（机械制造及其自动化专业论文）新一代内燃机超精密偶件加工技术研究.pdf

中文摘要 随着环境污染的日益严重，保护环境已成为二十一世纪社会发展的主题。从 2 0 0 0 年开始，我国政府开始实施新的排放标准，我国原有的系列燃油喷射系统， 技术含量低，工作能力小，不能满足新的排放法规和市场的要求。由天津大学内 燃机重点实验室研制的新一代内燃机平衡阀偶件，既能满足新的排放法规的要 求，又能满足国内柴油机的装机要求，适应了目前柴油机向大功率增压中冷的发 展趋势，经济性能良好，适合已经实施的排放法规。在今后的两三年内，新一代 内燃机平衡阀偶件将在内燃机行业中得到广泛的应用，而平衡阀偶件的大批量稳 定性生产也就成了至关重要的问题。 本文在借鉴国内外柱塞偶件加工工艺的基础上，对平衡阀偶件结构及其工艺 难点进行了分析，制定了平衡阀偶件大批量生产加工工艺流程，并根据现有生产 条件加工平衡阀偶件试验样件，对其中出现的问题进行分析解决。提出了精密桂 塞副偶件调整法加工的尺寸偶配统计学原理，给出了偶件配合间隙形成条件、偶 配间隙与配偶尺寸统计特征的关系，为偶件的分选偶配及面向分选配对的调整法 偶件加工提供统计学理论依据，为实现偶件加工统计过程控制和60 偶配打下基 础。根据偶件加工统计过程控制( s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o l ，s p c ) 理论， 编程开发了平衡阀偶件s p c 质量监测系统。对珩磨精密加工工艺进行了实验研 究，分析了粗珩加工中网纹角、工作压力、珩磨速度与材料去除率的关系。 关键词：平衡阀偶件，加工工艺，统计，s p c 控制图，珩磨实验 a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nh a sb e c o m eam a i nt o p i co fs o c i a ld e v e l o p m e n to f 2 1 t h c e n t u r ya l o n gw i t hi n c r e a s i n g l ys e v e r ep o l l u t i o no ft h ee n v i r o n m e n t a n dt h en e w e m i s s i o nc o n t r o lr e g u l a t i o nh a sc o m ei n t of o r c ei no u rc o u n t r ys i n c e2 0 0 0 o r i g i n a l f u e l 蜘e c t i o ns y s t e ms e r i e sw i t hl o wt e c h n o l o g ya n dc a p a c i t ym a d e i no u r c o u n t r y c a n n o tm e e tt h en e we m i s s i o nc o n t r o lr e g u l a t i o na sw e l la st h em a r k e td e m a n d s t h e b a l a n c i n gv a l v ec o u p l e so fn c wg e n e r a t i o ni n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ed e v e l o p e db y t h es t a t ek e yl a b o r a t o r yo fe n g i n eo ft i a n j i nu n i v e r s i t yc a nm e e tn o to n l yt h e d e m a n d so ft h en e we m i s s i o nc o n t r o lr e g u l a t i o nb u ta l s ot h ed e m a n d so fd o m e s t i c d i e s e le n g i n e s t h e r e f o r ei ti ss u i t a b l ef o r t h ed e v e l o p i n gf i e n do ft h ed i e s e le n g i n ef o r h i g hp o w e ra n di n t e r c o o l i n gw i t hg o o de c o n o m y i nt h ec o m i n gt w oo rt h r e ey e a r s , t h eb a l a n c i n gv a l v ec o u p l e so fn e wg e n e r a t i o ni n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ei s b e c o m i n gw i d e s p r e a du s ei nt h ei n d u s t yo fi n t e r n a lc o m b u s t i o