20070403116_刘相龙_EG04三缸发动机缸盖加工工艺

20070403116_刘相龙_EG04三缸发动机缸盖加工工艺 1 前言 缸盖是汽车发动机中一个十分重要的部件结构复杂其上部置有凸轮轴下部与气缸体活塞组成燃烧室两边是进气道和排气道与油气进入的进气歧管件和废气排出的排气管件相接内有贯穿的冷却水道和润滑油路因此在对发动机的功率和工作性能的影响举足轻重也就很清楚了气缸盖的工作情况是当燃气在燃烧室内爆燃时气体温度瞬间高达1100?以上这种高温热冲击反复作用产生高达7MPa压力直接于汽缸盖与汽缸体的连接处因此气缸盖在发动机整个工作过程中是处于高温状态下承受巨大的热冲击作用工作条件甚为恶劣从气缸盖的铸件结构上来看内腔结构复杂形状多变化壁厚不匀 随着经济的快速发展我国对能源的需求越来越大但我国石油等资源越来越少而且随着汽车发动机向高效率低油耗少污染的方向发展气缸盖的结构会变得愈来愈复杂为了降低燃料消耗缸盖朝着轻量化精确化 强韧化和复合化方向发展而扩大铝合金的应用是汽车工业的重要发展趋势预计有更多的缸体也采用铝合金生产采用铝合金不仅可以减轻发动机的质量还可以有很好的散热性能对发动机的寿命有很好的好处但是缸盖的生产过程需要很多机床的参与由于种种原因我国的制造工艺还不是很先进制约着缸盖的生产 世界发达国家的缸盖制造技术已经相当完善已经领先中国许多年不仅采用的材料越来越轻而且质量也越来越高加上他们采用先进的生产工艺例如FMS生产线他们已经在缸盖领域抢得先机对于中国这个汽车大国来说缸盖的生产的地 位不言而喻所以我们应潜心的研究 已使我国不受制于人 2零件 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 21缸盖功用 汽车发动机缸盖是发动机的主要零件之一如上图位于发动机的上部其底平面经气缸衬垫用螺栓紧固在缸体顶面上主要功用如下 封闭气缸上部并与活塞顶部和汽缸壁一起形成燃烧室 2 作为顶置气门发动机的配气机构进气管和出水管的装配基体 3 汽缸盖内部有冷却水套其底面上的冷却水孔与缸体冷却水孔相通以便利用循环水套冷却燃烧室等高温部分 22 结构特点 缸盖应该具有足够的强度和刚度以保证在气体的压力和热应力的作用下可靠的工作他与汽缸垫的结合面应具有良好的密封性其内部的进排气通道应使气体通过时流动阻力最小还应冷却可靠并保证安装在其上的零部件能可靠的工作缸盖形状一般为六面体系多孔薄壁件其上有气门座孔气门导管孔汽油机的火花塞孔柴油机的喷油器孔还有各种孔及螺纹孔等 23 工艺性分析 缸盖的基本加工工序分为平面加工一般孔加工高精度孔加工 com工工序 缸盖的顶面底面和排气管结合面等都是大面积的平面精度要求高又是全部工艺过程中的工艺基准所以这些大面积平面的加工工序应注意合理的安排工艺 顺序和采用高效率的加工方法 其中缸盖的上结合面即顶面如上图对它有较高的要求表面粗糙度为32um平面度的要求为008mm与下结合面的位置度要求为01mm所以可先进行粗铣加工最后在进行半精铣 缸盖的下结合面即底面如下图对它的要求更高表面粗糙度为16um平面度要求为005mm位置度要求为04mm可对它进行粗铣在其它加工加工工序结束后再进行精铣 com孔的加工工序 缸盖上的气门座孔导管孔和凸轮轴孔等都是孔系有配合关系其尺寸精度位置精度和表面粗糙度要求极为严格所以这些高精度孔系的加工工序是缸盖工艺的核心工序应给予充分的注意 其中进排气门座孔31 00025如下图其表面粗糙度值为08um与基准的位置度要求为02mm孔轴线的平行度要求为005mm圆柱度值为001mm可先进行粗镗孔在进行精镗最后在磨孔 进气孔旁的一个孔如下图加工精度要求也挺高并且很复杂位置度要求为02mm表面粗糙度为16um其加工工艺为先钻孔11然后再扩孔至14最后再铰孔 com的加工工序 精度要求不是特别高的孔加工比较简单例如排气孔面的5×8螺纹孔的加工 其加工工序如下先用钻头钻深20然后直接攻丝深16即可 3工艺流程设计 31毛坯的制造形式 此缸盖的材料为压铸铝合金ZALSi5Cul-Mg批量生产采用低压铸造充型平稳工艺出品率高铸件轮廓清晰力学性能好 32基准的选择 选择定位基准是制定工艺过程中首要解决的问题合理的基准可以使加工质量得到保证生产效率提高 