摘 要：以发动机缸体作为研究对象，主要从缸体顶面、缸孔、曲轴孔3个方面精加工尺寸进行论述。通过选用顶配进口加工中心及珩磨机，采用定制夹具及辅助支撑，并配以先进的刀具、优化CNC加工程序及机床加工精度，保证了产品的精加工尺寸要求，包括尺寸公差、形位公差、粗糙度、珩磨网纹等。该加工工艺技术可为相关机械厂在提高缸体顶面、缸孔、曲轴孔精加工精度方面提供借鉴。
 
       关键词：发动机缸体；缸孔；曲轴孔；加工中心；珩磨机
   
       缸体是发动机最重要的核心零部件，缸体缸孔的高精度加工要求是制约提高发动机品质的难题，主要体现在缸体顶面、缸孔、曲轴孔几个方面。这些精加工尺寸控制不好，不仅将影响发动机整体的性能，同时容易造成漏油、漏水，如缸孔圆柱度不好会造成缸内的机油上窜气[1]、甚至爆缸现象。目前国内主流的加工中心及珩磨机生产厂商在设备动态加工精度、设备稳定性方面跟国外先进设备相比存在着较大的差距，生产出来的产品不合格率高，无法保证发动机整机产品性能的稳定性。不少机械制造厂工件夹紧采用机械结构装夹，这种局部夹紧易造成缸体挤压变形；如果非恒温恒湿车间，温度变化也会给铸件缸体精度带来很大的影响。因此国内大部分发动机厂为了控制成本，选用国内设备进行缸体工艺过程中的尺寸粗加工、半精加工，而精加工则会选用国际先进的设备；也有部分厂家会不惜成本，全线设备包括珩磨机都采用进口，以保证产品制造质量及装配质量。
 
      进口设备加工中心均有自动补偿功能，并通过专用夹具一次定位夹紧、关键工序刀具的选型、优化加工中心CNC及珩磨机程序、恒温恒湿的生产条件保证等，可完成缸体顶面精铣、珩磨缸孔、珩磨曲轴孔的复杂生产过程，达到高精度制造水平并满足生产线的节拍要求。本文以实际加工产品为例，对其具体制造工艺技术进行分析介绍。
 
      1、 缸体尺寸特性要求
 
      图 1 所示为发动机最终产品尺寸示意图，包括缸体顶面、缸孔、曲轴孔精加工尺寸，有关要求说明如下：
 

                   图1 发动机最终产品尺寸示意图
  
      

      2）缸体顶面尺寸：缸体顶面到曲轴孔距离尺寸公差为0.08 mm，顶面粗超度为Rmax12.5 μm，顶面对曲轴孔的平行度为 0.05 mm，顶面平面度为0.05 mm。
 
      3）缸孔尺寸：缸孔直径公差为0~0.015 mm，缸孔对曲轴孔垂直度要求为0.05 mm/150 mm，缸孔加工位置度精度为   0.2 mm，缸孔圆柱度精度要求为0.01 mm，缸孔粗糙度为Rz2~5 μm。
 
      4）缸体曲轴孔尺寸：曲轴孔的粗糙度为Rz10 μm，直径公差为0~0.018 mm，曲轴孔位置度精度要求为 0.2 mm、圆度为0.005 mm、圆柱度为0.005 mm，曲轴孔第2、第3、第4档的同轴度为0.008 mm。
 
     2 、缸体顶面精加工精度工艺制造技术
 
     1）缸体的装夹定位按照产品图纸进行设计。因图面尺寸基准为底面及底面两定位销孔，而这类基准在前面工序已加工出来，所以缸体顶面加工定位基准为底面及底面两定位销孔，这样消除了因基准转换造成的精度误差。
 
     2）由于缸体空间尺寸较大，加工过程若装夹不紧会使缸体产生微小晃动，严重影响加工精度，故需要在夹具上设计若干自锁式辅助支撑点及装夹点，且应保证缸体装夹受力均匀，防止因装夹受力不均，加工后释放应力而影响了缸体平面度。
 
     3）加工中心增加有 3 点三检的气检方式，装夹不到位会及时报警，保证了产品加工的稳定性。
 
     4）缸体顶面精铣、精密孔加工时采用立方氮化硼（CBN）刀片、铰刀。这些刀具寿命长，且具有加工精度高、表面粗糙度参数值小、生产率高等优点。若采用硬质合金刀片，则在大批量生产的条件下无法保证粗糙度的加工要求，只要镀层的硬质合金刀片加工超过 100 件，就容易产生粗糙度超差，而采用 CBN 刀片则效果要好很多，可以加工200件以上。
 
     5）控制加工中心切屑参数，优化CNC走刀路线，适当提高切削速度，可减少缸体顶面因进刀、出刀时吃刀量受力不均而造成的缸体前后端面平面度超差。
 
     6）大盘铣削加工后，通过CNC控制程序及追加大毛刷，绕着缸体顶面沿铣刀加工路线刮一遍，剔除缸体毛刺。
 
     7）车间温湿度控制。控制设定恒温20±2℃、相对湿度40%~60%，减少热胀冷缩对缸体精加工的影响。
 
     缸体顶面精加工后的平行度、平面度、粗糙度检测报告如图2所示。
  

     
  