n 雠e i n e t h e r e f o r ei ti s i m p o r t a n t t o v o l u m e - p r o d u c et h eb a l a n c i n gv a l v ec o u p l e su s e d f o ri n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e b a s e do nt h em a c h i n i n gt e c h n o l o g yf o rp l u n g e r c o u p l e sa th o m ea n da b r o a d ，t h e p r e s e n tw o r ka l m st ol a yd o w np r o c e s sf l o wf o rb a l a n c i n gv a l v ec o u p l e sa n dt o m a c h i n e e x p e r i m e n t a ls a m p l e sa c c o r d i n g t o p r e s e n tm a n u f a c t u r e c o n d i t i o n c o n s i d e r i n gt h em a n u f a c t u r i n gs t a t e - o f - a r t so fp r e c i s i o np l u n g e rp a i rc o u p l e ，s t a t i s t i c s p r i n c i p l ef o rd i m e n s i o nm a t c h i n go fp r e c i s i o np l u n g e rp a i rc o u p l ew a sp r o p o s e di n t h i sp a p e r c o n d i t i o no fd i m e n s i o nm a t c h i n g , r e l a t i o n s h i p sn m o n gt h es t a t i s t i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fm a t c h i n gc l e a r a n c ea n dd i m e n s i o n sw e r cp u tf o r w a r dt op r o v i d ea s t a t i s t i c st h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h eg r o u p i n gp a i r i n gm e t h o da n dr e g u l a t e dm a c h i n i n g b a s e do ni ta n d ，a b o v ea l l ，t ol a yaf o u n d a t i o nf o rt h es t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o lo f c o u p l e sm a c h i n i n ga n d6 - og r o u p i n gp a i r i n g s p cq u a l i t ym o n i t o rs y s t e mf o r b a l a n c i n gv l a v ec o u p l e sa r ep r o g r a m m e da c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fs t a t i s t i c a lp r o c e s s f o rc o u p l e sm a c h i n i n g h o n i n ge x p e r i m e n t sa r ee x e c u t e da n dt h er e l a t i o n s h i p s b e t w e e nr e t i c u l a t ec r o s s a n g l e ，h o n i n gp r e s s u r e ，h o n i n gr a t e sa n dm a t e r i a lr e m o v a l r a t ea r ea n a l y z e di nr o u g hh o n i n g 。 k e yw o r d s ：b a l a n c i n gv a l v ec o u p l e s ；m a c h i n i n gt e c h n o l o g y , s t a t i s t i c s ；s p c c o n t r o lg r a p h ；h o n i n ge x p r e m e n t s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗蠢鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 臼亚三工 导师签名： 签字日期：；年2 月矽日 芗往良 签字日期：。