com的选择 1如果必须首先保证工件上加工表面与不加工表面之间的位置要求应以不加工表面为粗基准如果在工件上有很多不需加工表面则应以其中与加工表面的位置精度要求高的表面作为粗基准 [1] 2如果必须首先保证工件某重要表面的余量均匀应该选择该表面作为粗基准[1] 3选作粗基准的表面应平整没有浇口冒口或飞边等缺陷以边定位可靠[1] 4粗基准一般只能使用一次以免产生较大的位置误差[1] 经过分析选用一面两销定位方式进行定位粗基准为上结合面和火花塞孔 com 精基准的选择 精基准的选择 原则 组织架构调整原则组织架构设计原则组织架构设置原则财政预算编制原则问卷调查设计原则 1应尽可能选用设计基准为定位基准实现基准重合以免产生基准不重合误差这叫座基准重合原则[1] 2应尽可能选用统一的定位基准加工各表面以保证各表面的位置精度 同时还可以减少工装设计费用提高生产效率避免基准转换误差称为统一基准原则[1] 3为了获得均匀的加工余量或较高的位置精度可遵循互为基准原则反复加工的原则[1] 4有些精加工工序要求加工余量小而均匀以保证加工质量和提高生产效率这时以加工表面作为精基准面称为自为基准原则该加工表面与其他面的位置精度要求由先行工序保证[1] 精基准也选用一面两销定位方式下结合面和它面上的两个2×10对角孔 33加工阶段的划分 零件的加工质量要求较高时必须把整个加工过程划分为几个阶段 1粗加工阶段在这一阶段要切除较大的加工余量加工变速箱箱体时主要是粗铣前后端面及粗镗各孔 2半精加工阶段在这一阶段应为主要表面的精加工阶段作好准备达到一定的 加工精度保证一定的精加工余量并完成一些次要表面的加工钻孔攻螺纹 铣键槽等一般在热处理之前进行 3精加工阶段 保证各主要表面达到图样规定的质量要求 4光整加工 对于精度要求很高表面粗糙度值要求很小的零件还要有专门的光整加工阶段光整加工阶段以提高零件的尺寸精度和降低表面粗糙度为主一 般不用于提高形状精度和位置精度 34 加工顺序的安排 com 切削加工顺序 1先粗后精先安排粗加工中间安排半精加工最后安排精加工和光整加工[1] 2先主后次先安排主要表面的加工后安排次要表面的加工 3先基面后其他加工一开始先把精基面加工出来如果精基面不止一个则 应按照几面转换的顺序和逐步提高加工精度的原则来安排基面和主要表面的加工 4先加工平面后加工孔箱体类零件的加工应遵循先面后孔的原则即先加工箱体上的基准平面以基准平面定位加工其他平面然后再加工孔系其次先加工平面可以先切去铸件表面的凹凸不平为提高孔的加工精度创造条件便于对刀及调整也有利于保护刀具 5为保证加工质量的要求有些零件的最后加工必须放在部件装配后或在总装过 程中进行[1] com 热处理工序 EG04三缸缸盖采用的是铸造铝合金由于铸造后会有残余应力力学性能还没达到最佳需进行热处理 铝合金铸件的热处理就是选用某一热处理规范控制加热速度到某一相应温度下保温一定时间并以一定的速度冷却改变其合金的组织其主要目的是提高合金的力学性能曾倩耐腐蚀性能改善加工性能获得尺寸的稳定性 对于铝合金它经过淬火后强度与硬度并不会立即升高至于塑性非但没有下降反而有所上升但放置一段时间46昼夜后强度和硬度会显著提高塑性 明显降低淬火后铝合金的强度硬度随时间增长而显著提高的称为时效时效可以在常温下发生称为自然时效 该缸盖选用的材料是铸造铝合金ZALSi5Cul-Mg缸盖工作时由于燃烧产生大量的 热量温度高所以必须要经过热处理选用T7处理先淬火处理加热温度为525?5?保温时间为35 h冷却水温度为60100?然后进行时效处理加热温度为240?10?