浅谈复合式缸孔加工工艺的技巧方法

黄幸周

（广西玉柴机器股份有限公司 广西玉林 537000）

气缸体作为发动机中重要的构成，对气缸体加工尺寸和误差需要严格控制，避免对发动机性能产生直接影响。以往由于我国缺乏气缸体加工核心技术，只能从国外购入气缸体专用加工设备，国外企业在气缸体加工技术领域中处于垄断地位，技术和设备价格昂贵。经过我国各个企业和科研团队的多年努力，南汽科研团队在气缸体加工技术上取得了突破性进展，其研发的精镗缸孔精密双轴机床设备逐渐替代国外设备，为气缸体加工提供重要支持。

1 复合式气缸体缸孔加工技术背景

气缸体是发动机的重要构成部件，发动机内燃机基础骨架主要由气缸套、气缸盖和气缸体构成。由于发动机燃烧室处于高温、高压环境，对于气缸体和气缸盖之间的密封度要求严格。传统气缸盖为了保证达到密封条件，在缸孔周围设置螺栓孔，安装气缸套后凸出缸体顶面，要严格控制凸出面的尺寸精度，同时也要严格控制缸垫厚度和螺栓力矩，才能保证缸垫受到压力达到密封要求。为保证密封，在缸孔周围设置多个螺栓孔，必然造成气缸盖结构复杂，加工生产困难，也影响到鼻梁区的冷却效果。另外，气缸垫厚度、顶面突出高度及螺栓力矩的加工都对工艺技术要求更高，若技术不达标，很容易发生漏气、漏油故障，影响发动机整体质量。

因此，需要对复合式气缸盖进行开发，将气缸体水套转移至气缸盖上，于气缸盖上面设置缸孔，对缸孔底面的加工要求高，必须使用专用设备和刀具才能保证达到精度要求。由于开发新产品变动性较大，使用的专用刀具和设备的周期性短，需要频繁更换刀具，增加了设备开发和加工的成本。目前，气缸盖加工存在以下难点。（1）由于气缸盖底和缸孔交接位置均为弧面，复合缸孔位于燃烧室，需要在高温、高压环境下工作，若底面和缸孔连接位置衔接不佳，极容易受到高温、高压作用发生开裂问题，造成发动机故障。（2）缸孔底面对加工精度要求更高，对使用的加工刀具要求严格，加工期间在中心位置的径向进给速度为0，复合缸孔无法横向铣削整个底面，只能由径向铣削加工，加工难度高，因此，更需要研发缸孔加工技术，通过优化加工工艺提高气缸加工精度，满足发动机的质量要求。积极应用普通镗刀和铣刀加工，减少制作专用刀具，在加工中心内展开缸孔加工，以最大限度节约加工成本，最终得以延长气缸体部件的寿命，降低发动机的故障率［1］。

2 复合式气缸体缸孔加工工艺安排

2.1 复合式气缸体缸孔加工工艺安排原则

复合式气缸体缸孔的加工工艺安排原则主要为以下3 个方面。（1）在大表面上，将多余的加工层进行切除，以此确保在对其进行精加工切削处理后切削处理造成其形变量较小。（2）将容易发现复合式气缸体内部缺陷的工序安排在前几道工序中，降低不必要加工浪费情况的发生概率。（3）将复合式气缸体缸孔的深孔加工措施及大孔径加工措施安排在复合式气缸体缸孔加工工艺的前面工序中，避免由于加大内引力对后续复合式气缸体缸孔加工工序的精细加工产生影响。

2.2 影响复合式气缸体缸孔精度的因素

对复合式气缸体缸孔精度产生影响的加工因素主要有以下3 方面。（1）复合式气缸体缸孔加工工艺顺序。（2）复合式气缸体缸孔加工定位的精度。（3）复合式气缸体缸孔加工的硬件条件。

复合式气缸体缸孔加工工艺顺序为：需要先对气缸体的顶部、底部、前部及后部4个区域中的大面积大部分加工余量进行切除，以此释放气缸体的铸造应力。在对复合式气缸体缸孔进行精加工之前，还需要完成各个面的孔加工操作，避免精加工缸孔时对其他缸孔造成缸孔变形的影响。主轴承孔的刚性和缸孔刚性相比更高，所以，在进行复合式气缸体缸孔精加工操作时，应先进行主轴承孔的加工，之后再进行其他缸孔加工。

复合式气缸体缸孔加工定位的精度指的是由于定位基准不准确造成的加工工艺问题，这一问题主要表现为缸孔的壁厚不均、镗削余量分配不均，使得复合式气缸体缸孔的加工阶段出现受力分布不均的情况，使得复合式气缸体缸孔精加工操作后无法达到孔径、圆柱度及圆度等加工精度方面的要求。