f 年2 月2 加 签字日期：0 6 年2 月2 6 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着环境污染的日益严重，保护环境己成为二十一世纪社会发展的主题。从 2 0 0 0 年开始，我国政府开始实施新的排放标准( 相当于欧洲i 号标准) ，我国原有 的系列燃油喷射系统，技术含量低，工作能力小，不能满足新的排放法规要求， 不再适应市场的要求。因此，开发一种新的符合排放法规要求的高压油泵已成为 当务之急。另外随着公路运输的不断发展，柴油机的需求不断上升，中大功率柴 油机的增加更加显著。平衡阀偶件为柱塞偶件，是内燃机三大精密偶件之一。因 此新一代内燃机平衡阀偶件产品的研制及平衡阀偶件的大批量稳定性生产也就 成了至关重要的问题。 1 1 国内外柱塞偶件产品发展简介 1 1 1 国外柱塞偶件产品的制造水平 最早从事燃料喷射装置的是德国波许公司。1 8 8 6 年，德国人罗伯特波许 在斯图加特创造了一家精密制造机械和电气器械的工场，1 9 2 7 年波许公司研制 出波许型柴油机燃料喷射泵，并投入市场，随后英国、日本、法国、苏联等一些 国家几乎都是购买德国波许公司专利进行生产。随着各国柴油机工业的发展，逐 步形成了各自的油泵油嘴企业 11 0 西德波许公司和日本杰克塞尔公司的产品代表着当今油泵油嘴制造工艺和 质量的先进水平。总结其工艺水平和生产管理方法，特点如下： ( 1 ) i 艺设备先进，广泛采用数控机床和自动高效高精度机床。 ( 2 ) 普遍采用成组工艺等现代化管理手段。 ( 3 ) 检测设备先进，自动化程度高，重视对生产过程的质量控制，在关键 工序上配有性能可靠的检测仪器进行普检，而圆度、直线度、粗糙度在精密计量 室进行。 下面以波许公司为例介绍其柱塞偶件工艺情况。总体来说，波许公司的柱塞 偶件工艺水平很高，主要表现在大量使用自动高效高精度专机和组合机床，并且 大部分是一人多机，工序相当集中。柱塞套单件工时1 0 9 秒且报废率低。其热处 理前的加工普遍采用八轴自动机成形，枪钻中孔；十六工位组合机床加工迸回油 孔、孔口倒角、钻斜孔、铣定位槽、镂中孔圈槽等：车加工后余量0 0 4 一o 0 6 m m ， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 热处理后采用粗珩、精珩工艺，一般都是采用机械手自动上下料的多轴回转式珩 磨机，并带有中孔自动测量装置，共有4 个测量位置，某个工位加工后测量发现 尺寸异常就自动停机。生产效率很高，粗珩和精珩工时共4 8 秒。柱塞单件工时 7 9 5 秒。其外形采用八轴自动机成形，扁位处的复杂形状采用样板刀加工，再用 反爪机构将切断的零件抓住用砂轮把小凸台磨平加工精度高，同轴度好。直槽 和斜槽在热处理后用直斜槽自动磨床磨出，由机械手自动上下料，用v 型块夹 紧定位，控制轴向尺寸和直斜槽与扁位的位置关系，1 5 秒完成直斜槽的加工。 偶件采用配磨工艺，一次配磨合格率9 0 批量产品的尺寸、形位公差的质量主要 是由足够的工序能力指数c p 值来保证的。波许公司对关键尺寸、形位公差的工 序能力指数c p 值都严格控制在1 6 7 以上。国外柱塞偶件的出厂标准一般至少 2 0 0 0 小时以上无故障，要求高的达到4 0 0 0 5 0 0 0 小时【”。 1 1 2 国内柱塞偶件产品的制造水平 我国油泵油嘴工业是在建国初期的五、六十年代，借鉴前苏联、东欧社会主 义国家的经验而发展起来的，对我国汽车、柴油机工业的建立以及建国初期我国 国民经济的建设、发展起了巨大的推进作用。长期以来，我国油泵油嘴制造工业 受设备条件、整体经济水平、农机产品的价格水平的限制，以及我国柴油机对油 泵油嘴产品的要求较低的影响，工艺水平比较低n 1 。我国现有油泵油嘴生产企 业8 0 余家，大多数厂家使用的是国产和工厂自制的较落后的设备，工序分散， 工件多次装夹，不但工效低，而且基本精度难以保证，加上半人工工序较多，柱 塞尺寸分散度大，清洁度超标，产品质量不稳定，经常出现早期磨损现象。柱塞 套普遍采用钻、扩、铰工艺，外形以芯轴定位用普通车床加工，进回油孔用台钻 利用钻模加工；中孔粗研、精研，然后分级、选配、光研。柱塞粗精磨后，采用 互研工艺。近年来一些大中型企业为适应柴油机工业在产量上不断发展的要 求，参照国外七、八十年代互研工艺发展的成功经验，针对互研工艺产量上存在 的问题进行了大量的突破与改进，同时引进了一些先进设备，工艺水平有了一定 提高。目前，无锡威孚公司、上海伊维燃油公司、衡阳油泵厂代表着我国柱塞偶 件生产的先进水平。威孚公司是目前a 型泵国内加工产量最大、质量最稳定的 公司，其加工手段为柱塞套热处理前采用钻、扩、铰，热处理后粗珩、精珩、1 6 轴研磨，柱塞偶件仍保留互研工序以提高光洁度1 。上海伊维燃油公司用数控 车床、枪孔钻床的方式完成柱塞套外形和内孔的车加工，热处理后采用粗珩+ 精 珩+ 超精珩工艺：柱塞采用粗磨、精磨工艺：偶件采用配磨工艺。