（机械制造及其自动化专业论文）发动机汽缸孔镗削工艺分析与实践研究.pdf

硕士论文发动机汽缸孔镗削工艺分析与实践研究 摘要 本文以中外合资企业p e r k i n s 动力有限公司的气缸体镗削加工为例，结合江 苏高精机床有限公司的科研项目一一汽缸孔精密镗削工艺与组合机床设计，对汽 缸体上的缸孔与止口镗削工艺进行了分析与设计，在此基础上有效保证了汽缸孔 精密镗削高性能组合机床的加工精度。 汽缸孔径实际尺寸公差只有0 0 1 5 m m ；另外因孔壁较薄，厚度不均，而总长 度却达到2 3 0 r a m ，生产时将产生很大的圆柱度误差。因此，本文通过试验，得出 误差的数据与误差位置，并通过回归分析，求出其误差曲线，最后通过程序控制 来实现形状误差补偿。 缸孔的表面粗糙度较大，为r a 2 8 - - 3 2 岫，这与高的尺寸精度产生了矛盾。 为解决这个问题，可通过正交试验，分析对加工质量产生影响的因素及水平，确 定出切削用量与冷却条件选择的优方案，在保证高尺寸精度的同时，又得到了所 需要的表面粗糙度。 汽缸的“止口”是汽缸孔于机体顶面处的台阶，其深度尺寸公差要求高，且 检测较为困难。而缸体止口高度的设计基准为顶面，工艺基准为底面，两者不重 合，定位误差( 0 2 m m ) 大于止口尺寸公差( 0 0 2 5 1 m ) ，从理论上讲该精度无法实现。 本文通过对切削工艺选择、深度检测机构的综合设计来解决这个难题。 最后在工艺设计的基础上，将研究成果应用于精密镗削组合机床的设计中， 生产出了低成本、高精度的汽缸孔精密镗削组合机床。 关键词：发动机汽缸孔，镗削工艺，刀具设计，切削参数，冷却方法， 形状误差及补偿 a b s t r a c t b a s e do nt h ep r o c e s s i n go ft h eh o l eo fe n g i n gc y l i n d e r s f i n eb o r i n go f s i n o f o r e i g nj o i n tv e n t u r e sp e r k i n sc o m p a n yl i m i t e d ，c o m b i n i n g w i t ht h er e s e a r c ho f p r o j e c t s t h ed e s i g n o fc y l i n d e r - p r e c i s i o nb o r i n gm a c h i n e - 一- w h i c h i sf r o m h i g h p r e c i s i o nm a c h i n e t o o l sl t d i nj i a n g s up r o v i n c e ，t h er e s e a r c ha n da n a l y s i so f m a n u f a c t u r ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fc y l i n d e ra n dt h eh o l eh a sb e e nm a d ea n do n t h i sb a s i s ，h i g hp r e c i s i o no fb o n n gm a c h i n eh a sb e e na c q u i r e d t h ea c c u r a c yo fc y l i n d e rd i a m c t e ri sa b o u t0 015m m ，a n dt h et h i c k n e s so f w a l li s u n e v e na n dt h el e n g t hi sl o n g ，a b o u t2 3 0 m m ag r e a td e g r e eo fe r r o ro ft h es h a p e c o u l db ea c c u r s e dd u r i n gt h ep r o c e s s i n g t h e r e f o r e ，b a s e do nt h et e s t s ，e r r o rd a t aa n d l o c a t i o nc a nb ec o n c l u d e ，a n dt h r o u g hr e g r e s s i o na n a l y s i s ，o b t a i n e di t se r r o rc u r v e ， a n dt h e nc o m p e n s a t et h es h a p ee r r o rb yn cp r o g r a m i na d d i t i o n ，t h ec y l i n d e rs u r f a c er o u g h n e s so ft h eb o r ei sl a r g e ，a b o u tr a 2 8 3 2 “m ，w h i c hp r o d u c e sac o n t r a