                         图2 缸体顶面尺寸检测报告
   
     3 、缸体缸孔精加工精度工艺制造技术
 
    缸体缸孔精加工尺寸要求高，是工艺制造控制的重点。为了保证缸孔珩磨的质量，需在珩磨前把缸孔直径尺寸公差控制在±0.01 mm，即只允许有20 μm的公差带通过气检后方能进来珩磨机进行铰珩，而在缸孔入珩磨前，需先在加工中心精镗缸孔到预定尺寸，其加工工序图如图3所示。
  

     
                               图3 缸孔工序图

                            
     精镗刀采用内冷结构，保证在切削过程中产生的热量及时被带走从而降低局部加工的温度、提高缸孔表面质量。根据最终产品图纸对比，珩磨前工序缸体缸孔直径精镗后预留有0.04~0.05 mm 加工余量给后面珩磨机铰珩，粗超度控制在 Rz10~20 μm，圆柱度控制在 0.015 mm，而位置度  0.2 mm 和垂直度 0.05 mm/150 mm 与产品图纸一致，即在保证位置度和垂直度情况下通过铰珩来控制缸孔的粗糙度、直径、圆柱度。
 
     缸体缸孔精镗后通过在线气检设备检测缸孔直径，符合的产品通过机动辊道进入珩磨机。虽然进口缸孔铰珩设备（如德国某知名珩磨机）一次性投入较大，但后期加工成本极低，且加工质量稳定。采用立式珩磨机进行加工。在加工过程中，珩磨头的油石在胀缩机构下作径向进给，把工件逐步加工到所需尺寸，珩磨头外周镶有 6~9 根铰珩砂条，粗珩可采用6根，精珩采用9根，长度约为缸孔长度 1/3~2/3。珩磨时往返速度控制在 25~35 m/min，珩磨效率较高[2]，珩磨往复换向加速度越大，换向时所形成的圆弧过渡区域越小，珩磨网纹质量越高[3]。油石对孔壁的压力控制在0.3~0.5 MPa，珩磨油石压力的大小直接影响工件表面质量、油石磨损量和工件尺寸精度、表面粗糙度[4]。
   
     缸体缸孔精镗后经过粗珩和精珩可满足产品尺寸要求，珩磨后会产生20°~30°的珩磨网纹，对缸孔油膜的润滑油存储有很好的效果。缸孔珩磨后直径、位置度、圆柱度、垂直度、粗糙度检测报告如图4所示。
  

      
  
                           图4 缸孔尺寸检测报告
   
     4 、缸体曲轴孔精加工精度工艺制造技术

     常用的汽油发动机最大转速可达6000 r/min，对曲轴孔工艺要求高，为了保证曲轴孔珩磨的质量，需在珩磨前把曲轴孔直径尺寸公差控制在±0.015 mm，即只允许有0.03 mm的公差带通过气检后方能进来珩磨机进行平台珩，而在曲轴孔进入珩磨前，需先在加工中心精镗曲轴孔到预定尺寸，其加工工序图如图5所示。
  

     
    
                                   图5 曲轴孔工序图
   
     加工中心精镗刀采用内冷结构，由于曲轴孔深度大、达300 mm，故对镗刀要求也高，采用CBN材质刀片，其结构如图6所示。
  

       
  
                                         图6 镗刀结构图
    
      刀具选用很关键，选用了mapal品牌，该刀具上带有4根半精镗刀片和6根精镗刀片。在加工过程中，先由刀片扩引导孔，切削掉大部分余量，然后由半精镗刀片镗至  48.79 mm，留0.2 mm的余量给  48.995 mm 刀片进行切削；先镗曲轴孔第1档、第2档的位置，然后旋转转台，镗另一侧曲轴孔第5档、第4档、第3档的位置。
 
     根据最终产品图纸对比，珩磨前工序缸体曲轴孔直径精镗后预留有0.04~0.05 mm加工余量给后面珩磨机平台珩。平台网纹的曲轴孔与普通珩磨的曲轴孔相比，磨合期缩短了 1/3~1/2，寿命提高 10%~20%，扭矩提高 5%，机油消耗降低 50%~60%[5]。平台珩粗糙度控制在Rz10-20 μm，圆柱度控制在0.01 mm，而位置度 ϕ0.2 mm、圆度0.01 mm、同轴度0.008 mm，也通过平台珩达到产品尺寸要求。
 
     为了保证尺寸精度，曲轴孔采用一次珩磨到位，即从第1档平台珩至第5档，同时进行旋转及往返运动。
 
     缸体曲轴孔珩磨后直径、圆度、位置度、同轴度、圆柱度、粗糙度检测报告如图7所示。
  

      
  
                          图7 曲轴孔尺寸检测报告
 
     5 、结语
   
     针对发动机缸体顶面、缸孔、曲轴孔精加工，采用自锁式夹具及辅助支撑设计，选用先进的刀具材料和刀具组合结构，控制加工温湿度，控制好加工工艺参数、切屑余量，并通过先进加工中心和进口珩磨机，保证了产品精加工精度要求，进而保证了产品装配性能，实现缸体量产。