复合式气缸体缸孔的硬件条件主要包括加工设备精度保证、加工设备的稳定性保证、工装夹具的刚性保证、工装夹具的定位准确程度、刀具切削过程中的均匀受力等。

复合式气缸体缸孔的加工主要使用的加工工艺为镗削工艺。镗削工艺的流程为：将复合式气缸体工件在工作台上进行固定，之后让刀具随着加工设备的主轴进行旋转运动，依靠工作台移动运动及主轴进给运动，达到镗削操作目的。通常使用的镗刀类型为微调镗刀和定位镗刀。

复合式气缸体缸孔的加工工艺流程为：毛坯孔；粗镗缸孔；半精镗缸孔；精镗缸孔；镗止口；珩磨缸孔［2］。

3 复合式气缸体缸孔加工的技术要求

3.1 加工设备的选择

对于复合式气缸体缸孔加工设备的选择，首先需要根据加工工艺设计技术要求对设备的工作任务、预计产能、质量目标及柔性条件等进行明确，并结合技术学习调研、与设备制造商沟通、同行业对比、以往应用经验反馈和工艺设计优化原则等进行复合式气缸体缸孔加工工艺的设计，并将设计成果在加工设备选择的具体技术要求中进行应用。加工中心是对各个模块进行标准化的数字控制设备，其在可靠性及柔性方面都进行了有效的提高，具有加高的性价比。

3.2 工装夹具的设计

复合式气缸体缸孔加工中使用工装夹具设备，需要在完成工件加工工艺的设定之后，根据加工工序内容及加工工序要求开展。工装夹具的设计质量会直接对工件加工质量、工件加工生产效率、工件加工操作安全程度、工件加工操作便捷程度及工件加工设备维护等方面产生影响。工装夹具的设计是确保工件加工精度的关键点，其首先需要对定位基准、定位方法、支撑点及压紧点进行正确的选择，并且还需要设计工件定位装夹气密性的检测功能，确保工件定位的准确性，若有必要，还应进行加工受力分析及定位误差分析操作，确保夹具设计可以达到工件加工的精度要求。工装夹具设计应尽量使用各类快速、高效的装夹设施，尽量使用标准原件和结构，以此确保操作的便捷程度，降低辅助时间和夹具制造成本，提高生产效率［3］。

4 复合式缸孔加工的技术的设计原理和具体实施方式

4.1 复合式缸孔加工技术的设计原理

根据复合式缸孔加工技术要求及原理，本文以使用普通铣刀和镗刀便可以完成的复合式缸孔加工方法，这种方法具有操作简单、通用性较强的特点，其加工工艺流程如下。

（1）定位和安装铣刀及镗刀。即操作人员将需要加工的气缸盖进行定位，使气缸盖的开口向上，并在加工中心部位进行铣刀和镗刀的安装。

（2）铣操作。即操作人员使用铣刀对缸孔底部进行螺旋插补精铣操作，之后，再对缸孔底部使用圆弧插补精铣操作，圆弧插补的直径计算公式为“D=缸孔的设计直径-镗刀R×2”，铣削后的缸孔深度（h1）需要达到设计要求。

（3）镗操作。即操作人员通过转动刀盘及更换镗刀的方式对缸孔侧壁进行加工，通常使用的镗刀R应在0.2～0.4mm 之间，确保镗操作后的缸孔直径也可以符合设计要求，镗操作后的缸孔深度为h2，其需要比铣削后的缸孔深度（h1）小。

（4）加工完成后退出刀具操作。操作人员需要进行以下4 步操作：①气缸盖的缸孔在实施螺旋插补操作之前需要进行精铣和半精铣两个步骤，缸孔的底部需要留出0.3～0.6mm 的余量，缸孔侧壁则需要留出0.8～1.2mm 的余量；②进行气缸盖缸孔加工操作，使缸孔底部的留有余量达到0.5mm，缸孔侧壁的留有余量达到1.0mm；③在上述②操作中，操作人员需要将螺旋插补操作分成两刀铣削进行处理，第一刀铣削0.1mm，第二刀铣削0.4mm；④上述③操作中，操作人员通过镗刀进行镗孔操作后的缸孔深度需要确保h2＜h1，并且缸孔深度应在0.08～0.1mm的范围内。

这种方法和现阶段使用的技术相比具有以下3个方面优势。（1）操作人员使用这种方法进行气缸盖缸孔加工时，不需要依靠专业的刀具及设备来完成加工操作，可以通过现有的普通镗刀和铣刀，借助加工中心就可以完成加工处理，可以有效节省设备采购花费的成本。（2）可以严格对镗削后的缸孔深度进行控制，确保镗削操作的缸孔深度h2小于铣削操作的缸孔深度h1，若是出现镗削操作的缸孔深度h2大于铣削操作的缸孔深度h1的情况，则会导致缸孔底部根处由于铣削操作出现凹坑。（3）可以选择使用合理的圆弧插补直径，圆弧插补直径的计算公式为“D（圆弧插补直径）=缸孔设计直径-镗刀R×2”。在“圆弧插补直径D＜缸孔设计直径-镗刀R×2”的情况下，则会导致缸孔底部根处出现一圈突出的圆环；若是“圆弧插补直径D＞缸孔设计直径-镗刀R×2”的话，则会导致气缸底部和侧壁的连接圆弧被铣削掉。

