摘 要：以發(fā)動機缸體作為研究對象，主要從缸體頂面、缸孔、曲軸孔3個方面精加工尺寸進行論述。通過選用頂配進口加工中心及珩磨機，采用定制夾具及輔助支撐，并配以先進的刀具、優(yōu)化CNC加工程序及機床加工精度，保證了產(chǎn)品的精加工尺寸要求，包括尺寸公差、形位公差、粗糙度、珩磨網(wǎng)紋等。該加工工藝技術(shù)可為相關機械廠在提高缸體頂面、缸孔、曲軸孔精加工精度方面提供借鑒。
關鍵詞：發(fā)動機缸體；缸孔；曲軸孔；加工中心；珩磨機
缸體是發(fā)動機最重要的核心零部件，缸體缸孔的高精度加工要求是制約提高發(fā)動機品質(zhì)的難題，主要體現(xiàn)在缸體頂面、缸孔、曲軸孔幾個方面。這些精加工尺寸控制不好，不僅將影響發(fā)動機整體的性能，同時容易造成漏油、漏水，如缸孔圓柱度不好會造成缸內(nèi)的機油上竄氣[1]、甚至爆缸現(xiàn)象。
目前國內(nèi)主流的加工中心及珩磨機生產(chǎn)廠商在設備動態(tài)加工精度、設備穩(wěn)定性方面跟國外先進設備相比存在著較大的差距，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品不合格率高，無法保證發(fā)動機整機產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性。不少機械制造廠工件夾緊采用機械結(jié)構(gòu)裝夾，這種局部夾緊易造成缸體擠壓變形；如果非恒溫恒濕車間，溫度變化也會給鑄件缸體精度帶來很大的影響。因此國內(nèi)大部分發(fā)動機廠為了控制成本，選用國內(nèi)設備進行缸體工藝過程中的尺寸粗加工、半精加工，而精加工則會選用國際先進的設備；也有部分廠家會不惜成本，全線設備包括珩磨機都采用進口，以保證產(chǎn)品制造質(zhì)量及裝配質(zhì)量。
進口設備加工中心均有自動補償功能，并通過專用夾具一次定位夾緊、關鍵工序刀具的選型、優(yōu)化加工中心CNC及珩磨機程序、恒溫恒濕的生產(chǎn)條件保證等，可完成缸體頂面精銑、珩磨缸孔、珩磨曲軸孔的復雜生產(chǎn)過程，達到高精度制造水平并滿足生產(chǎn)線的節(jié)拍要求。本文以實際加工產(chǎn)品為例，對其具體制造工藝技術(shù)進行分析介紹。
1 、缸體尺寸特性要求
圖 1 所示為發(fā)動機最終產(chǎn)品尺寸示意圖，包括缸體頂面、缸孔、曲軸孔精加工尺寸，有關要求說明如下：
圖1 發(fā)動機最終產(chǎn)品尺寸示意圖
2）缸體頂面尺寸：缸體頂面到曲軸孔距離尺寸公差為0.08 mm，頂面粗超度為Rmax12.5 μm，頂面對曲軸孔的平行度為 0.05 mm，頂面平面度為0.05 mm。
3）缸孔尺寸：缸孔直徑公差為0~0.015 mm，缸孔對曲軸孔垂直度要求為0.05 mm/150 mm，缸孔加工位置度精度為 直徑 0.2 mm，缸孔圓柱度精度要求為0.01 mm，缸孔粗糙度為Rz2~5 μm。
4）缸體曲軸孔尺寸：曲軸孔的粗糙度為Rz10 μm，直徑公差為0~0.018 mm，曲軸孔位置度精度要求 直徑0.2 mm、圓度為0.005 mm、圓柱度為0.005 mm，曲軸孔第2、第3、第4檔的同軸度為0.008 mm。
2 、缸體頂面精加工精度工藝制造技術(shù)
1）缸體的裝夾定位按照產(chǎn)品圖紙進行設計。因圖面尺寸基準為底面及底面兩定位銷孔，而這類基準在前面工序已加工出來，所以缸體頂面加工定位基準為底面及底面兩定位銷孔，這樣消除了因基準轉(zhuǎn)換造成的精度誤差。
2）由于缸體空間尺寸較大，加工過程若裝夾不緊會使缸體產(chǎn)生微小晃動，嚴重影響加工精度，故需要在夾具上設計若干自鎖式輔助支撐點及裝夾點，且應保證缸體裝夾受力均勻，防止因裝夾受力不均，加工后釋放應力而影響了缸體平面度。
3）加工中心增加有 3 點三檢的氣檢方式，裝夾不到位會及時報警，保證了產(chǎn)品加工的穩(wěn)定性。
4）缸體頂面精銑、精密孔加工時采用立方氮化硼（CBN）刀片、鉸刀。這些刀具壽命長，且具有加工精度高、表面粗糙度參數(shù)值小、生產(chǎn)率高等優(yōu)點。若采用硬質(zhì)合金刀片，則在大批量生產(chǎn)的條件下無法保證粗糙度的加工要求，只要鍍層的硬質(zhì)合金刀片加工超過 100 件，就容易產(chǎn)生粗糙度超差，而采用 CBN 刀片則效果要好很多，可以加工200件以上。
5）控制加工中心切屑參數(shù)，優(yōu)化CNC走刀路線，適當提高切削速度，可減少缸體頂面因進刀、出刀時吃刀量受力不均而造成的缸體前后端面平面度超差。
6）大盤銑削加工后，通過CNC控制程序及追加大毛刷，繞著缸體頂面沿銑刀加工路線刮一遍，剔除缸體毛刺。
7）車間溫濕度控制。控制設定恒溫20±2℃、相對濕度40%~60%，減少熱脹冷縮對缸體精加工的影響。
