缸盖气门阀座和导管孔的加工技术
缸盖是内燃机的重要部件，它的加工精度直接影响到发动机的工作性能。发动机工作时，由于可燃气体是在缸盖燃烧室压缩后进行点燃，致使气门阀座承受很高的热负荷和机械负荷。这既要求阀座有很高的耐磨性，还要有很好的密封性。如果阀杆工作时中心发生偏移除了会导致有害的热传导和阀杆及导管孔的很快磨损外，还会造成耗油量的增加。因此，对气门阀座和导管孔的加工精度提出了很高的要求，特别是对气门阀座工作锥面与导管孔的相互间的同轴度规定了很严的公差。对于汽油发动机，同轴度允差规定为0.015-0.025mm，而对于柴油机则仅为0.01-0.015mm（在燃烧室中，柴油可燃气体的压缩比要比汽油大2-2.5倍）。在大批量生产中，要稳定的保持这样的公差，除需要优化加工工艺外，定位基准的选择，专用刀具和精镗头的合理结构及其精度均具有重要的意义。 气门阀座和导管孔的加工是缸盖加工的关键技术。长期以来，国内外许多组合机床和刀具制造厂，如大连组合机床研究所、Ex-Cell-O、Alfing、Grob、Hüler Hille、Ernst Krause & Co等机床厂和Komet、Plansee、Beck、Mapal等刀具厂都十分重视这类技术设备及专用刀具的开发。近几年来，特别是在专用刀具开发方面取得了长足进步，这对提高加工精度、刀具耐用度和加工效率起着积极作用。 气门阀座和导管孔的底孔加工 图1：装有硬质合金樘杆的专用刀具
图2：精樘气门阀座和导管孔（左），精加工气门阀座工作锥面和导管孔（右）
气门阀座和导管孔的底孔精度是直接影响气门阀座和导管孔终加工精度的重要因素。因为底孔的同轴度误差（一般应低于0.02-0.05mm）会造成气门阀座和导管孔精加工余量的分配不均，从而影响到终加工精度。 为保证阀座和导管孔底孔的同轴度公差，许多厂家采用专用复合刀具，并分钻扩、半精镗、和精镗三道工序进行加工。在精镗时，为增强细长镗杆的刚性，大多数采用硬质合金镗杆（图1），但也有采用背导向支承的方式（图2）。由于硬质合金的弹性模数（E＝500000N/mm?-630000N/mm?）比钢（E＝200000N/mm?）约大3倍，因此，选用硬质合金制作的镗杆可获得较好的刚性（R＝3EI/L?）。采用背导向支承方式，同样也可增强镗杆的刚性，但为确保支承效果，背导向的支承导套与镗杆中心应保持足够高的同轴度，在结构上也比较复杂。 缸盖的定位 精加工气门阀座工作锥面和导管孔时，多数是以与缸体的接合面和该平面上的两个定位销孔进行定位。这种曾被普遍应用的一面二销的定位方式，由于夹具定位销与阀座、导管孔之间的位置误差以及相邻阀座（和相邻导管孔）之间的位置误差均会造成加工余量的偏移，在最终精加工时，导致刚性差的铰刀也随之产生加工偏移，所以采用这种定位方式并非总能达到规定的精度。 因此，为确保加工精度，必须要减少定位误差以提高加工余量的均匀性，否则阀座和导管孔应分两次加工才是比较合理的。 缸盖采用平面和导管孔外圆进行定位，可以显著减少上述的定位误差（图2右）。采用这种定位方式，夹具的定位导套与机床主轴应保持很严的同轴度，以确保加工余量的均布。这样，阀座和导管孔只需进行一次性加工就能达到规定的公差。但是，缺点是在一个工位上只能加工一个阀座及导管孔。与采用一面两销定位方式相比，生产率要低一些，也就是，在保持同样生产率的情况下，需要增加一定数量的加工工位，从而增加了生产线的长度。 加工气门阀座和导管孔的专用刀具 图3：气门阀工作锥面的加工
图4：加工气门阀座和导管孔专用的刀具
采用一把专用刀具同时加工气门阀座和导管孔有利于提高同轴度。加工阀座的工作锥面，一般是采用锪削和车削两种成型工艺。锪削的刀刃倾斜角要与气门阀座工作锥面的半锥角相等。加工时，由于阀座是淬硬材料（HRC50-58），刀刃的磨损较快，而这种刀刃磨损的轮廓会复制在密封锥面上，从而影响到阀座工作时的密封性。但其优点是刀具的结构和刀具切削运动的控制较为简单，加工效率也较高。 用车削工艺加工阀座工作锥面可避免锪削时出现的缺陷。加工阀座时，一般需要加工阀座的端面，75°锥面和45°的工作锥面。前两个面的加工是为了获得一个宽度恒定的工作锥面。图4是加工阀座和导管孔的专用刀具，在专用刀具上倾斜布置的滑板刀架用于车削阀座的工作锥面，附加固定安装的三把刀具则用来加工阀座的端面、45°和75°锥面。由装在专用刀具端面处的导向套对加工导管孔的铰刀进行导向。