d i c t i o nw i t hh i g h p r e c i s i o nr e q u i r e m e n t so f t h eb o r e t oa d d r e s st h i sp r o b l e m ，b yo r t h o g o n a lt e s t ，a n a l y z et h em a i nf a c t o r sa n ds e c o n d a r y f a c t o r so ft h ei m p a c to nt h eq u a l i t yo fp r o c e s s i n g ，d e t e r m i n et h ea m o u n to fc u t t i n g a n d c o o l i n gc o n d i t i o n so f t h eg i b e dp r o g r a m s i ti se n s u r i n gah i g hd i m e n s i o n a la c c u r a c y ， w h i l et h es u r f a c er o u g h n e s si sa l s og r e a t l yi n c r e a s e d ”b o r et o pg r o o v e ”i st h es t e po nt h et o po ft h ec y l i n d e rb o d y , t h er e q u i r e m e n t s o nt h ed e p t ho ft o l e r a n c ei sh i g h ，a n dt h es i z ed e t e c t i o ni sd i f f i c u l t t h ed e s i g n e d b e n c h m a r k so ft h ee n g i n eh e i g h t t h et o ps u r f a c eo fb e n c h m a r k s t h eu n d e r s i d eo f w h i c hi sn o tc o i n c i d e n t ，t h et o l e r a n c eb e t w e e nt h et w ob e n c h m a r k sa r el a r g e rt h a n t o l e r a n c eo ft h eb o r et o pg r o o v e t h ep r o b l e mi ss o l v e db yt h es e l e c t i o no fc u t t i n g p r o c e s sa n d t h ed e s i g no fd e p t ht e s td e t e c t i o n f i n a l l y ，o nt h ef o u n d a t i o no f t h ed e s i g n ，t h er e s e a r c hf r u i t sa r eu s e di nt h ed e s i g n a n dm a n u f a c t u r eo fp r e c i s i o nb o r i n gm a c h i n et o o l s an e wl o w - c o s t , h i g h p r e c i s i o n c y l i n d e rb o r i n gm a c h i n ei sp r o d u c e d k e yw o r d s ：h o l eo fe n g i n gc y l i n d e r , b o r i n gp r o c e s sa n a l y s i s ，c u t t i n g t o o l d e s i g n , c u t t i n gp a r a m e t e r s ，c o o l i n gm e t h o d s ，s h a p ee r r o ra n dc o m p e n s a t i o n i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：年妒月厶日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 年矽月6 日 硕士论文 发动机汽缸孔镗削工艺分析与实践研究 1 绪论 1 1 课题背景 随着科技的发展与社会的进步，人们的生活质量越来越高，对衣、食、住、行提 出了更高的要求。而出行的快捷性、方便性与安全性则依赖于交通工具的发展。汽车 作为重要交通工具之一，已经成为人类生活不可缺少的一部分，汽车工业则成为现代 国家国民经济的支柱产业之一。 发动机是汽车的核心部件，其制造水平的高低直接影响到发动机的使用性能，而 汽车发动机制造则在汽车工业中有着举足轻重的地位。随着我国汽车行业的发展，在 对汽车产品及其零、部件质量要求提高的同时，对发动机制造业中的机械加工方式也 提出了新的要求。