发动机加工的工艺设计

“提高品质，降低成本”为汽车企业在未来的竞争中提供了基本保证。对于发动机制造所采用的生产装备，其投资费用和寿命计算并非是件简单的事情。首先，企业要考虑在前期投入大量的资金购置生产设备；其次，在后期的使用过程中还要考虑加工过程中的使用成本和维护费用。因此，规划过程中合理的工艺设计是非常重要的。因为发动机制造选用的生产装备及工艺方法与加工的产品在规划周期内的改型有着密切的关系，所以生产线为了适应这些设计上的差异，在规划时就应考虑生产设备的适应性、工艺的合理性，以及设备对日常消耗品的运营成本。

1机床的设计机床的选型对规划来讲至关重要，将直接影响到后续生产线的利用率和新产品的适应能力。目前，对于发动机机械加工设备的选型主要是在专机和加工中心之间进行。

1.1专机将加工内容按工序分配给不同的单独工位顺序完成，毛坯（或半成品）从生产线的一端上料，半成品（或成品）从另一端下线，各工位间的传输由一条刚性的输送带连接起来。这种生产设备适合于生产线柔性要求不高、设计变化较小的系列零件的生产，而对于设计变化较大的零件则由于要适应新产品改造其采用按序加工的专机费用较高。因此，对于生产预期变化很少或设计变化不频繁的零件，专机是最佳的选择。专机的特点：加工内容简单、质量可靠，加工效率高，加工精度和稳定性高。对于专机的设计，一般是根据产量纲领一次性投资到位。目前，发动机厂设计的机械加工线经常是关键工序采用专机，以保证加工效率和加工精度。如发动机气缸盖气门阀座／导管及凸轮轴孔的精加工工序在气缸盖加工中属于非常关键的工序，对这些工序的加工其使用的设备往往是专机。

1.2加工中心加工中心的特点是柔性好，产品发生变化时只需要更换夹具、刀具，调整和编制新的加工程序即可满足新产品的生产。加工中心适用于复杂、工序多、精度要求高、需用多种类型普通机床和种类较多且复杂的刀具、工装，经过多次装夹和调整才能完成加工的具有适当批量的零件。其主要加工对象是箱体类零件，如汽车的发动机气缸体、气缸盖等。箱体类零件在加工中心上加工，一次装夹可以完成普通机床60％95％的工序内容，零件各项精度一致性好，质量稳定，同时可缩短生产周期，降低成本。对于加工工位较多且工作台需多次旋转角度才能完成的零件，一般选用卧式加工中心；当加工的工位较少且跨距不大时，可选立式加工中心。目前，规划的发动机气缸体、气缸盖生产线，由于其加工内容较多，加工中需要多次旋转，各发动机厂优先选择卧式高速加工中心进行组线。考虑到设备的运行成本和维护费用，在使用设备的类型确定以后，购买设备时还要注意以下几点。a.要使用统一的规范进行设备招标。统一的设备规范可以使公司在不同的项目中购买的设备具有很高的相似性，便于生产管理、人员培训及日后生产线的改造或重新安排。b.设备的选择要以其可靠性作为主要依据，要注意尽量避免使用供应商的专利技术或新开发的技术。c.机床所有的辅助设备和维修窗口尽可能地安排在机床后部，以便缩短机床彼此之间的间距，从而减少操作工的行走时间，缩短生产线的长度。

2刀具的设计

当确定好机床后，就要着手进行刀具的设计。为了达到效率与节拍平衡，保证充分发挥这些设备的效率，就需要考虑合适的刀具与之匹配。刀具选用的合理与否将直接影响工件质量和加工效率，因此刀具的设计应从以下几方面进行。

2.1加工设备首先是了解加工设备的性能，只有了解设备的性能才能选用合适的刀具来匹配，若设备与刀具不匹配，其效率都不能发挥出来。近年来的相关资料表明，一把价值几万元的刀具有可能影响一台价值几百万元的设备发挥效率，规划过程中对刀具的设计和安排在很大程度上决定了生产阶段的制造成本和刀具费用。

2.2刀具材质制造技术的高速发展，对切削刀具的要求越来越高。为适应高速切削度的要求，新材料刀具已经被广泛使用，因此切削效率大大提高。高钴、高钒、高性能高速钢刀具的耐用度可比普通高速钢刀具提高1.53倍；粉末冶金高速钢刀具的强度可提高20%30%，韧性提高1.52倍，并且其可靠性比普通高速钢刀具明显提高；而CBN（立方晶氮化硼）、PCD（聚晶金刚石）刀具和陶瓷刀具等代表当今技术发展水平的超硬刀具，其切削速度可比硬质合金刀具提高数倍，大大提高了加工效率。随着切削速度的提高，主轴与刀柄的连接在离心力的作用下发生很大变化，直接影响工件的加工精度和表面粗糙度。适应数控机床和高速加工需要的刀具夹持及刀柄与机床的连接件如HSK刀柄、热套刀柄、液压刀柄等，以及其他新型刀柄都被广泛应用。