衡阳油泵厂柱 塞套也使用了枪钻设备，热处理后粗精珩，偶件采用配磨工艺并保留了互研中孔 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 工艺【6 l 。 1 1 3 柱塞偶件产品的制造工艺的发展 传统互研工艺是油泵油嘴工业发展的初级阶段，当时由于油泵油嘴制造行业 的先驱们对三对偶件的认识较浅、油泵油嘴专业设备制造水平有限，以及当时柴 油机对油泵油嘴产品的要求较低，通过实践，只开发出一种适合中、小批量的柱 塞偶件的生产工艺。油泵油嘴专业设备的精度、效率均较低，因而单件精度不高， 偶件的质量主要取决于互研工序。加工流程长、工序环节多、同一工序的质量分 散度大( 尤其是互研工序) 、劳动力密集、现场生产管理困难、批量偶件的质量受 到多种人为因素的影响且不易控制。生产效率低，产量与质量之间存在较大的矛 盾。因而批量偶件的产品质量、精度散差大，只适用于泵端压力和性能要求不高 的产品。产品的质量、精度不高，最终限制了互研工艺的适用范围。 偶件配磨工艺是油泵油嘴制造业发展的中、高级阶段。随着油泵油嘴制造行 业对三对偶件认识的不断提高，以及汽车、柴油机对油泵油嘴产品的性能、质量 要求的不断提高，现代油泵油嘴制造业普遍采用技术密集的现代化专用设备。其 中用配磨机对柱塞偶件进行配磨以代替传统的互研工艺就是突出的一例。配磨机 集中了数控、自动检测、自动控制等高新技术，以其高精度、高自动化的特点， 确保柱塞偶件高效、高质量地稳定生产。因而，配磨是一种比互研先进得多的新 工艺 7 1 1 8 1 1 9 1 。 1 2 柱塞偶件在内燃机、油泵油嘴行业中的地位 众所周知，汽车工业及其相关制造业的水平与发达程度是反映一个国家和 地区工业现代化程度的一个重要指标，汽车工业的发展与振兴在上世纪一直是欧 美、日本等发达国家区别于其他国家和地区的重要标志；柴油机是柴油汽车的动 力，柴油机的设计、制造水平决定了汽车的性能、价格，乃至整个汽车工业及其 相关制造业发展的水平；油泵油嘴是柴油机的t l , 脏部件，柴油机的设计、制造水 平的提高与发展直接取决于油泵油嘴产品设计、制造水平的提高，油泵油嘴产品 的性能、质量决定柴油机的主要性能、指标【l o l 。三对偶件是油泵油嘴产品的心脏， 对整个油泵油嘴工业起举足轻重的作用。而柱塞偶件是三对偶件之一，其重要性 可以从以下几个方面来阐明。 柱塞偶件产品设计是整个喷油泵系统的核心设计之一，喷油泵产品的选型、 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 总体结构尺寸、产品档次，成本、价格与市场定位、产品经济性、产品发展前景 等均与柱塞偶件有关，柱塞偶件的设计的完善程度直接决定着油泵产品的实际工 作能力，对产品制造公司乃至全行业的生产设备、工艺、检测手段的发展起着十 分重要的作用，关系到汽车、柴油机行业的进一步发展。 柱塞偶件在柴油机燃油喷射系统的核心地位决定了其产品制造在油泵油嘴 产业中的重要地位。它集中反映了柴油机燃油喷射系统中性能要求高、尺寸加工 精度高、产品质量管理要求严的特点，其大批量生产的特点又决定了生产中必须 采用大量高精度、高效、高性能、高价值的专业化设备，并对生产管理与质量控 制提出了较高的要求。可以说，柱塞偶件的产品质量决定了油泵油嘴产品的质量， 它的工艺水平和制造能力是衡量油泵油嘴工业水平的一个重要标志，也是制约油 泵油嘴工业发展的关键环节。 通常，产品的密集程度、精度要求、设备投入、生产管理与质量控制水平、 批量特性与劳动力的使用情况决定了产品价值与利润含量，三对偶件的价值与利 润还受油泵油嘴行业的整体价格水平及行业对三对偶件的重视程度的影响。从整 个行业来讲，柱塞偶件产品利润是相当可观的。对发达国家的情况也是如此，三 对偶件的利润所占整个油泵行业的利润也达一半以上“m “。 1 3 本文主要研究内容 针对目前柱塞偶件的国内外加工现状和现有的加工条件，本论文主要开展以 下几方面的工作。 通过大量的调研考察和资料收集整理工作，分析国内外柱塞偶件生产的3 n t 工艺，对新一代内燃机平衡阀偶件各种生产加工工艺方案进行分析，着重对平衡 阀偶件粗、精加工关键工序，偶配工艺进行设计，制定偶件大批生产加工工艺流 程。根据现有加工条件，加工平衡阀偶件样件，分析实际加工中遇到的种种问题 并提出相应的解决方案。 通过珩磨实验，确定平衡阀加工中各工艺参数，分析粗珩加工中主要珩磨工 艺参数( 包括珩磨网纹角、珩磨压力和珩磨速度) 对于材料去除率的影响，为珩 磨加工提供基础数据。 研究基于数理统计理论的精密柱塞副偶件调整法加工的尺寸偶配统计学原 理，为偶件的分选偶配及面向分选配对的调整法偶件加工提供统计学理论依据， 为实现偶件加工统计过程控制和6o 偶配打下基础。 以质量管理控制理论为基础，借助l a b v i e w 图形化编程语言，编程开发了 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 新一代内燃机平衡阀偶件加工尺寸质量监测系统，根据统计理论规则判断生产过 程是否处于统计控制状态，以期将该系统应用于偶件批量生产，从而降低成本， 预防废品、废件的出现。 天津大学硕士学位论文 第二章平衡阀偶件加工工艺 第二章平衡阀偶件加工工艺 平衡阀偶件属于柱塞偶件，是内燃机三大精密偶件之一。