在国家发布的“十一五科技发展规划纲要中，明确说明应重点发 展高效率、高精度的数控镗铣床和组合机床，以满足汽车发动机缸体、缸盖及航空航 天等行业各种难加工零件的加工需要。 汽缸体是汽车发动机乃至汽车中最重要的零件之一，是发动机的核心基础零件， 通过它将发动机的曲柄连杆机构和配气机构以及供油、润滑、冷却等机构联接成一个 整体。在实际工作时，缸体、活塞及缸盖共同组成了柴油机燃烧室。对于干式缸套， 其外壁不直接接触冷却水，在其机体内有密封水套，这将使缸体壁厚变薄且厚度不均， 对其加工带来困难。气缸体上“止口 形位精度超差，则会使装配的缸套上部产生挤 压变形，导致发动机运行时出现拉缸、泄漏；缸套内孔与端面形位要求及粗糙度超差， 会使加工中凸肩上轴向夹紧力不均匀，加工后凸肩会存在显微裂纹，致使发动机工作时 出现窜气、烧机油，甚至在耐用期内出现显微裂纹处开裂等现象，使发动机功率下降， 无法启动，严重影响发动机的技术性能及使用效果。因此发动机缸体的加工长期以来 一直受到国内外有关生产厂家的高度重视。 缸体孔对缸套与止口之间的形位公差要求非常高，所以在加工时，常将缸孔及止 口一次定位加工完成，这样既可保证同轴度的要求，又解决了止口端面对缸孔的跳动 问题，这就要求有一台专机或自动线来进行加工，通常采用精密镗削的加工方法来保 证精度。它是发动机机体生产中最后一道金属切削工序，也是发动机机体压装缸套前 的最后一道机械加工工序，其加工质量对发动机的性能有着直接的影响。对于完成该 工序的专用设备汽缸孔高性能镗削组合机床因其精度要求高、技术难度大，国内很 难生产，而国外一些如g r o b w e r k e 、h e l l e r 、h u l l e r h i l l e 、c r o s s 、l a m b 、 c r o w s e 等知名公司的产品一直垄断着高性能组合机床的世界市场，进口该类型设 备成本很高，动辄需要上千万元，增加了发动机制造成本，严重制约了我国发动机行 碗j 论文 业的发展。因此对汽缸孔精加工工艺及其生产设备一组合镗床进行研究，对提高工艺 技术水平、降低生产成本、实现汽车生产关键设备国产化具有重要意义。 1 2 课题来源 本课题来自生产实践以中外合资企业p e r k i n s 动力有限公司的的气缸体的镗削 加工为例进行工艺分析，并结合江苏高精机床有限公司的科研项目一一汽缸孔精密镗 削工艺与组合机床设计予以实现。本汽缸零件实物图如图1 21 所示。 1 3 汽缸加工工艺分析 图i2 1 汽缸实物图 1 3 1 机械加工阶段的划分和工序的安排 本课题的研究对象是干式薄壁套机体，它的加工包括端面加工、顶面加工、顶面 加工、主轴孔加工、缸孔加工、j r 口加工等等。只有对毛坯及每个加工工序都严格控 制，才能保证最终产品的质量。 当一个零件有许多表面需要加工，且各表面有不同的加工精度要求时，应合理考 虑工艺安排。加工精度要求高的表面往往要经过多次加工；而对于加工精度低的表 面，只需要安排一道或两道工序或工步就可以达到要求。因此，拟订工艺顺序时，要 抓住“加工精度高的表面”这个矛盾，合理安排工序，划分加工阶段。安排工艺顺序 的原则是：先粗后精，先面后孔，先基准后其它。【1 在发动机缸体的机械加工中， 同样应遵循这原则。 硕l ：论文发动机汽缸孔镗削工艺分析与实践研究 1 ) 粗加工阶段在发动机缸体的机械加工过程中，安排粗加工工序，对毛坯全 面进行粗加工，切去大部分余量，如缸体的顶面与底面等，以保证生产效率。 2 ) 半精加工阶段在发动机缸体的机械加工中，为了保证一些重要表面的加工 精度，需安排半精加工工序，或将精度和表面粗糙度要求中等的一些表面加工完成， 而对要求高的表面进行半精加工，为以后的精加工做准备。 3 ) 精加工阶段对精度和表面粗糙度要求高的表面进行加工，如主轴孔。 4 ) 次要小表面的加工如螺纹孔，可以在精加工主要表面后进行，一方面加工 时对工件变形影响不大，同时废品率也降低；另外，如果主要表面出废品后，这些小 表面就不必再加工了，从而避免浪费工时。但是，如果小表面的加工很容易碰伤主要 表面时，就应该把小表面加工放在主要表面的精加工之前。 5 ) 缸孔的加工缸孔的加工是缸体机械加工中的关键工序之一，一般情况下， 其加工工艺过程为粗镗、半精镗、精镗和珩磨。为及早发现缸孔内壁的铸造缺陷，消 除应力，应尽量提前粗镗缸孔；由于缸孔的结构特点不同，需采用珩磨工艺，以提高 缸孔表面质量。在大批量生产中，缸孔的珩磨一般采用多轴珩磨机或珩磨自动线【2 】。 6 ) 清洗清洗分为湿式清洗和干式清洗。一般缸体机械加工自动生产线采用大 流量湿式清洗，但本发动机在制造时为提倡“绿色”制造及降低成本，采用了干式切 削，故无需清洗。 二 7 ) 检测检测分在线检测和线外检测两种。在发动机缸体的质量检测中，根据 实际情况采用线外检测，主要采用三坐标测量机对缸体进行综合测量，每2 0 0 件抽查 1 5 件，每班抽查一次。 