2.3刀具结构为提高生产效率和缩短换刀时间，在汽车零部件的加工中越来越多地使用了各种复合刀具，如钻镗复合、钻铰复合、钻孔和螺纹加工复合等各类复合刀具。结构复杂的展开式刀具满足了很多特殊的加工要求，有些刀具甚至已发展成机、电、液一体化的装置，已远远超越了传统刀具的概念。由于动力总成加工中大量采用的是流水线生产，上道工序直接影响下道工序的生产，而为了提高生产效率和降低生产成本，又采用了大量的组合式刀具、非标刀具。常用的非标刀具如气缸体缸孔镗刀见图1。

2.4刀具成本刀具消耗量与很多因素有关，需要具体情况具体分析。在考察总的刀具消耗费用的同时，更重要的是看单件加工产品消耗的刀具成本,不仅要看直接的刀具成本，更要看刀具对生产效率的影响及其引起的总制造成本的变化。新刀的性能、寿命及采购价格对刀具费用的影响非常大，而可重磨刀具的数量、重磨次数及修磨费用的高、低对刀具的总成本也有着显著的影响。因此，需要考虑一次性设备和刀具投资与长期性刀具消耗费用之间的关系，进行综合考虑、平衡。

2.5工艺方法为了充分发挥高效率柔性线的作用，刀具对工艺提出了许多新的要求，如尽量考虑用同一种刀具完成同一工件不同工序的加工，努力减少刀具库存量，限制换刀频率，降低制造成本等。同时，还要针对一些工艺难点，设计专用刀具、复合刀具（智能刀具），以解决加工精度和加工效率之间的问题。

2.6刀具供应商刀具的选用包括刀具供应商的确定。由于切削加工是一个系统问题，工艺的变化、机床、夹具、切削液、切削参数都对刀具的寿命有着显著的影响，而影响加工性能的刀具本身的结构形式、刀具的材料、表面涂层等的确定又与工艺、切削参数、切削液等紧密相连，因此选用刀具时都必须经过切削试验后再确定选用的刀具及其供应商。同时，现代汽车制造业还要求刀具供应商不仅能提供切削加工的整体解决方案，而且能提供及时有效的现场技术支持，进而形成与汽车制造企业的合作伙伴关系。

3工艺流程的设计

发动机自制件的加工一般要求其精度较高，因连接孔、连接面较多，在装夹时需要选择合理的夹紧、图1气缸体缸孔镗刀定位点，而且还要控制切削力的大小，因此要从工艺流程设计的几个方面综合考虑，严谨设计以满足产品的加工精度要求。

3.1发动机机械加工线工艺流程的设计原则a.粗加工与精加工分开进行，先粗加工后精加工，进而消除零件加工时的内应力变形，并且可以提高加工效率。b.用作精基准的部位（如气缸体的底面、2个工艺孔）优先加工，使后序部位的加工能够具有统一的工艺基准，简化了后序的设备工装，减少了工件的定位误差。c.工艺路线尽量缩减，以便减少生产线的占地面积，避免零件搬运过程中的磕碰伤。d.柔性化程度要高，可以在一条生产线上加工多个品种，满足市场多样化的需求。e.考虑人机工程的合理运用，包括线首、线尾的上下料及工序间工件的装卸和传输。f.重视工序间检测，在设备投资资金允许时，要考虑配备检测工件所需的气电量仪、线性量具和相应的在线检验台，以加强产品的质量控制。g.广泛使用高效刀具，提高机床的加工效率。

3.2加工基准的选择在加工过程中，合理选择工件的定位方式对保证工件的加工质量有着重要的意义。根据发动机箱体类零件（气缸体、气缸盖）的结构特点，粗基准一般采用六点定位原理，精基准采用“一面两孔”定位，箱体类零件精基准的选择要满足“基准统一”原则。发动机中的轴类零件的粗基准选择靠近两端的轴颈，轴向定位基准一般选择中间主轴轴颈两边的平面；一般轴类零件其精基准的选择都相同，最重要的精基准是中心孔，曲轴轴向的精基准一般选取止推面。

