数控机床

        摘要：随着粉末冶金材料在缸盖气门座圈上越来越多的应用。其高硬度及残余多孔结构对座圈的加工提出了更高的要求，而座圈导管专用复合刀具的发展应用，可以较好保证座圈相对导管的跳动要求，而座圈圆度成为较难保证的项目。为此。研究了各类工艺方案对气门座圈加工圆度的影响。
 
        关键词：发动机缸盖；气门座圈；加工圆度
   
        发动机工作中，气门不断往复，气门座圈在高温下承受着很高的热冲击和机械负荷，工作条件十分恶劣，这就要求气门座圈凡尔线锥面具有良好的高温耐磨性和密封性。粉末冶金材料的残余多孔结构使其具有良好的自润滑性和隔音性能，能满足气门座圈耐磨损、耐腐蚀、抗冲击的要求，因此，在气门座圈上得到了广泛的应用，而其残余多孔结构对气门座圈的加工提出了更高的要求。随着各类专用复合刀具的发展应用，可以很好保证座圈相对导管的跳动要求，而公差更严的气门座圈圆度成为较难保证的项目。本文主要研究各类工艺方案对气门座圈加工圆度的影响。
 
       1、加工背景
  
      采用各类专用复合刀具进行组合加工缸盖气门座圈及导管，进气座圈锥面1400，排气座圈锥面120。，进、排气座圈凡尔线锥面圆度要求0．008 mm。进、排气座圈材质均为粉末冶金，具体成分特性如表l所示。
 
      2、工艺方案
 
      2．1 锪座圈方案
 
      新品试制时，为节约成本，通常在加工中心上采用锪座圈加工方案，利用法兰刀柄调节刀具跳动。首先，用导引刀具粗锪座圈凡尔线锥面(同时锪其它的一个或两个锥面)，留0．15 mm左右精加工余量，再用精加工刀具精锪座圈凡尔线锥面，到位后停留几转修光。这种刀具结构简单，刚性好，调节方便，精加工凡尔线锥面时只有一枚刀片在加工，排除其它刀片加工振动的影响，可以得到较高质量的座圈凡尔线锥面。
 
                                                                     表1气门座圈成分特性
     
  
      2．1．1枪铰刀具I
   
      枪铰刀具I座圈粗加工采用常规的四方形可转位刀片，精加工时采用特殊结构的CBN长条形刀片，并在刀体上镶有3块支撑导条，当刀片切人工件时，支撑导条也紧随着在对应的位置起支撑作用，并吸收切削所引起的振动，如图l所示。特殊结构的长条形刀片带有供刀片夹紧用的V型槽，如图2所示，压板前端与V型槽构成稳固的楔形夹紧，提高调刀的精确性及切削时的稳固性。长条形刀片可通过两端的调整螺钉调节刀尖回转直径和刀片倾角?
  

    
  
          图l 枪铰刀具I(粗加工和糟加工)
 
      2．1．2柔性枪铰刀具II
 
      柔性枪铰刀具II采用刀夹结构，如图3所示，对于尺寸相近产品可通过更换相应刀夹实现座圈的柔性加工，降低生产成本。柔性枪铰刀具II粗、精加工均采用三角形可转位CBN刀片，刀片刚性好，稳固安装于刀夹对应V型凹槽内，通过调整刀夹的高度及倾角(带动刀片一体)调节加工相关位置及锥面尺寸。

      
             图2特殊结构的长条形刀片
 

       
                                       图3柔性枪铰刀具II【精加工)
 
 
      2．2车座圈方案
 
      锪座圈加工方案切削力较大，对刀具刚性要求较高，而且刀刃磨损快，会在座圈锥面上复映锪刀切削刃的各种缺陷，而车削加工可以避免该问题的发生，故批产时通常在专机上采用车座圈加工方案。
 