为保证导向套与机床主轴的同轴度，在导向套装入刀体后可以再对导向套进行磨削，以消除构件的制造误差和装配误差。专用刀具刀体的导轨是精确按阀座工作锥面的角度制造的，所以可保证工作锥面的加工精度和重复精度。 加工开始前，分别推动滑板和铰刀运动的两个推杆位于起始位置，以便使车刀和铰刀都处在加工的初始位置（铰刀仅伸出导向套几毫米）。加工开始时，固定安装的刀具首先锪阀座和端面（刀刃Ⅱ）和倒棱（刀刃Ⅲ和Ⅳ）（图3）。接着这些刀具后退约0.2mm，使刀刃Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ脱离加工面，并使装在倾斜滑板上的车刀处于待加工位置，此时通过推动外层推杆使滑板实现进给，对阀座工作锥面进行精车。加工完后在滑板移到终点位置时，按铰削速度调整专用刀具的转速，内推杆推动铰刀实现导管孔的铰削加工。当铰削结束后，内推杆退回并使刀具退到起始位置。 如果采用CBN刀具车削阀座工作锥面时，由于要采用很高的转速（2000r/min-3600r/min），加工时产生的离心力会影响到加工精度，因此，对于这种专用刀具应采用平衡滑板。 随着高速加工中心进入汽车生产领域，越来越多的缸盖已转向采用加工中心来进行加工。由于加工中心难于在主轴后端设置推动铰刀实现进给的油缸，故只能寻求别的办法。Mapal和Beck公司已开发出利用离心力控制的适合于加工中心使用的专用刀具（图5）。这种刀具在加工阀座和导管孔时，刀具先是以1000r/min的转速锪削阀座锥面，加工完毕后，刀具后退约0.2mm，接着刀具转速提高到5000r/min，此时活塞依靠所产生的离心力而径向外移，挤压油腔中的油，并借助于阀门的控制以恒定的进给速度推动铰刀对导管孔进行加工。当导管孔加工完毕后，专用刀具的转速再降至1000r/min，铰刀自动退回到起始位置。 铰刀 图5：利用离心力推动铰削进给的专用刀具
图6：气门阀座和导管孔的综合精度测量
用于终加工导管孔的刀具既有采用单刃铰刀，也有采用多刃铰刀的。由于单刃铰刀在铰削过程中是依靠布置在刀体上的两根导向条来导向和支承切削力，因此，它对加工余量的不均匀敏感程度较低，这有利于提高气门阀座工作锥面与导管孔加工的同轴度。 而采用多刃铰刀，由于可采用较高的进给速度，导管孔的加工时间一般可比单刃约缩短75％，但这种铰刀对不均匀的加工余量比较敏感，会影响到阀座工作锥面与导管孔加工的同轴度。目前，从组合机床自动线上的加工技术水平出发，采用单刃铰刀有利于确保加工精度。 主轴部件 根据经验，气门阀座和导管孔的加工精度在较大程度上与主轴部件的刚性和精度有关。所以，主轴部件的径向跳动应低于2mm，端面跳动不大于1.5mm。这些偏差的大小直接决定阀座工作锥面的加工圆度，也就影响到阀座工作时的密封性。 主轴部件多数采用三联（或双联）角接触球轴承为前轴承，采用双联角接触球轴承为后轴承，轴承的精度等级一般采用P4。 气门阀座和导管孔加工精度的自动检测 在自动线上为对缸盖的加工质量进行监控，通常在精加工工位后面设置测量工位。图6所示是缸盖气门阀座和导管孔综合精度的自动测量装置。该装置采用四个气动测量头同时对四个阀座和导管孔进行测量。在测量阀座工作锥面的测量头上设有隙缝宽度约为50mm的环形喷嘴，测量导管孔的心棒同样设有测量喷嘴。当该心棒低速引入导管孔时，对阀座工作锥面自动定心和找正，这是通过专门设计的滚动轴承来实现的。并借助于弹簧给测量阀座工作锥面圆度的测量头施加一定的贴合力，使测量头靠在工作锥面上。当接通压缩空气进行测量时，就可以通过从环形喷嘴中排出的气体量来测定： 阀座工作锥面的圆度 导管孔的圆度 阀座工作锥面对导管孔的跳动误差 结束语 从对气门阀座和导管孔多种加工技术的分析中，可以提出提高其加工精度的下列途径： 为提高阀座工作锥面与导管孔的加工同轴度，应确保导管孔加工余量的均布，这可以通过采用缸盖接合面和导管外圆进行定位的方法来达到。 阀座工作锥面采用车削工艺可避免锪削工艺出现的一些缺陷。 终加工导管孔采用单刃铰刀有利于克服加工余量偏移引起的加工误差。 采用高速车削阀座工作锥面时，应用装有平衡滑板的专用刀具。 主轴部件的轴向和径向跳动应分别低于0.0015mm和0.002mm。 随着刀具材料和专用刀具的不断发展和推广应用，特别是适合于加工中心用的专用刀具的不断开发和完善，将进一步提高气门阀座和导管孔的加工精度、加工效率和加工柔性。
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