3.3加工夹具的选择为了保证加工过程中工件定位夹紧的可靠性，自动化程度稍高一点的生产线上均采用了专用液压夹具。液压夹具可实现非常高的定位精度，在定位和夹紧过程中夹紧力保持恒定不变，从而确保在同一道工序下加工质量的一致性，因变形而造成的废品率将会微乎其微。在针对箱体类零件无法设定刚性支撑时，使用辅助浮动支撑油缸、转角油缸与浮动支撑油缸的组合均可保证夹紧工件不变形。使用液压夹具的优势是可以节省夹紧和松卸工件时所花费的大量时间。

3.4典型工艺的选择

（1）气缸体缸孔加工和曲轴孔加工工艺的选择a.缸孔加工工艺的选择缸孔的作用是保证活塞在气缸内平稳地上下运动，因此对其尺寸、形状、表面精度均有严格要求，为保证缸孔的上述要求，一般采用精镗和珩磨2种工艺进行加工。对于无缸套、封闭水套的气缸体加工采用粗镗、半精镗精镗珩磨（多采用平台珩磨）工艺；对于湿式缸套、封闭水套的气缸体加工采用粗镗半精镗精镗（同时精镗缸孔止口）工艺；对于采用成品薄壁缸套的结构，加工底孔采用粗镗半精镗精镗珩磨（多采用平台珩磨）工艺。常见的缸孔数控珩磨机见图2。b.曲轴孔加工工艺的选择曲轴孔是多档的间断长孔，其尺寸公差、圆度、同轴度、表面粗糙度均有严格要求。为保证同轴度的要求，曲轴孔加工一般采用精镗和珩磨2种工艺进行加工。以精镗作为最终工序时，其设备投资少、辅助材料消耗少、成本相对低一些，镗削加工的表面粗糙度较大。另外，由于材料硬度、轴瓦锁瓦槽引起的断续切削等因素造成形状误差，使轴瓦的钢背与主轴承孔的贴合不良。以精珩为最终工序时，其设备投资多、辅助材料消耗多、成本相对高一些，但以珩磨为最终工序的缸孔、曲轴孔，其尺寸、形状公差较精镗为最终工序的要好，且表面质量也较好。曲轴孔镗铰工艺见图3。

（2）曲轴CNC外铣、CNC内铣、CNC车-车拉工艺的选择C外铣工艺CNC外铣机床是专为汽车发动机曲轴设计制造的柔性数控铣床，设备应用工件回转和铣刀进给伺服连动控制技术，可以一次装夹曲轴，不改变曲轴回转中心，随动跟踪铣削曲轴的连杆轴颈；工件两端由电子同步电动机旋转驱动，具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特点；曲轴平衡块侧面需加工时主轴轴颈加工设备应优先选用CNC高速外铣或CNC内铣，连杆轴颈的加工用CNC高速外铣。C内铣工艺CNC内铣工艺的加工性能指标要高于普通外铣加工，尤其是对于锻钢曲轴，内铣更有利于断屑且刚性特别好。内铣机床有多种加工形式，使用最多的是曲轴固定型数控曲轴内铣加工工艺，其主要特点是生产效率高、加工精度好、适用范围广和柔性好。具有代表性的工艺装备有德国HELLER公司开发的数控曲轴内铣机床系列，其主要功能特点是工件两端用电子同步电动机旋转驱动，铣刀跟随连杆轴颈铣削。如果毛坯是锻钢毛坯则选用CNC内铣工艺更有利于断屑。C车-车拉工艺CNC车-车拉工艺特点是一次设定能完成所有同心圆的车削，并在同一台机床上完成车-车拉(车侧端面)加工，其加工效率高。通过使用特殊卡盘和刀具系统还能实现柔性加工，且机床保养简便其维护成本也较低。特别适用于平衡块侧面不需加工、轴颈有沉割槽的曲轴。车-车拉机床见图4。

（3）气缸盖气门座圈、气门导管孔和凸轮轴孔的加工工艺的选择a.气门座圈、气门导管孔的加工工艺气门座圈和气门导管的加工是整个气缸盖机械加工的关键，其加工精度对发动机的性能有着重要的影响。为保证气门座圈工作锥面对导管孔的跳动、气门座圈锥面表面粗糙度、气门导管的直线度及其对气门座圈工作锥面同轴度的影响，需要分析气门座圈、导管孔和底孔的加工方式、专用复合刀具的采用、刀具材料的选择、冷却方式、切削参数等各方面的影响因素，以满足加工工艺要求。底孔的同轴度误差会造成气门座圈和导管孔精加工余量的分配不均，从而影响到终加工精度，因此气门导管、气门座圈底孔的加工需采用硬质合金复合镗刀一次完成。b.凸轮轴孔的加工工艺气缸盖凸轮轴孔的直径公差、圆度、粗糙度、同轴度及孔位置公差的要求都很高，其加工难度大。如果5个同轴的凸轮轴孔从两侧加工，加工时机床回转工作台（B轴）需带工件回转180°。由于工作台回转后存在误差，无法保证凸轮轴孔的加工精度，因此只能采用长刀杆，从气缸盖一端进刀一次加工完成5个孔。一般在安排工艺时，根据凸轮轴孔的精度要求，将凸轮轴孔的加工分粗加工、半精加工和精加工三步来完成。由于工件凸轮轴孔处结构的限制，精加工所用镗刀杆的长径比大，刀杆刚性降低，因此精加工镗刀杆应采用聚晶金刚石支撑导条结构的整体硬质合金镗刀，且进、排气凸轮轴孔设计采用同一把刀具来加工。