由于很高的位置精 度、形状精度及配合精度要求，一直是内燃机制造加工过程中的难点。本章结合 平衡阀偶件结构，分析了平衡阀偶件的加工工艺难点，并制定了批量生产情况下 偶件加工工艺流程。 2 1 平衡阀偶件结构及工艺难点 平衡阀偶件处于高温高压的工作环境中，整体装配质量的好坏影响内燃机的 排放性和动力性。如图2 - 1 所示为平衡阀偶件装配，偶件由衔铁、平衡阀、平衡 阀座、和出油量孔组成。衔铁通过螺纹配合与平衡阀连接。平衡阀和平衡阀座是 平衡阀偶件中的关键部件，其柱面配合精度要求极高，要求平衡阀与平衡阀座柱 面密封间隙0 0 0 1 “0 o o z m m 。密封锥面直接影响高压燃油的喷射压力和雾化效 果，也是影响偶件质量的关键因素。要求锥面研磨环带宽小于0 1 5 r a m 。上述特 征要求平衡阀与平衡阀座经选配后不准调换其中任一零件。 1 2 3 4 1 衔铁2 平衡阀3 平衡阀座4 出油量孔 图2 - 1 平衡阀偶件 平衡阀座由于工作环境恶劣，既要防止平衡阀卡死，又要防止过多的燃油泄 天津大学硕士学位论文第二章平衡阀偶件加工工艺 漏。所以对材料的选择和机械：j n i 精度都提出了很高的要求。平衡阀座材料为 1 8 c r 2 n i 4 w ，质地较硬，属于难加工材料。如图2 - 2 所示为平衡阀座结构图。从 图中可以看出：平衡阀座形状精度、位置精度要求高。例如：与平衡阀配合的内 圆表面圆度公差值为0 0 0 5 r a m ，直线度公差值为0 0 0 1 m m ，要求平衡阀中孔内表 面粗糙度r z 0 2 5 ，直线度0 0 0 1 r a m 。平衡阀座底面的平面度为0 0 0 1 r a m ，密封锥 面的圆度为0 0 0 5 r a m 。平衡阀座中孔属于深孔且精度要求高，阀座中孔内圆表面 轴线对底面的垂直度为妒0 0 1 5 r a m ，平衡阀座截止面对底面平行度公差值为 0 0 1 r a m ，密封锥面与内圆表面轴线的径向圆跳动公差值为妒0 0 1 5 m m 。租斜孔 定位困难，且属于深孔加工，宜采用精密加工技术。 图2 - 2 平衡阀座结构 平衡阀是与平衡阀座相配合的柱塞件，其配合面为妒3 m m 圆柱面。平衡阀偶 件结构如图2 3 所示：平衡阎单件形状、位置精度要求高。例如：要求与平衡阀 座配合外圆面圆度0 0 0 1 r a m ，配合锥面圆度0 0 0 5 r a m 。与阀座配合锥面相对于外 圆中心线圆跳度o 0 0 1 5 r a m ，与衔铁接触外圆驴3 上表面相对于中心轴线垂直度为 天津大学硕士学位论文第二章平衡阀偶件加工工艺 o 0 0 1 m m 。平衡阀配合圆柱面粗糙度r z o 8 。这些决定了必须采用高精密加工机 床和适当的加工工艺。 图2 - 3 平衡阀结构 相对予平衡阀座和平衡阀而言，衔铁和出油量孔由于精度不高，工艺加工相 对容易。图2 - 4 为衔铁结构，图2 5 为出油量孔结构。衔铁的精度要求主要体现 在上下两平面的平行度和平面度要求上，衔铁要求上表面与下表面平行度 0 0 1 r a m ，并且要保证上表面平面度0 0 0 5 m m ，以确保平衡阀偶件在整个内燃机 中的安装精度。出油量孔外圆尺寸为中3 ：。0 , 。0 1 4 ，公差控制较为严格，防止压入平 衡阀座过程中过大的过盈量导致出油量孔中孔变形，影响燃油喷射效果。 图2 4 衔铁结构 天津大学硕士学位论文 第二章平衡阀偶件加工工艺 j _ 9 2 ，一。 | 吊一 叼；畛墨c 访 裂 世 彳 i 。i)li j 一 一(，7 - _ 。 3 ：矧 4 一 图2 - 5 出油量孔结构 综上所述，在国内目前设备落后的情况下，平衡闽偶件在生产制造上还存 在困难，尤其要生产质量好且形成大批量稳定生产。 2 2 平衡阀偶件关键工序的工艺设计 平衡阀座的材料选用1 8 c r 2 n i 4 w ，该种材料属于渗碳钢，由于含有c r 、n i 两种元素而强度韧性高，淬透性好，并具有热强性和高温耐氧化性等特点，因此 特别适合于高温高压工作环境【1 3 】。材料热处理采用渗碳淬火、冰冷处理及二次回 火。渗碳淬火使表面硬度高而芯部具有较高的韧性 平衡阀的材料选用o c r l 5 ，该材料具有较高的淬透性，淬火后可获得高而均 匀的硬度、耐磨性和耐疲劳性，但有回火脆性，切削加工性差【1 3 l 。热处理用淬火、 冰冷处理及二次回火。 由于热轧圆钢表面粗糙，加工余量较大，甚至于于2 m m 左右；冷拉圆钢表 面光洁度好，加工余量小，有利于减少机械加工工时。因此平衡阀座和平衡阀毛 坯采用冷拉圆钢。 天津大学硕士学位论文第二章平衡阀偶件加工工艺 2 2 1 平衡阀座粗加工工艺 平衡阀座粗加工主要是车外形和加工内孔，其核- f i , 问题是中孔( 深孔) 加工。 孔加工孔是机械加工中常见的加工形式。孔加工分为浅孔加工和深孔加工两 类，也包括介于两者之间的中深孔加工。一般规定孔深l 与孔径以之比大于5 时，即 石5 对，称为深孔；弓t 5 对，称为浅孔。内燃机平衡阀的中孔属 “ou 0 于深孔加工，其长度1 5 3 ，中孔孔径从驴3 ，长径比为5 1 。 一般实心料的孔加工，采用标准麻花钻进行钻削。