      2．2．1 展开式刀具I
 
      展开式刀具I(如图4、5所示)加工时，首先，主轴进给，通过固定安装的特制CBN锪刀片(如图6中b、c所示)粗锪座圈凡尔线锥面(同时锪其他的锥面)，留0．05 mm精加工余量，接着，主轴后退0．2 mm，使粗锪刀片脱离工件加工表面，精车刀处于待加工位置，然后，通过心轴推动滑块带动特制CBN精车刀片(如图6中a所示)由外向内精车座圈凡尔线锥面。
  
      
      图4展开式刀具I(精车刀)
  
     
      图5展开式刀具I(粗锪刀)
 

      图6刀片加工示意图(加工终点位置)
  
     
      图7柔性展开式刀具Ⅱ
 
 
      2．2．2柔性展开式刀具II
     
      柔性展开式刀具II(如图7所示)可在一定范围内实现不同角度、不同大小缸盖座圈锥面的加工。发生头刀具包含粗车刀和精车刀，均为菱形刀片，两刀片轴向、径向均相差小段距离，粗车刀切削在前，精车刀在后，可根据需要调整粗车、精车加工余量的分配，减小精车切削力，保证座圈表面质量。加工时，通过主轴与心轴(推动滑套的轴)两轴联动进给，适应座圈不同角度锥面的组合加工，由外向内完成座圈所有锥面的粗车和精车加工(如图8所示)。
  
     
      图8刀片加工示意图
 
  
      3 、检测结果
 
 
      3．1检测方法
 
      采用三坐标测量机，以缸盖底面为基准面，在座圈下沉量尺寸平面位置，探针连续走圆，采集众多数据点，消除采点少及反复接触、离开工件产生的误差，提高测量不确定度，具备一定的测量精度。但是，由于三坐标结构为正交的线性轴，而这种圆度检测需要联动两个轴且不断变换方向，转点的滞后会引起一定的测量误差。本文检测中使用的计量型三坐标，其测量误差约1．3“m。
 
      3．2检测数据
 
      3．2．1锪座圈方案
 
      经检测，枪铰刀具I加工座圈圆度在0．008 mm上下，数据波动略大；柔性枪铰刀具II加工座圈圆度在0．008 mm左右，数据波动较小。切削试验中发现，切削参数的调整对座圈加工圆度影响不明显，适当延长孔底停留光整时间对座圈圆度有一定改善。此外，据有关研究表明，座圈加工中，为实现平稳切削并不存在理想的切削参数，而刀片几何结构却有一定影响，对刀片刃口负倒棱进行倒圆对切削力、加速度和圆度有很大影响，试验显示倒圆半径约60岬时，振动最小，加工座圈形状、圆度最佳。
 
      3．2．2车座圈方案
 
      经检测，展开式刀具I加工座圈圆度在0．008 mm左右，略有波动；展开式刀具II加工座圈圆度可以较好地控制在0．008 mm以内。刀具旋转时存在的不平衡量会产生离心力而引起振动，对主轴轴承、刀具寿命和加工质量造成不利影响，故使用前必须做动平衡试验，根据测出的不平衡量采用去重或配重的方法保证其平衡，此类刀具动平衡一般采用DIN IS0 1940标准G2．5级。
 
      4、结语
 
      发动机缸盖气门座圈加工圆度车座圈方案要优于锪座圈方案，试验中，车座圈方案可将座圈圆度稳定控制在O．008 mm以内，而锪座圈方案只能在O．008 mm左右。而刀具结构对座圈加工圆度有一定影响，尤其对刀具的刚性要求较高，须尽可能缩短悬伸，刀片结构稳固，装夹方式建议采用中间固定，保证刀片装夹可靠，有效减小切削振动，提高座圈表面质量和加工圆度。
 
     本文主要试验了相关刀具对座圈加工圆度的影响。当然，除此之外，还有很多其它因素对座圈加工圆度有综合影响，如对机床主轴跳动有一定要求，工装夹具尽量选用稳定可靠的液压夹具，以及切削液的冷却润滑性、润滑压力、过滤精度等。此外，由于座圈圆度要求较高，三坐标检测误差相对较大，建议寻求专业的座圈圆度检测设备。