1 3 2 本课题汽缸体加工工艺 根据以上工艺要求，汽缸体加工总工艺如下： 铸造一时效处理一粗铣底面及瓦口面一以底面定位粗铣顶面一以顶面定位 精铣底面及底面销孔一粗铣两端面一粗铣两侧面一精铣顶面一精铣两侧面一钻 两端面孔一钻两侧面孔一粗、精镗主轴、凸轮轴孔一粗镗缸孔一机加工时效一半 精镗缸孔、止口一精镗缸孔一珩磨缸孔。 1 4 论文主要内容及难点问题 1 4 1 课题主要内容 本课题主要研究内容是汽缸孔止口与缸孔的半精镗与精镗，它是发动机汽缸体生 产中的精加工工序，因此至关重要，需用一台专机来进行加工，这就是汽缸孔镗削高 性能组合机床。本课题主要对缸孔与止口的镗削加工工艺进行分析与设计，并结合江 苏高精汽缸孔精密镗削组合机床予以实现。 绪论硕士论文 4 图1 4 1 所示为发动机汽缸体镗削加工工序图。 上 1 6 i i! ! ll i l i ， ， ， ， ， ， 纠ili4ij1 _ 一 多多乏乏 ， 乏 孑 ! 爹爹 ： ： 乏 ! 乏 liil耄 i f j i i 歹1 4 , 5 4 + 0 , 1 2 i i ! 士 ) 1 i 一 7 1 3 9 7 1 0 0 5 一 每 3 t _如 a 、h 16 6q 6 t d 划 d 、j f 、纩飞纩、纩飞纩、 寸 l k 龄k k乡 3 73 - 叫l刚 圆j _ 兰含 。 疥 p 、 曷 高 od t 图1 4 1 汽缸镗n - f 序图 图1 4 2 为镗削工序汽缸孔口局部放大视图。 n n hn nn 价 硕士论文发动机汽缸孔镗削丁艺分析与实践研究 【 1 6 ：1 图1 4 2 镗削工序汽缸孔口局部放大视图 本产品要求精镗后达到的主要精度要求概括如下： 汽缸体缸孔尺寸精度：0 0 4 咖 汽缸体缸孔止口深度尺寸精度：0 0 2 5 r a m 汽缸体缸孔的圆柱度0 0 2 咖 汽缸体缸孔圆度0 0 0 8 一- - 0 0 1 2 m m 1 4 2 主要难点问题 ( 1 ) 汽缸孔内孔精度要求高，而表面粗糙度值较大 该汽缸为p e r k i n s 发动机汽缸，为保证缸体内密封水套对缸套的冷却效果，要求 孔壁与缸套有较高配合精度，其接触精度要求在8 5 以上，故缸孔的表面质量及形位 精度要求都很高。镗孔时虽然能达到较高的尺寸精度和较小的表面粗糙度，但因为镗 刀刀痕的存在，缸孔与缸套的实际接触精度较差。为保证该精度要求并同时保证经济 性，在镗孔后压套前增加了对内孔的粗珩工艺。 粗珩的主要作用是进一步提高形位精度( 圆度和圆柱度) ，去除镗孔刀痕并减小 表面粗糙度。为达到这个效果，镗孔后缸壁表面的粗糙度不宜过小，否则珩磨时容易 打滑。一般为r a 2 8 3 2i ji l l 为宜，该课题要求精镗后表面粗糙度r a 3 2u m 。 于是这就产生了一对矛盾：内孔尺寸精度高( 0 0 1 5 m m ) ，而孔壁粗糙度值较大， 给实际加工带来了困难。 ( 2 ) 汽缸孔形状误差难控制 汽缸孔长度较长，且孔壁厚度不均匀，厚的地方5 - 6 n 脏n ，薄的地方2 - 3 r a m ，生产 时圆柱度误差很难控制。根据被加工工件形状可知，若工件孔壁很薄，沿轴线方向加 绪论 硕十论文 工时，因材料刚性差，会产生让刀现象，使孔产生变形，导致圆柱度超差，从而使缸 孔的形状精度达不到要求。 ( 3 ) 刀具磨损较快，尺寸精度难维持 汽缸孔的尺寸与形状要求很高，直径公差带非常窄，对刀具的磨损十分敏感。尤 其对切削路径很长的缸体，一般刀具磨损迅速。往往一次调刀只能可靠加工几个、十 几个工件。因此切削方法及刀具材料、刀具结构的选择就十分重要。 ( 4 ) 汽缸孔“止口 深度难保证 “止口 是指汽缸孔于机体项面处的台阶，用于与缸盖配合容纳并限制汽缸套环 边凸台。深度偏差一般要求控制在0 0 3 r a m 以内，是发动机机体重要的技术参数。本 课题汽缸止口高度公差仅为0 0 2 5 r a m ，且尺寸检测较为困难。而发动机机体项面对设 计基准( 主轴孔轴线) 或工艺基准( 机体底面) 的位置通常并无严格要求( 机体的高 度公差为0 2 m m 左右) 。这就给精镗缸孔时止口深度的精度控制带来难度。 1 5 论文预期解决的问题 本课题的主要针对上文的难点问题，进行镗削工艺分析及镗削方法设计，通过实 验确定干式切削时的刀具及材料，采用优化方法研究切削参数和冷却条件，提高缸孔 尺寸精度；检测缸体圆柱度误差并给予补偿：设计止口深度的控制方法，并将此成果 用于汽缸孔镗削高性能组合机床，有效提高其加工精度，同时降低汽车发动机生产制造 成本。 6 硕士论文 发动机汽缸孔镗削工艺分析与实践研究 2 镗削工艺分析 镗削是镗刀旋转作主运动，工件或镗刀作进给运动的切削加工方法。它往往用于 工件的半精加工或精加工。对于本课题缸体，它的半精加工与精加工内容包括缸孔加 工、止口加工及倒角，只有保证每一个表面、每一道工序的加工精度，才能保证最终 成品的质量。所以应合理选择加工方法、冷却方式、刀具材料、刀具结构以及切削用 量，以解决切削中的难点问题，达到精度要求。 2 1 推镗、拉镗与推拉镗加工工艺 2 1 1 推镗 推镗法在镗削过程中，镗头沿着镗杆前进的方向作进给运动。 推镗法加工的优点是：结构简单，上料和加工方便。