麻花钻的钻头直径氏，螺 旋角口、螺旋稽导程p 之间的关系为： 纥一卢 ( 2 1 ) 在生产中，为保证切屑顺利排出，麻花钻一次到底时的钻孔深度l 规定为不 超过螺旋槽导程p 的3 4 ，即l c 3 4 p ，代入式( 2 1 ) ，得 l拓 d o4 t g f ( 2 2 ) 按g b l 4 4 1 7 8 规定，麻花钻螺旋角芦推荐在2 5 0 一3 0 0 之闽，由式( 2 2 ) 可算得弓t 5 1 2 4 0 6 ，因此麻花钻正常钻孔深度和孔径之比一般不超过5 ， “0 所以工程上一般规定钐，5 的孔称之为深孔。故不宜用麻花钻n - r 成形。 “o 平衡阀座中孔属于深孔。深孔加工是处于封闭或半封闭状态下进行的，具有 如下特点： ( 1 ) 操作者不能直接观察刀具的切削情况，目前只能凭经验、听声音、看 切屑、触摸震动等外观现象来判断过程是否正常。 ( 2 ) 切削热不易散出。一般切削过程中8 0 的切削热由切屑带走，而深孔 加工刀具本身所占比例大，易过热、扩散迟。经测定刃1 2 1 的温度可达4 0 0 。c ， 一般高速钢材料，刀具的硬度将下降至h r c 3 0 ，必须采取强制冷却的方式。 ( 3 ) 7 - 艺系统刚性差。因受孔径的限制，不可能有足够刚性的钻杆，孔的 长径比较大，钻杆细而长，易振动，钻孔易走偏，孔的加工精度及表面粗糙度不 易保证。 ( 4 ) 切屑不易排出。因为切屑经过的路程长，如遇到阻塞易产生刀具崩刃 现象。刀具也容易磨损，因此要对切屑的形状加以控制。 天津大学硕士学位论文第二章平衡阀偶件加工工艺 因此在平衡阀座中孔加工中，所需要解决的主要问题如下： ( 1 ) 冷却、润滑与排屑 由于深孔加工切削热不易排散、切屑不易排出，因此必须采用强制冷却和强 制排屑措施。目前是采用高压将切削液通过钻杆的内部或外部直接送到切削区。 起到冷却、润滑作用，并将切屑由钻杆的内部或外部排出，达到强制冷却和强制 排屑的目的。 ( 2 ) 合理导向 由于深孔长径比大，钻杆细而长，刚性较低，易产生振动，并使钻孔易走偏 而影响加工精度和生产效率，因此深孔加工需要合理的导向。 ( 3 ) 切屑的处理 深孔加工的排屑是一个重要问题，对于内燃机平衡阀平衡阀座垂3 这样小直 径深孔，排屑空间小，排屑条件更为恶劣。切屑的宽窄、切屑的长短、切屑的形 状都会影响排屑情况。 参照以往平衡阀偶件的加工经验和国内的水平，平衡阀座外圆和中孔的加工 可采用两种工艺方案： 方案一：采用普通麻花钻加工中孔； 方案二：采用枪钻加工中孔。 对于方案一，国内大多数中小型厂家普遍采用。此种方案存在很多问题： ( 1 ) 留给后续工序的余量较大。中孔长度较短，长径比 5 的平衡阀孔的加 工可以采用此种方案。平衡阀座中孔长径比的增大，再使用这种钻、扩、铰的方 法将导致刀具的振动愈加剧烈和刀杆的刚性愈差，最终导致的是孔的直线度、圆 度超差。若采用钻、扩、铰方法，最明显的是平衡阀座中孔预留的余量增大，才 能保证中孔的最终质量。 ( 2 ) 如何排屑也成为重要问题。由于平衡阀座中孔较深，铁屑的排出困难， 只能通过反复进退排屑，影响生产效率。 对于方案二，可以用仪表车床c m 0 6 2 0 、英国哈镘公司h d 3 0 0 0 a 深孔钻系 统( 如图2 - 6 所示) 来共同完成。其中枪h d 3 0 0 0 a 深孔钻系统是专门用来加工 平衡阀座中孔的。该系统采用的v e n t e c 钻头是枪钻的一种改进型，它在切削 动作和性能上与枪钻类似。钻头的形状要求使用导向套或导向孔来给钻头定位。 一旦钻头开始加工，它后面的刀口就由加工出的孔来支撑，这样钻头就变成“自 引导”，钻头刀头外部凸筋上的切削力摩擦并推钻头趋向中心，并使得钻头的外 表轻轻抛光孔的表面。v e n t e c 钻头可以在切削刃头部提供被压缩的气一油雾气 0 4 1 。 此种深孔钴系统具有多项独特性能：具有广泛的适用性，能应用于数控或手 天津大学硕士学位论文 第二章平衡阀偶件加工工艺 动之镗床、车削中心、车床、仿型铣床、铣床、钻床及立卧式加工中心等；可获 得极好的表面光洁度，光洁度通常为0 5 - 3 0m i c r o n sr m s ；孔的加工形状具有高 精确度，孔径公差通常在h 8 h 9 之间，固定工件直线度为孔深的1 1 0 0 0 ，旋 转工件为孔深的1 2 0 0 0 ；钻孔深度可达钻头直径的3 0 - 2 1 0 倍，无须中途退屑； 不须依赖任何工具，安装时只需将系统配备的专用夹具装在你现有任何一台机床 的主轴上即可1 1 4 1 。 图2 石英国哈镘公司深孔钻系统 方案二的特点是： ( 1 ) 中孔加工中的冷却、润滑、导向、排屑问题得到了解决。这是由于枪 钻设备的特点决定的。 ( 2 ) 提高了加工精度。由于采用枪钻设备，中孔的直线度可以达到o 0 0 5 m m ， 圆度0 0 0 5 m m ，光洁度r z 5 。 ( 3 ) 减小了中孔后续工序的加工余量，缩短了基本加工时间。由于中孔的 直线度、圆度的提高，中孔的加工余量由钻、扩、铰工艺的0 2 0 m m 0 2 5 m m 减 小到了0 0 8 m m ，并且尺寸分散度减小。 从以上分析可以看出，方案二与方案一相比，减少了人为的操作误差，零件 的一致性好，而且符合工序集中原则，提高了生产效率，生产能力好；同时由于 枪钻具有一次钻削获得良好精度的特点，为以后工序的质量控制打下了良好的基 础。