缸體頂面精加工后的平行度、平面度、粗糙度檢測報告如圖2所示。
圖2 缸體頂面尺寸檢測報告
3 、缸體缸孔精加工精度工藝制造技術(shù)
缸體缸孔精加工尺寸要求高，是工藝制造控制的重點。為了保證缸孔珩磨的質(zhì)量，需在珩磨前把缸孔直徑尺寸公差控制在±0.01 mm，即只允許有20 μm的公差帶通過氣檢后方能進來珩磨機進行鉸珩，而在缸孔入珩磨前，需先在加工中心精鏜缸孔到預定尺寸，其加工工序圖如圖3所示。
圖3 加工工序圖
精鏜刀采用內(nèi)冷結(jié)構(gòu)，保證在切削過程中產(chǎn)生的熱量及時被帶走從而降低局部加工的溫度、提高缸孔表面質(zhì)量。根據(jù)最終產(chǎn)品圖紙對比，珩磨前工序缸體缸孔直徑精鏜后預留有0.04~0.05 mm 加工余量給后面珩磨機鉸珩，粗超度控制在 Rz10~20 μm，圓柱度控制在 0.015 mm，而位置度 直徑 0.2 mm 和垂直度 0.05 mm/150 mm 與產(chǎn)品圖紙一致，即在保證位置度和垂直度情況下通過鉸珩來控制缸孔的粗糙度、直徑、圓柱度。缸體缸孔精鏜后通過在線氣檢設備檢測缸孔直徑，符合的產(chǎn)品通過機動輥道進入珩磨機。雖然進口缸孔鉸珩設備（如德國某知名珩磨機）一次性投入較大，但后期加工成本極低，且加工質(zhì)量穩(wěn)定。
采用立式珩磨機進行加工。在加工過程中，珩磨頭的油石在脹縮機構(gòu)下作徑向進給，把工件逐步加工到所需尺寸，珩磨頭外周鑲有 6~9 根鉸珩砂條，粗珩可采用6根，精珩采用9根，長度約為缸孔長度 1/3~2/3。珩磨時往返速度控制在 25~35 m/min，珩磨效率較高[2]，珩磨往復換向加速度越大，換向時所形成的圓弧過渡區(qū)域越小，珩磨網(wǎng)紋質(zhì)量越高[3]。
油石對孔壁的壓力控制在0.3~0.5 MPa，珩磨油石壓力的大小直接影響工件表面質(zhì)量、油石磨損量和工件尺寸精度、表面粗糙度[4]。
缸體缸孔精鏜后經(jīng)過粗珩和精珩可滿足產(chǎn)品尺寸要求，珩磨后會產(chǎn)生20°~30°的珩磨網(wǎng)紋，對缸孔油膜的潤滑油存儲有很好的效果。缸孔珩磨后直徑、位置度、圓柱度、垂直度、粗糙度檢測報告如圖4所示。
圖4 缸孔尺寸檢測報告
4 、缸體曲軸孔精加工精度工藝制造技術(shù)
常用的汽油發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速可達6000 r/min對曲軸孔工藝要求高，為了保證曲軸孔珩磨的質(zhì)量，需在珩磨前把曲軸孔直徑尺寸公差控制在±0.015 mm，即只允許有0.03 mm的公差帶通過氣檢后方能進來珩磨機進行平臺珩，而在曲軸孔進入珩磨前，需先在加工中心精鏜曲軸孔到預定尺寸，其加工工序圖如圖5所示。
圖5 曲軸孔工序圖
加工中心精鏜刀采用內(nèi)冷結(jié)構(gòu)，由于曲軸孔深度大、達300 mm，故對鏜刀要求也高，采用CBN材質(zhì)刀片，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖6 鏜刀結(jié)構(gòu)圖
刀具選用很關鍵，選用了mapal品牌，該刀具上帶有4根半精鏜刀片和6根精鏜刀片。在加工過程中，先由刀片擴引導孔，切削掉大部分余量，然后由半精鏜刀片鏜至 直徑48.79 mm，留0.2 mm的余量給 直徑 48.995 mm 刀片進行切削；先鏜曲軸孔第1檔、第2檔的位置，然后旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺，鏜另一側(cè)曲軸孔第5檔、第4檔、第3檔的位置。根據(jù)最終產(chǎn)品圖紙對比，珩磨前工序缸體曲軸孔直徑精鏜后預留有0.04~0.05 mm加工余量給后面珩磨機平臺珩。平臺網(wǎng)紋的曲軸孔與普通珩磨的曲軸孔相比，磨合期縮短了 1/3~1/2，壽命提高 10%~20%，扭矩提高 5%，機油消耗降低 50%~60%[5]。平臺珩粗糙度控制在Rz10-20 μm，圓柱度控制在0.01 mm，而位置度 直徑0.2 mm、圓度0.01 mm、同軸度0.008 mm，也通過平臺珩達到產(chǎn)品尺寸要求。
為了保證尺寸精度，曲軸孔采用一次珩磨到位，即從第1檔平臺珩至第5檔，同時進行旋轉(zhuǎn)及往返運動。缸體曲軸孔珩磨后直徑、圓度、位置度、同軸度、圓柱度、粗糙度檢測報告如圖7所示。
圖7 曲軸孔尺寸檢測報告
5 、結(jié)語
針對發(fā)動機缸體頂面、缸孔、曲軸孔精加工，采用自鎖式夾具及輔助支撐設計，選用先進的刀具材料和刀具組合結(jié)構(gòu)，控制加工溫濕度，控制好加工工藝參數(shù)、切屑余量，并通過先進加工中心和進口珩磨機，保證了產(chǎn)品精加工精度要求，進而保證了產(chǎn)品裝配性能，實現(xiàn)缸體量產(chǎn)。
