相同，只是因孔径较小，切削参数可选为：转速n=125r/mm，进给量s=0.1mm/r。4重要尺寸的计算气缸体总成上的主轴孔、凸轮轴孔和惰轮孔三孔坐标尺寸的计算较为重要。设计给出的三孔坐标关系见图4。1.坐标尺寸的计算由图4可知：LOA=110+0.05mm，LAB=151.3+0.05mm，X0-A=42.295，Y0-B=118.5。在ACO中，有cos=(X0-A/LOA)=42.295/110=0.3845，因此=67°23'14。又因为sin=Y0-A/LOA，因此Y0-A=LOAsin=101.544。从图4可得YA-B=Y0-BY0-A=118.5-101.544=16.956。在ADB中，XA-B=(LAB2-YA-B2)½=150.347，因此，X0-B=XA-B-X0-A=150.347-42.295=108.052。由此可得各孔坐标尺寸为：A孔：X0-A=42.295，Y0-A=101.544；B孔：X0-B=108.052，Y0-B=118.5。2.坐标尺寸之差的计算3.采用坐标法加工孔系的孔距精度由坐标位移精度间接保证，因此，可用求解尺寸链的方法来确定各坐标尺寸的公差。4.在图4中，孔心距尺寸LOA是由坐标尺寸X0-A和Y0-A间接保证的，孔心距尺寸LOB是由坐标尺寸X0-B和Y0-B间接保证的，而孔心距尺寸LAB是镗完A、B孔后自然获得的，因此，它是由X0-A、Y0-A、X0-B、Y0-B四个坐标尺寸间接决定的。由于LOA、LAB的公差值均为0.05mm，而LOB的公差大于0.05mm，因此，只要能满足LAB的公差要求，各坐标尺寸所确定的公差就能满足LOA和LOB的要求。由此可见，根据这一尺寸链关系即可确定各坐标尺寸的公差。为计算方便，可分解为图5所示的几个简单尺寸链来计算。图4三孔坐标关系图5三孔尺寸链图5.由图5a可得LAB=(XA-B2-YA-B2)½(1)6.对式(1)取全微分分并以微小增量LAB、XA-B和YA-B代替各偏微分时，便可得到增量关系式为LAB=∂LABXA-B+∂LABYA-B=XA-BXA-B+YA-BYA-B∂XA-B∂YA-BLABLAB(2)7.令XA-B=YA-B=，则=LABLABXA-B+YA-B(3)8.将上面计算的各坐标数值代入式(3)，可得=151.3×(±0.025)=±0.023(mm)150.347+16.9569.XA-B和YA-B不是加工中直接得到的坐标尺寸。由图5b、c可知，XA-B和YA-B是由XO-A是由XO-A、XO-B和YO-A、YO-B的公差之和决定的。考虑到镗孔时各坐标位移的误差情况基本相似，故可按等公差法将坐标位移的公差值等值T，并用XA-B=YA-B=代替，于是有10.TXO-A=TXO-B=TYO-A=TO-B=T=/2=±0.0115mm11.因此，A、B孔的坐标尺寸和公差分别为A孔：{XO-A=42.295±0.0115mmYO-A=101.544±0.0115mmB孔：{XO-B=108.052±0.0115mmYO-B=118.5±0.0115mm13.考虑到T42100坐标镗床的实际精度为±0.008mm，因此在实际操作中标注的坐标尺寸为A孔：{XO-A=-42.295±0.01mmYO-A=101.544±0.0115mmB孔：{XO-B=108.052±0.01mmYO-B=118.5±0.01mm15.经过以上理论分析和计算，第一台样式加工检验结果为：①缸孔：圆度达0.008～0.01mm，垂直度达0.01～0.015mm，内孔表面粗糙度Ra=0.8µm；②主轴孔：圆柱度达0.008～0.01mm，同轴度达0.02mm，内孔表面粗糙度Ra=0.7µm；③凸轮轴孔：同轴度达0.02mm，位移度达0.04mm，内孔表面粗糙度Ra=0.7µm。其余各部位均达到设计要求。16.上述检验结果验证了WD618气缸体总成的样式工艺的可行性，为今后缸体总成的样式加工奠定了工艺基础。17.缸体是发动机的关键零件之一，对缸体的加工各国都采用了许多特殊的工艺方法来保证加工精度，其关键的加工部位有：曲轴孔、缸孔、顶面、止口等。目前，国内外缸体的产品图纸对顶面和缸孔都有如下技术要求(见图1)：缸孔对曲轴孔公共轴线的垂直度在缸孔的全长上不大于△(一般0.03)、顶面对曲轴孔公共轴线的平行度在全长上不大于△(一般0.04)等精度指标。这些精度指标将直接影响发动机的性能，因此，对缸体顶面及缸孔加工方法的研究是提高发动机质量的重要手段。18.图1缸体顶面和缸孔的技术要求19.以往缸体的加工大多采用一面二销定位，即利用缸体底面及底平面上的两个或四个定位销(粗、精加工分开)作为定位基准，完成缸体的全部粗、精加工工序，这种定位方法保证了理论上的六点定位