由于推镗法在镗削过程中，镗 杆始终处于轴向受压状态下进行工作，因此不论采用何种镗削方法，镗杆都易引起弯 曲，容易出现工件孔轴线直线度误差大、排屑困难、容易打刀、刀具寿命短、加工精 度难于保证、易振动等缺陷脚。 q ) f f + 气；：= = ；，一卜 ( b ) ， i f j ff 7 。 + 毫毫；= ；乒，_ _ ( c ) if “ f ， ， f i 、一o ( dj 图2 1 1 推镗状态下的变形 假设图2 1 1 ( a ) 柔性杆为超细长镗杆。采用推镗工艺，镗杆动力头侧传递动力f 使镗杆前进，镗杆在加工过程中必然承受镗刀传递来的轴向切削抗力f 。设f 及轴 向切削抗力f 与镗杆轴线重合，当f 及f 逐渐增加，但小于某一极限值时，镗杆一 直保持其宜线形状的平衡；即使作用一个微小的侧向干扰力，暂时使其发生微小的弯 曲变形，在干扰力解除后，它将恢复其直线形状。这说明镗杆直线形状的平衡是稳定 7 2 镗削工艺分析硕士论文 的。当f 及f ”逐渐增加到某一极限值时，镗杆原有的直线形状的平衡变为不稳定， 它将由直线形状的平衡转变为曲线形状的平衡。这时如再作用一微小的侧向干扰力， 使其发生微小弯曲变形，在干扰力解除后，它将保持曲线形状的平衡，而不能恢复其 原来的直线形状，使镗杆丧失稳定。在加工时，镗杆在两个方向压应力的作用下会产 生弯曲变形，如图2 1 1 ( b ) 所示。此外镗杆在承受轴向切削抗力的同时还将承受径向 切削抗力，即侧向干扰力，细长镗杆的弯曲变形必然是两个方向切削抗力造成变形的 叠加，如图2 1 1 ( c ) 所示。若轴向切削抗力达到一定值时，甚至会出现细长镗杆的受 压稳定性问题一压杆失稳，如图2 1 1 ( d ) 所示。 因此推镗法普遍用于粗加工、半精加工或镗杆刚性较好的场合。 2 1 2 拉镗 拉镗法在镗削过程中，镗头沿着镗杆后退的方向作进给运动。镗杆始终处于受拉 伸状态下进行工作，稳定性较好，易保证被加工孔轴线的直线度。在拉镗时镗杆仅在 径向切削抗力即侧向干扰力的作用下发生轻微的弯曲变形( 参见图2 1 2 ) ，而且因为 镗杆轴向拉应力的存在，提高了镗杆抗弯曲变形的能力。但由于刀具结构的原因，切 削速度和进给量不能太大，故其加工效率较低。实践经验表明，在中批量生产中，采 用拉镗法比推镗法的效率低2 5 3 0 h 1 。 f 。 一 f 卜 f ，f _ 一喀专= = = = ；，- 图2 1 2 拉镗状态下的变形 2 1 3 推拉镗 为了降低投资，简化工艺流程，保证被加工孔的形位精度，可将孔的粗镗、精镗安 排在同一道工序进行，利用镗刀片的径向微量伸缩控制孔径，从而完成孔的粗镗与精 镗一一即推拉镗。 本课题的汽缸孔半精加工与精加工拟采用推拉镗孔工艺，即镗孔刀随着数控立柱 滑台的向下进给来实现汽缸孔的半精镗，此过程为推镗，主要完成止口的精镗和缸孔 的半精镗。因刀具直径较大，刚性较好，其变形较小；半精镗结束后，精镗刀由数控 指令控制，沿径向伸出，通过数控立柱滑台的向上进给来实现汽缸孔的精镗，这种工 艺能一次实现半精镗和精镗，既减小了加工的误差复映，保证了同轴度，又提高了效 率。 硕士论文发动机汽缸孔镗削工艺分析与实践研究 2 2 冷却方式 2 2 1 传统冷却方式及弊端 传统的金属切削加工的冷却方式大多使用切削液冷却。切削液在产品的制造过程 中起着降低切削温度、润滑、清洗和排屑等重要作用，但长期大量的使用也带来了许 多负面影响。主要表现为以下几方面： ( 1 ) 造成资源和能源的大量消耗。多年来，工厂的废切削液都是不加任何处理向下 水道排放。一个大型轴承厂每年耗用的乳化溶解油约1 5 0 吨左右，排放的废液约达 7 0 0 0 - - 1 0 0 0 0 吨左右；一个中型厂一年耗用的乳化油约1 5 , - - , 2 0 吨，排放的废乳液约为 1 0 0 0 1 5 0 0 吨副。 ( 2 ) 造成环境污染，甚至危害工人身体健康。在通常排放的废乳化液中，据测定， 含油量高达2 0 0 0 0 m g l ，化学耗氧量( c o d 值) 高达1 8 0 0 0 m g l ，生物耗氧量达 9 3 0 0 m g l 钔。 此外，还含有亚硝酸钠、碳酸钠等缓蚀剂和表面活性剂等。亚硝酸钠本身是一种 低毒性物质，但亚硝酸钠和有机胺生成亚硝胺，对人体有致癌作用。 ( 3 ) 增加了制造成本。据德国许多公司的资料表明，使用切削液的费用占总成本的 1 6 ，而切削刀具消耗的费用仅占制造成本的3 - - - 4 ，美国b a l y e r s 刀具涂层公司也作 了这方面的统计，结果是切削液消耗费用是刀具费用的3 - - 4 倍h 1 。 因此，在加工过程中不用切削液的加工工艺，即干式切削应运而生。据有关部门 统计，目前在西欧已有近一半企业采用了干式切削加工，德国企业尤为普遍。 综上所述，为贯彻环境保护政策、降低) j n - r 成本，根据绿色切削的要求，应大力 推广干式切削技术。 2 2 2 干式切削 所谓干式切削，是指在机械加工过程中为保护环境和降低成本而有意识地减少或 完全停止使用切削液的加工方法。 2 2 2 1 干式切削的优点 干式切削具有明显的优点，产要表现在以下几方面： ( 1 ) 节约成本，无需与切削液有关的传输、回收、过滤等有关装置费用，简化 了生产系统；同时也省去了与切屑及切削液处理的相关费用。 ( 2 ) 切屑洁净，无污染，易于回收与处理。 ( 3 ) 不污染环境，也不会发生与切削液有关的安全及质量事故。 2 2 2 2 干式切削加工技术的应用 干式切削技术起源于2 0 世纪9 0 年代的欧洲，目前在国外很流行。在干式切削技 术的研究和应用方面，德国居国际领先地位，日本也已成功开发出不使用切削液的加 9 2 镗削工艺分析硕士论文 工中心。因为无切削液化加工，故其效率高、成本低，而机床、刀具投入的技术与成本 很高。目前，欧、美国家较为流行，德国处于国际领先水平，2 0 0 3 年德国已有2 0 以 上的企业采用这一技术。目前在欧洲约有2 0 的机械加工已采用干式切削加工，且已 应用于钻削、铣削和镗削等加工方式；其切削材料可为铸铁、铝、镁等哺1 。 2 2 2 3 成熟的干切削工艺方法 干式切削不是一种通用技术，它的应用还有一定的局限。一般对尺寸精度、表面 质量要求不高的非封闭式切削加工，可以直接采用干式切削；对于要求较高的非封闭 切削加工，采用一些技术措施，如提高主轴转速、减少进给量、使用新型刀具等，也 可以采用干式切削。经过各国专家多年试验，有以下几种适合于不同材料、不同加工 类型的成熟干切削工艺方法1 。 ( 1 ) m q l ( 微量润滑) 准干切削 m q l ( m i n i m a lq u a n t i t yl u b f i e a t i o n ) ，即微量润滑，切削液耗损在5 0 m l h 以下， 用气雾外部润滑剂喷到切削位置使少量切削液得到最充分的利用。这种工艺主要用于 铸铁、钢、铝合金工件上进行钻、铰、攻螺纹以及深孔钻削和铝合金的端面铣削等。 ( 2 ) 加工铸铁的红月牙技术 由美国m a k i n o 公司提出。红月牙( r e dc r e s c e n t ) 干切工艺。其机理是由于切削 速度很高，产生的热量聚集于刀具前部，使切削区附近工件材料达到红热状态，导致屈 服强度明显下降，从而提高材料去除率。实现红月牙干切工艺的关键在刀具，目前主要 采用c b n 、p c b n 和陶瓷等刀具来实现这种工艺。 ( 3 ) 高速干切削技术 全干式切削法，也叫高速干式切削法。机床主轴高速回转( 通常在2 0 0 0 0 6 0 0 0 0 r m i n ) ，使用高强度刀具，小切深、大走刀，进行超高速切削加工。切削热9 0 以 上被切屑带走，通过切削工艺条件的改变来实现无切削液化加工，具有大量切削热被 切屑带走的切削特点。这种切削特点应用于干切削是非常有利的，因为只要快速切削， 就基本上解决了高速干切削的发热问题。如切削铝合金时，铝屑常常会在大量的切削 热作用下部分熔化，粘附于刀具上，严重影响工件表面加工质量，而采用高速干切削 可使铝屑在来不及熔化的时候就脱离刀具和工件，一次加工就能达到很高的表面质量 【1 0 】 0 2 2 2 4 干切削的冷却技术 ( 1 ) 低温风冷技术 在切削过程中，刀尖切削点的温升对刀具寿命的影响很大，低温冷风切削法就是 向刀尖的加工部位喷射零下2 0 3 0 甚至更低的低温气流，并混入微量的植物性 润滑剂( 每小时l o 2 0 m 1 ) ，产生低温气流降温、微量油雾润滑切削和排屑的作用。切 削点低温化，不仅使工件材料局部冷脆，有利于切屑的剪切断裂和降低切削负荷，同 时也防止了刀具自身的扩散磨损、相变磨损和粘结磨损，微量油雾润滑降低了刀具与 l o 硕士论文发动机汽缸孔镗削工艺分析与实践研究 工件、刀具与切屑间的摩擦力，使刀具寿命得到延长。低温冷风切削法尤其适合钛、 镁、钼、合金铸铁、不锈钢等难切削材料和薄壁材料的加工。 用低温强风对切削部分冷却和排屑是一种新的无污染加工方法。通常人们认为气 体的比热低，因此冷却效果比液体差，但由于采用低温风作为介质进行吸热、传热和对 流，与此同时通过降低切削环境温度加快了切削热在工件、切屑和刀具上的传导，以此 来达到降低温度、提高刀具耐用度的目的u 。 在进行风干切削时，为解决干切削刀具和工件难以充分冷却、润滑条件差等问题， 可采用喷气冷却系统，它是一种低温冷却方法，其原理如图2 2 1 所示。冷却是由液 态氮或其他方式在热交换器中冷却过的，其温度可达一4 5 0 ，冷却气体直接喷射到切削 区，并可根据加工要求调节气体的温度、流量参数以满足加工要求。 空气压缩机 流阀 图2 2 1风冷系统工作原理图 ( 2 ) 气雾润滑技术 气雾润滑是采用一定的喷射冷却装置，将冷却液雾化为毫米级的气雾，不断喷射 到刀具表面进行润滑的切削加工。其工作原理是把冷却液通过喷射装置与空气充分混 合，并且，在高压下通过多孔喷射由内喷嘴形成冷却循环、外喷嘴角形成气柱，对刀 具进行冷却与润滑。该方法能节约大量的冷却液，其冷却用量在5 0 m l h 以下。尤其 适用于在钢加工和孔深为5 倍以上的孔加工中 1 2 o 2 2 3 本课题采用的冷却技术 本零件的材料是合金铸铁，硬度为h b l 8 7 2 2 9 。因切削材料为铸铁，切削时不 使用切削液，即为干式切削。若采用p c b n 切削时，可采用较高的切削速度，但这会 导致切削过程中产生的切削热较多，若不及时采取冷却措施，会使切削变形加剧，影 响加工质量，同时还会使刀具寿命降低。 