在大批量生产中，宜采用第二方案进行粗加工。 2 2 2 平衡阀座精加工工艺 平衡阀座中孔热处理后的加工是达到图纸最终要求的终加工，地位十分重 天津大学硕士学位论文 第二章平衡阀偶件加工工艺 要，属于精加工和超精加工范畴。 纵观国内工艺状况，平衡阀座中孔的精加工目前有以下几种： 方案一：粗研+ 半精研十精研+ 光研( 多次手工研磨) ； 方案二：内圆磨十研磨十研磨； 方案三：粗珩+ 半精珩+ 精珩。 方案一，研磨工艺用于加工油泵油嘴是在油泵油嘴行业发展的初期。由于初 期油泵油嘴制造行业的先驱们对偶件的认识较浅、油泵油嘴专业设备水平有限、 在当时柴油机对油泵油嘴产品的要求较低的情况下，通过长期实践，总结出的一 种适合小批量的生产工艺。手工研磨工艺对于小批量生产的确是一种经济的加工 方式。但是随着需求量的增大，手工研磨已不能适应发展的要求。研磨工艺缺点 如下： ( 1 ) 手工研磨运动全凭操作人员的手感来掌握，对人员的操作技巧和工作 经验有相当高的要求，因而研磨质量受人为因素的影响比较大； ( 2 ) 生产效率低，工人劳动强度大； ( 3 ) 尺寸分散度大； ( 4 ) 容易在孔的两端产生喇叭口。 方案二，平衡阀座中孔直径为口，3 m r a ，属于细长孔。由于孔的直径小，采用 内圆磨削，砂轮的制作极难。并且磨屑排除困难，容易积聚在内孔，引起砂轮的 堵塞：再者砂轮轴细长，剐性差，容易产生弹性变形和振动；内圆磨削对预加工 中孔精度的敏感性不大，可以在中孔粗加工过程中采用钻、扩、铰工艺。内圆磨 削时因砂轮直径小，线速度低，生产率比较低。内圆磨削时参数的选择极为重要， 否则容易出现磨削烧伤。因为内圆磨削时，中孔内部的冷却条件差，热量不易散 发，导致磨削区域温度升高，容易引起金相组织变化。如果磨削时间延长，容易 出现烧伤。由于丙圆磨削只能达到原来半精研的要求，所以工艺中必须保留两次 研磨工序。内圆磨削方案的特点： ( 1 ) 对预加工中孔精度的敏感性不大，可以在预加工中孔过程中采用钻、 扩、铰工艺： ( 2 ) 由于磨削区域温度高，中孔内部的冷却条件差，使得热量不易散发， 容易引起磨削烧伤； ( 3 ) 生产率比较低。 方案三，珩磨工艺是利用可涨缩的珩磨头使磨料颗粒很细的珩磨条压向工件 表面以产生一定的接触面积和相应的压力，同时珩磨条对被加工表面作旋转和往 复进给的相对综合运动，可改善表面质量，改善表面应力和基本不产生变质层， 提高零件精度。粗、精珩设备可以采用善能m b c 1 8 0 5 珩磨机。工件以内孔套在 天津大学硕士学位论文第二章平衡阀偶件加工工艺 珩磨工具上，在夹具推动下作往复运动，而珩磨工具作旋转运动。珩磨工具由珩 磨杆、珩磨油石及其他附件组成，珩磨油石随珩磨杆作回转运动。 中孔珩磨工艺预留余量分析：首先珩磨过程中，平衡阀座的安装是浮动的， 被加工孔轴线和珩磨工具回转轴线的不同轴度随时自行调整，不存在内圆磨削过 程中由于安装误差而产生的轴线偏离量。其次，推动工件往复运动的力交替作用 在工件两端面上，不会产生由于夹紧力而引起的工件变形。在珩磨薄壁零件内孔 时，珩磨加工的这一优点更为突出。所以在预留珩磨余量时，不须考虑工件安装 误差及工件受力变形所引起的误差。因此要求留的余量比内圆磨削小。最小磨削 余量z 。了历( 式中yz f 为消除磨削面的形状误差、降低表面粗糙度所必须的 一j j 加工余量1 。m b c - 1 8 0 5 珩磨机能达到的精度：直线度0 0 0 1 j , n m 、圆度0 0 0 5 m m 、 锥度0 0 0 9 n m 、r z 0 6 3 。并且珩磨过程中产生的热量少，零件表面不易烧伤，基 本不产生变质层。并且生产效率高。 从以上分析可以看出，粗珩、半精珩、精珩工艺方案加工质量好，预留余量 少并且生产能力高，傲决定采用方案三，对中孔热处理后进行精加工。 2 2 3 平衡阀偶件偶配工艺 平衡阀和平衡阀座分别加工合格后，进入偶件的配对加工阶段。它关系到偶 件综合性能是否得到保证，是一个非常重要的加工阶段。下面对偶件的配对加工 方案进行探讨。 偶件的配对加工工艺常用的有如下两种： 方案一：互研工艺( 精磨外径一光磨外径一研磨外径一清洗- - # b 径检验一尺 寸分级一选配一互研一清洗一滑动性检验、； 方案二： 配磨工艺( 精磨外径一尺寸分级一配磨清洗一滑动性检验) 。 互研工艺是平衡阀零件在外圆磨床m g b l 4 1 2 经过精磨外径、光磨外径之后、 用横研机h 0 0 2 研磨外径、清洗、外径检验，平衡阀座按o 5 m 用气动量仪进行 尺寸分级，平衡阀按0 5 舢n 进行尺寸分级，然后选配，在横研机h 0 0 2 互研，然 后清洗、滑动性检验。互研工艺的特点： ( 1 ) 互研工艺流程长； ( 2 ) 尺寸分散度大，只强调保证偶件的配合间隙，偶件的配合尺寸不集中， 尺寸分散度可以达到0 0 3 r a m 左右； ( 3 ) 生产效率低，尺寸分级的工作量大： ( 4 ) ，人为因素对加工质量的影响较大，不利于工艺水平的提高。 配磨工艺是平衡阀零件经过外圆磨床m g b l 4 1 2 精磨外径之后，平衡阀座按 天津大学硕士学位论文第二章平衡阀偶件加工工艺 1 肌用气动量仪进行尺寸分级，平衡阀按1 p r o 进行尺寸分级，然后用$ 3 0 - 1 配磨 磨床配磨，然后清洗、滑动性检验。