（4）曲轴光整工艺的选择经过盐浴处理的曲轴的表面粗糙度差，为提高其表面粗糙度等级，去除曲轴表面的尖角毛刺、棱边倒圆等而采用曲轴光整工艺。经过光整处理的曲轴不会产生变形，其原有尺寸精度等级也不会改变，但提高了表面粗糙度等级。曲轴光整前、后表面纹理对比见图5。

（5）机器人去毛刺工艺的选择毛刺是金属切削加工的必然产物，难以完全避免。毛刺不仅影响产品的外观而且影响产品的装配、使用性能和寿命。随着高科技的发展及产品性能的提高，对产品质量的要求越来越严格，去除机械零件的毛刺就愈加重要。让机器人按给定轨迹运动并利用高压水射流去除机械加工产生的毛刺和铸件毛坯的飞边、毛刺，具有高效节能、洁净环保、无化学污染的特点，而且不需要进行二次清洗。

（6）高速双主轴切削工艺的选择设备与工艺的发展总是互相促进的，高速切削工艺技术正是在高速切削所需要的高速切削机床和高速切削刀具大力发展的推动下应运而生的。高速双主轴加工中心是为满足汽车制造业高效率的要求而开发的新产品，可同时加工2个工件，减少了设备的占地面积，并极大地减少了操作者的数量，提高了劳动生产率。

（7）气缸盖气门阀座以车代镗加工工艺的选择气门座圈的加工难点在于内孔的几何形状复杂，有多段圆弧、多段锥度、多段直孔的复合。为获得宽度恒定的工作锥面，保证气门座圈工作锥面对导管孔的跳动、锥面的表面粗糙度、导管的直线度，减少工序成本，提高生产效率，气门座圈工作锥面在气缸盖扩产时采用车刀进行车削加工方式，可减少调刀次数，提高加工效率。

（8）发动机零部件加工时微量工艺的选择微量技术的优点：减少了机床部件，进而降低了投资费用；免去了冷却液的排放费用和减少了液的使用，从而降低了维护费用；减少了有损人们健康的因素；在干式切削过程中，液几乎是粘附在切屑上的。为了完成硬度愈来愈高的高合金材料的加工任务，在铣削淬硬钢材料时可以通过微量来明显地延长刀具的使用寿命和提高工件的表面质量。

（9）组合式凸轮轴工艺的选择能够将不同的材料组合起来，相对于铸造和锻造的实心凸轮轴，可以减轻质量达40%，是一种很有前途的工艺方法。组合式凸轮轴可以采用不同的工艺方法制造，其中值得一提的有径向螺栓联接的组合式凸轮轴、钎焊凸轮轴、多边形连接法、摩擦焊连接法、粘接连接法或者热套粘结连接法，以及各种过盈连接法和楔形连接法。

（10）连杆铰珩工艺的选择铰珩工艺是在传统珩磨基础上发展起来的，目前在较为先进的连杆线上的孔加工工艺中大量采用。铰珩应用于内孔加工。按照珩磨轴的布置方式，铰珩亦可分为立式和卧式2种。珩磨条的涨开方式一般不采用液压方式而采用机械方式，同时根据珩磨条充分冷却的需要，珩磨头一般采用内冷方式。

（11）连杆涨断工艺的选择连杆涨断工艺是，锻造的连杆毛坯在实施断裂剖分之前，先粗镗连杆大头孔，然后在其预定断裂处加工两个对置的沟槽，随后将连杆大头孔套装到一台进行断裂剖分装置的两个半芯轴上，并将连杆进行定位和夹紧，然后利用冲击力，将连杆的大头孔在沟槽处被断裂剖分为连杆体和连杆盖。

4结束语

发动机机械加工生产线在工艺设计时要根据实际情况，结合市场、资金、人员、成本、质量等因素，合理进行机床、刀具和工艺流程的设计，使设计的生产线既适应未来的生产需求和产品需要，又降低加工过程中的使用成本和维护费用，在保证生产效率的前提下，提高产品的竞争力。