根据p e r k i n s 公司的要求，生产线上的组合机床不采用清洗装置。也就是既要控 制切削温度，又要保证切削过程清洁。因此采用风冷技术较好，常用风冷技术有低温 2 镗削工艺分析 硕士论文 风冷和常温风冷。因此应结合切削参数进行优化设计，通过正交实验，在保证表面最 佳加工质量的情况下，确定冷却条件。详见第四章。 第四章的正交实验结果表明，该零件在切削时采用常温下的大流量压缩空气冷却 效果最好，即利用大流量的压缩空气将铁屑吹走，同时对被加工表面的热量及刀体刀 片进行冷却，由于切削过程中有7 0 左右的切削热量含在铁屑中，3 0 的切削热量流 在被加工的零件表面及刀体刀片上，大流量的压缩空气将能带走其中绝大部分热量， 从而达到控制切削温度的目的。 本课题风冷系统控制原理图见图2 2 2 。 主轴气密封 1 2 图2 2 2 本课题风冷系统控制原理图 硕士论文发动机汽缸孔镗削工艺分析与实践研究 3 汽缸孔镗削工艺装备 3 1 发动机汽缸孔镗削高性能组合机床 本课题的研究针对汽缸加工的关键工序，即为缸孔及止口的镗削加工。本文以中 外合资企业p e r k i n s 动力有限公司的气缸体镗削加工为例，结合江苏高精机床有限公 司的科研项目一一汽缸孔精密镗削工艺与组合机床进行设计。 组合机床是针对特定工序的特定加工要求而专门设计，一般加工对象具有专一 性。它是集机电于一体的具有较高自动化程度的制造技术和成套工艺装备，其特征是 高效、高质。随着制造业的全球化进程的加速，组合机床及其自动线的应用越来越普 及，组合机床产品也开始向数控化、柔性化转变。 江苏高精机床有限公司研制和开发的发动机汽缸孔高性能组合机床，采用了主 轴承孔无间隙或微间隙定位、镗车法加工止口底面、实时测量反馈控制止口深度、工 件加工精度在线自动测量、集成s p c 质量自适应控制、刀具实时补偿等先进技术，其 加工精度高、效率高，解决了我国发动机汽缸孔a n t - 质量不稳定、效率低的瓶颈难题。： 克服了一般加工中缸体孔变形和发热量大、刀具的制造困难等较大的技术难题，为进 行同类高性能组合机床的进一步的研究、开发和设计，提升我国制造业的竞争力、加 快汽车制造的关键设备的国产化奠定了基础。 3 1 1机床结构形式及配置 如图3 1 1 所示，本机床主要由工件输送装置、液压夹具、镗头传动装置、刀具 进给补偿装置( 深度检测机构) 、冷却润滑系统、机床导轨与立柱、防护装置等几部 分组成。 1 3 3 汽缸孔镗自工艺装备 颤l 论文 z l q f 4 1 t g g 图3 1l 机眯总体结构凹 图3 12 机床外观照片 3 1 2 深度检测机构 3 1 2 1 难点问题分析 ( 1 ) 发动机缸孔止口深度加工精度直接影响到发动机的工作性能止口深度太 深会造成气缸不紧，而造成漏气、漏水、冲气缸盖垫等故障；止口深度太浅会造成装 硕士论文发动机汽缸孔镗削工艺分析与实践研究 配后气缸套、气缸力太大而损坏气缸盖、气缸套、气缸垫等零件。所以机体设计时， 缸套孔止口的深度给出了较高的精度要求。 但实际上，工件定位基准是下底面，设计基准为顶面。而定位基准下底面与顶面 之间的尺寸精度即缸体高度公差为0 2 r a m ，而止口高度公差仅为o 0 2 5 m m 。显然，当 以缸体下底面为定位基准时，该尺寸无法直接保证。 ( 2 ) 生产中常采用的做法是，在一台机床上，在工件一次装夹的状态下，连续 完成机体顶面的精铣和汽缸孔( 包括止口) 的精镗。用精镗滑台下行死挡铁限制镗止 口刀片对精铣刀片的相对高度，籍此控制止口深度。实践证明，顶面精铣后自身的平 面度误差就可达0 0 2 - - - - 0 0 3 m m 以上，再加上铣刀片磨损引起的顶面高度的变化，以 及死档铁停留本身的重复精度误差，实际加工不能达到预期效果。另一方面，把并不 复杂的精铣顶面工序加入到汽缸孔精镗机床后，极大的牺牲了汽缸孔精镗机床的效 率，进一步加重了汽缸孔精镗工序在发动机机体生产线中的瓶颈效应，因此并不合理。 目前国内发动机行业能够达到的精度在0 0 4 0 0 5 m m 左右。 本课题采用专用深度检测机构来进行实时测量反馈从而控制止口深度。 3 122 专用深度检测机构 j 晴 图3 1 3 深度检测机构装配图 3 汽缸孔镗削i 艺装备 碗i 论文 为解决基准不统一和汽缸孔止口深度精度高的难题，本课题拟采用专用深度检测 机构来进行实时测量反馈从而保证止u 深度要求。图313 、3 14 、3 1 5 为深度检测 机构示意图及照片。 h3 i a 刀杆及测央附片 如图3l3 所示，当测头接触工件顶面后，带动导向杆相对于导向座产生滑动， 并通过螺钉头上表面压迫精密机械比较仪的测头运动，当测头运动到预定位置时，此 时测头距镗止口刀具位置是定值，将此位置设定为工件顶面高度相对基准位置。再通 硕士论文 发动机汽缸孔镗削工艺分析与实践研究 过程序设定，让刀具再往下行走h ，即可得所要加工尺寸，这样就可以解决基准不 重合的矛盾，从而保证了止口深度的尺寸要求。 3 1 3 机床工作循环 机床可加工四缸体汽缸和六缸体汽缸。