$ 3 0 - 1 配磨磨床与外圆磨床的最大区别是配 备配磨仪。定位基准：以两端6 0 。中心孔定位。定位装备所用阴、阳顶尖圆度 s 0 1 8 u r n ，材料用硬质合金。尺寸重复精度0 1 8 肌。采用大气砂轮，散热性 好，配备砂轮动平衡仪。尾架设有微量锥度调节装置。带动工件旋转的传动卷是 簧片带动夹紧。配磨工作原理有两种，一种是尺寸配磨、即利用机械、电气( 或 电子1 、空气或光学等方法，直接控制零件的几何尺寸，如直径、平面等。另一 种是流量配磨，磨床直接控制其流量特性。$ 3 0 - 1 配磨磨床采用尺寸配磨。 配磨工作原理如图4 - 1 所示首先将欲配对之柱塞套放在配磨仪的内径测量 芯棒上测定内孔尺寸，然后自动输入测量装置，再将柱塞安装在磨床顶尖上，自 动量仪在磨测过程中不断将测得的轴径连续地输入控制装置中，与配磨仪的尺寸 相比较，然后控制迸给装置的运动。这样砂轮不断磨削柱塞，套和芯的间隙在 控制装置的仪表上可观察到当达到预定的配磨间隙时，砂轮自动退出，将套和 柱装在一起，即成为一个配对的偶件1 1 5 1 。 图2 7 配磨工作原理示意图 配磨工艺的特点： ( 1 ) 生产效率高； ( 2 ) 加工流程短、工序环节相对集中。 根据实际加工经验知，配磨工艺生产率高，且质量稳定可靠、降低了人为因 素的影响。在批量生产情况下，应采用含有配磨仪的专用机床，采用配磨工艺方 案。 2 3 平衡阀偶件加工工艺流程 综上所诉，平衡阀偶件工艺流程是在参考其它类型平衡阀偶件工艺流程基础 天津大学硕士学位论文 第二章平衡阀偶件加工工艺 上演化而来的，其中修改了一系列的工序。下面分别介绍平衡阀座、平衡阀、平 衡阀座偶件配对、衔铁、及出油量孔在批量生产情况下的工艺流程( 分别参见表 2 - 1 、表2 2 、表2 3 、表2 _ 4 、表2 5 ) 。 表2 - 1 平衡阀座工艺流程 毛坯：冷拉钢材料：1 8 c r 2 n i 4 w 批量：大批生产 工序工序内容机床备注 5毛坯准备( 退火至h r c 2 0 ) 1 0粗车大、小外圆、端面普通车床c a 2 0 2 0精车小外圆，端面、倒角，中孔锥仪表车床c m 0 6 2 0专用夹具、硬质 面合金中心钻 3 0精车大外圆、端面、截止面，仪表车床c m 0 6 2 0 、专用夹具、硬质 预钻中心孔，中孔枪钻加工深孔钻系统 合金中心钻 3 0 s清洗清洗机z s x - 0 0 2 3 0 i 中孔检验 4 0 钻四周通孔，盲孔及通油孔数控机床 5 0打斜孔电火花机床及专用 胎具 5 0 s清洗清洗机z s x - 0 0 2 5 0 i综合检验 检验台 6 0 热处理( 淬火、回火) 6 0 s 柴油清洗 7 0 租珩、半精珩、精珩中孔m b c l 8 0 5 珩磨机及 浮动夹具 7 0 s清洗清洗机z s x - 0 0 2 7 0 i精珩中孔检验检验台 8 0研磨 8 0 s清洗清洗机z s x 0 0 2 9 0 精磨各级外径、端面高精度半自动万能 外圆磨床m g b l 4 1 2 9 0研癌锥面m b c l 8 0 5 珩磨机及 天津大学硕士学位论文第二章平衡阀偶件加工工艺 专用研具 9 0 s清洗清洗机z s x - 0 0 2 9 0 i检验检验台 1 磁性探伤及退磁探伤机，退磁机 1 0 0 s清洗清洗机z s x - 0 0 2 1 0 1全面检验，平衡阀座尚需与平衡阀 配磨并进行滑动与密封检验 表2 - 2 平衡阀工艺流程 毛坯：冷拉钢材料：g r l 5 批量：大批生产 工序工序内容机床备注 5毛坯准备 1 0粗车柱面成形、打顶尖孔、钻孔普通车床c 6 2 0 扒5 x 7 2 0精车端面、外圆妒6 ，仪表车床c m 0 6 2 0 打顶尖孔 3 0精车柱面各级外径、端面、锥面仪表车床c m 0 6 2 0硬质合金顶尖 4 0精车外圆、粗车螺纹、手工攻丝仪表车床c m 0 6 2 0 4 0 s检验检验台 5 0热处理( 淬火、回火) 6 0耪磨各级外径、端殛、精磨锥面外圆磨床m g b l 4 1 2专用c - b n 砂轮 ( 粒度1 2 0 0 # ) 6 0 s清洗 清洗机z s x - 0 0 2 6 0 j 检验，检验台 7 0磁粉探伤及退磁探伤机，退磁机 7 0 s清洗清洗机z s x - 0 0 2 8 0 全面检验，平衡阀尚需与平衡阀配 磨 表2 - 3 平衡阀偶件配偶工艺流程 - 1 7 - 天津大学硕士学位论文第二章平衡阀偶件加工工艺 1 0平衡阀座中孔分级测孔仪 2 0平衡阀外径分级立式光学仪 2 0 s配磨外径半自动外圆磨床专用c b n 砂轮 m g b l 4 1 2 3 0锥面互研 4 0 柴油清洗及滑动性检验清洗机z c - 3 0 5 0径部密封性试验 试验台 6 0汽油清洗 手工 7 0上油包装 表2 _ 4 衔铁工艺流程 毛坯：圆钢材料：d t 4 c 批量：小量生产 工序工序内容机床备注 1 0粗车端面外圆、切断车床c 6 2 0 2 0精车端面、外圆、精车斜面仪表车床c m 0 6 2 0机床专用夹具 3 0钻孔、攻丝仪表车床c m 0 6 2 0 及专用夹