4.2 复合式缸孔加工技术的具体实施方式

作为对照，对复合式缸孔加工技术的具体实施方式进行详细说明，此说明仅为示范性说明，并没有对本方法的使用范围及应用进行限制。通过进行非限制性及非排他性案例的描述，其中，相同的标记代表着相同部件，若有差异，则会特别标注出来［4］。

4.2.1 案例一

一种复合式缸孔加工技术需要包括以下四步。（1）定位和安装铣刀及镗刀。即将需要加工的气缸盖进行定位，使气缸盖的缸孔1开口向上，并在加工中心部位进行铣刀和镗刀的安装。（2）铣操作。对缸孔1实施精铣和半精铣两步，使缸孔1的底部可以留有0.3mm的余量，缸孔1的侧壁可以留有0.8mm的余量。之后，使用铣刀对缸孔地面实施螺旋插补操作，螺旋插补操作需要分成两刀铣削完成，第一刀铣削0.1mm，第二刀铣削0.4mm。之后，使用圆弧插补精铣，缸孔1的底面圆弧插补精铣也需要分成两刀铣削完成，第一刀铣削0.3mm，第二刀铣削0.2mm，圆弧插补的直径计算公式为“D=缸孔的设计直径-镗刀R×2”，铣削后的缸孔1深度h1需要达到设计要求。（3）镗操作。操作人员对刀盘2进行转动，更换好镗刀，镗刀的规格为R0.4mm，对缸孔1的侧壁进行加工处理，使缸孔1的直径可以满足设计要求，镗孔操作完成后的缸孔1深度为h2，h2需要小于h1，也就是0.08mm。（4）完成全部加工操作后，退出刀具。

4.2.2 案例二

另一种复合式缸孔加工技术需要包括以下四步。（1）定位和安装铣刀及镗刀。即将需要加工的气缸盖进行定位，使气缸盖的缸孔开口向上，并在加工中心部位进行铣刀和镗刀的安装。（2）铣操作。对缸孔实施精铣和半精铣两步，使缸孔的底部可以留有0.5mm 的余量，缸孔的侧壁可以留有1.0mm的余量。之后，使用铣刀对缸孔地面实施螺旋插补操作，螺旋插补操作需要分成两刀铣削完成，第一刀铣削0.1mm，第二刀铣削0.4mm。之后，使用圆弧插补精铣，缸孔的底面圆弧插补精铣也需要分成两刀铣削完成，第一刀铣削0.3mm，第二刀铣削0.2mm，圆弧插补的直径计算公式为“D=缸孔的设计直径-镗刀R×2”，铣削后的缸孔1深度h1需要达到设计要求。（3）镗操作。操作人员对刀盘进行转动，更换好镗刀，镗刀的规格为R0.4mm，对缸孔的侧壁进行加工处理，使缸孔的直径可以满足设计要求，镗孔操作完成后的缸孔深度为h2，h2需要小于h1，也就是0.1mm。（4）完成全部加工操作后，退出刀具。

4.2.3 案例三

还有一种复合式缸孔加工技术需要包括以下四步。（1）定位和安装铣刀及镗刀。即将需要加工的气缸盖进行定位，使气缸盖的缸孔开口向上，并在加工中心部位进行铣刀和镗刀的安装。（2）铣操作。对缸孔实施精铣和半精铣两步，使缸孔的底部可以留有0.6mm 的余量，缸孔1的侧壁可以留有1.2mm的余量。之后，使用铣刀对缸孔地面实施螺旋插补操作，螺旋插补操作需要分成两刀铣削完成，第一刀铣削0.1mm，第二刀铣削0.4mm。之后，使用圆弧插补精铣，缸孔的底面圆弧插补精铣也需要分成两刀铣削完成，第一刀铣削0.3mm，第二刀铣削0.2mm，圆弧插补的直径计算公式为“D=缸孔的设计直径-镗刀R×2”，铣削后的缸孔深度h1需要达到设计要求。（3）镗操作。操作人员对刀盘进行转动，更换好镗刀，镗刀的规格为R0.2mm，对缸孔1的侧壁进行加工处理，使缸孔的直径可以满足设计要求，镗孔操作完成后的缸孔1深度为h2，h2需要小于h1，也就是0.1mm。（4）完成全部加工操作后，退出刀具。

上述操作可以进行变通应用，因此，案例只是对某种或多种特定实施方式进行描述［5-6］。

5 结语

综上所述，因为复合式气缸盖应用在试制新产品过程中容易出现变动，并且使用的刀具和设备的专用程度明显，加工操作具有较大的局限性，并且采购耗费时间较长等缺点。而本文所提到的加工方法只需要使用普通铣刀和镗刀，借助加工中心便能够完成复合式气缸盖的缸孔加工任务，不需要专用的设备和刀具，所以，这一方法在新产品试制开发阶段的复合式气缸盖制作中具有良好的应用效果。