加工四( 六) 缸体汽缸体的工作循环基本相 同，图3 1 6 为四缸体工作循环图。 电气、液压、润滑、 冷却及排屑系统启动 隶 警下科摆杆 下料摆杆摆 输送快进、缓进s q 广一 输送杆至工件加工完位置 主轴电机停娶in 塞i s p 矍i n羹l s p婺l n 羹i蠢l蒌i薹l萎i 掣酗掣召p 星一 笔t 法剿器 人珊 件输送至世 s q 下科架 夹具滑台 移至i i 工位 砩 翅 $ 姐 契 脚 召i 旦 夹具滑台 鎏丝旦罨黩具滑台快进 n n s p 是轨锁j 番r - s p 赠i n 稍 $ l $ 姐l 姐 察i 察 j i j i 捌 姥一蛙- 好 具滑台缓避 夹具滑台 移至i 工位 主轴电机启动 噬燃喜 n 赭学刀送刀 图3 1 6 四( 六) 缸体工作循环示意图 3 1 4 机床的主要特点及关键技术 毋 敢控信号r 梁 一l = 塔l 蒌l d 蕾 机床采用单面立式结构布置，x 轴为水平移动数控滑台，带动工件精确移动至待 镗孔的位置，孔的位置精度由该轴保证：z 轴为数控立柱滑台，采用闭环控制，它带 动精密镗头按设定好的程序对工件进行镗削加工；止口的深度的控制，采用精密机械 比较仪对工件的高度进行控制，其精度可达0 3 9 m ：精镗孔直径的大小和精镗刀的伸 缩，均由数控系统驱动刀具推杆来实现；机床夹具直接连接在导轨上，采用液压夹紧， 气动机械锁紧，保证机床定位的高精度和夹紧的可靠性。 1 7 3 汽缸孔镗削工艺装备硕士论文 考虑国内的制造工艺能力，该设备x 、z 两轴导轨均采用滚柱导轨，目前国内外 大多采用镶钢贴塑导轨，在国外先进国家镶钢贴塑导轨己相当成熟，而国内镶钢贴塑 导轨虽制造工艺同先进国家基本一样，但始终与发达国家的水平存在差距。其主原因 是：国内贴塑导轨及粘接技术始终过不了关，镶钢导轨热处理变形问题难以解决，镶 钢导轨的装配、贴塑导轨的贴塑粘接均要求工人有相当高的操作技术，装配的环境要 求也很高，目前国内企业很难做好。因此，本系列机床采用了成熟的滚柱导轨，现有 的滚柱导轨副的间隙可做到接近零间隙，所以移动刚性及抗振性相当好，本机床精镗 孔属于高速切削，为了防止因高速切削的振动源带动导轨副的振动，z 轴立柱滑台直 线导轨采用三滑块，用于提高导轨的运动刚性及避开刀具切削时的共振频率。 高精密机床的精度主要由机床部件精度及其抗振性决定。为此，立柱滑台的立柱 采用铸件铸造工艺，铸件采用“井字筋加“米 字筋，避开机床加工的频率，立柱 滑台的滑板采用“凸 型结构，使得台面离导轨面距离最短，从而降低了主轴回转中 心与运动导轨面的高度，使立柱的运动刚性好，抗振性强。为了提高加工的精度，精 密镗头主轴设气密封，主轴轴承均采用油冷机调温，保证主轴轴承工作恒温，从而达 到高精度要求。 此外，为了达到高可靠性，本系列机床电气系统选用德国西门子8 4 0 d 数控系统； 精密镗头设有皮带断裂装置；夹紧为液压夹紧，夹具定位块上设有气动检测装置，气 动机械自锁机构；每一程序均设有部件、信号元件损坏保护程序；x 轴的移动到位信 号采集数控信号及无触点信号，液压执行元件均设有压力信号和电信号：机床的上下 料采用自动上下料方式，上料选用油压输送，下料选用无杆气缸输送，这样避免了因 人为因素而导致人身安全事故或机床故障。 3 2 机床夹具 机床夹具的定位及夹紧是机床成功的关键。汽缸体为刚性较差的零件，夹紧非常 容易变形，一旦夹紧变形，必然影响零件的加工精度。本系列机床采用液压夹紧工件 后卸压，由气压机械自锁工件，从而达到夹紧时工件不变形的情况下，工件可靠的紧 固在夹具上。工件采用一面两销的定位方式，平面采用三支撑块定位，这种形式平面 定位精度受汽缸体底面的平面度影响最小，为了提高平面的支撑刚性，在汽缸体底面 增加三点辅助支撑；由于定位销孔尺寸存在误差，会使工件产生定位误差。为减小定 位误差，本机床专门设计了为自洁式自动涨紧定位夹具。 硕上论文发动机汽缸孔镗削工艺分析与实践研究 图3 2 1自洁式自动涨紧定位销工作原理图 如图3 2 1 所示，自洁式自动涨紧定位夹具主要利用顶杆与锥形体的移动使锥形 胀套沿锥面产生移动从而夹紧或松开工件的。图示位置为松开油口进油，推动顶杆及 锥形体上移，从而使锥形胀套上移。因为胀套与顶杆套采用锥形表面配合，因此其轴 向移动必然使它产生沿径向尺寸变小，从而失去与工件的接触，将工件松开。反之， 则将工件夹紧。而序号4 处进气口则在工件夹紧或松开时及时吹进压缩空气，对工件 切削部位进行清洁，达到及时自动清洁的目的。定位销涨紧精度在直径方向上不大于 5 p m ，只要定位销孔不失圆，理论上讲，定位误差几乎为零。 3 3 镗削刀具 3 3 1 干式加工对刀具的基本要求 干式加工对刀具的基本要求n 3 3 为： ( 1 ) 为适应干式加工对刀具加工性能的要求，刀具材料应具有高强度、硬度和良好 的耐热性、耐冲击韧性等机械物理性能。 ( 2 ) 干式加工会显著提高加工区域的温度，增大刀具与切屑之间的摩擦阻力，容易 产生积屑瘤，加剧刀具磨损。为增加刀具切削刃的耐高温、耐磨损性能，可对刀具表面 进行适当的涂层处理，以起到减小切削力和切削功率、减小刀具与切屑的摩擦阻力、 阻隔切削热、减小刀具磨损、延长刀具