保温时间为35 h采用空气冷却 com 辅助工序 如检验在零件全部加工完毕后各加工阶段结束时关键工序前后都要适当安排其他辅助工序还有清洗去毛刺表面处理气密试验包装等也应按其要求加入工艺过程 35 机床的选择 机床选择原则 机床主要规格的尺寸应与工件的轮廓尺寸相适应即小的工件应选择小的规格 的机床加工而大的工件则选择大规格的机床加工做到设备的合理使用 机床的结构取决于机床规格尺寸加工工件的重量等因素的影响 机床的工作精度与工序要求的加工精度相适应根据零件的加工精度要求选择机床如精度要求低的粗加工工序应选择精度低的机床精度要求高的精加工工序应选用精度高的机床 机床的功率与刚度以及加工范围应与工序的性质和最合适的切削量相适应如粗加工工序取出的毛坯余量大就要求机床有大的功率和较好的刚度 装夹方便夹具结构简单也是选择数控设备最需要考虑的一个因素选择采用卧式加工中心还是选择立式加工中心将直接影响所选择的夹具的结构和加工坐标直接关系到数控编程的难易程度和数控加工的可靠性 根据以上原则可选择出以下各机床 本次加工的是缸盖需要加工的面有六个有顶面底面两个侧面前后面各个表面上还有很多需要加工的孔螺纹孔为了提高加工精度减小误差方便加工提高生产效率加之前面通过对零件的分析加工工序复杂且类型多所 以选择卧式加工中心MA400HA其参数如下 工台面积400×400mm X Y Z轴行程分别为 560mm610mm625mm 主轴最高转 8000rpm 刀库容量 30把 主轴电机 1511kw vac 占地面积 2394×4532mm2 36 工艺路线的制定 com艺路线时需要注意的问题 工艺路线的制定是工艺规程的设计过程中的重要的一步制定工艺路线的出发点 应当是使零件的几何形状尺寸精度及位置精度等技术要求得到合理保证在生产纲领以确定为大批生产的条件下通过对缸盖的分析可以考虑采用卧式加工中心卧 式加工中心配以专用夹具并尽量采用工序集中的原则来提高生产效率此外 还应 当从企业经济环境和使用环境等诸多因素方面进行具体分析使生产成本尽量降到最低 因此我们需要从以下几个方面来考虑 对于那些加工精度要求较高和粗糙度值要求较低的零件在制定工序时常常 需要将其划分为粗加工和精加工两个阶段对于加工精度要求很高粗糙度值要求很低的零件则常需要划分为粗加工阶段半精加工阶段精加工阶段和光整加工阶段因为缸盖表面最高的表面粗糙度要求为Ra 32μm精加工就可以达到技术要求所以零件加工时将各个表面的粗精加工分开进行可以将整个工艺过程划分为粗加工半精加工精加工阶段就可以了不必进行光整加工阶段但是对于表面粗糙度要求更高的孔 2 充分的分析和研究零件图并参考同类零件的加工方法对各表面选择相应的加工方法选择合理的加工顺序并将工艺过程划分为若干个工序划分工序时采用工序集中的原则因为这样可以减少工件的装夹次数在一次装夹中可以加工许多表面有利于保证各表面之间的相互位置精度也可以减少机床的数量相应地减少工人的数量和机床的占地面积 3 为了改善工件材料的机械性能和切削性能采用热处理工序也是必要的除此之外检验工序也是保证产品质量和防止产生废品的重要措施在每个工序中操作者都必须自行检查在操作者自检的基础上在下列场合还要按排独立检验工序?粗加工全部结束后精加工之前?送往其他车间加工的前后特别是热处理工序 的前后?最终加工之后等另外在工序过程中还可根据需要在一些工序的后面安排去毛刺去磁清洗等工作 com艺路线 1工艺路线方案一 工序? 粗铣下结合面前端面钻孔2×10钻孔3×11 钻孔8 钻孔5×10 工序? 粗铣上结合面 钻2×12孔 精铰2×12 钻2×6孔 精铰2×6孔 钻孔5 工序? 钻12×6 扩孔到75 钻孔4×6 钻孔4×6 工序? 攻丝12×6攻深16mm 攻丝4×6攻深13mm攻丝4×6攻深16mm 铣进气孔面 工序? 铣孔的凸台面 铣孔凸台的面 工序? 镗火花塞孔 攻丝20孔 立铣 钻孔5深306mm 锪孔58 钻孔5 钻孔4 工序? 钻孔5×8深20mm 钻4×8深20mm 钻2×10深21mm 攻丝2 ×10深16mm 工序? 攻丝5×8深16mm 攻丝3×8 攻丝5×8深16mm 工序? 钻孔6×5钻通 钻孔2×8 钻深10mm 工序? 镗孔 铣削 工序? 钻孔 钻孔8 铰孔2×8 工序? 铣削 深钻5 深钻4 工序? 镗孔 铣削 工序? 铣 钻孔4×8深20mm 钻孔10深25mm 钻孔8深15mm攻丝4 ×8 深18mm 攻丝10深20mm 攻丝8深12mm 工序? 钻孔12钻通 攻丝12深18mm 钻孔165 镗孔165 钻孔18 镗孔 18 钻孔32 镗孔32 工序? 钻孔10×6深15mm 钻孔6深16mm 钻孔6 攻丝10×6深12mm 攻丝6 攻丝6 工序? 精镗 8×10 精镗 8×10 工序? 镗进气气门座空 镗出气气门座空 铣 工序? 镗孔 镗孔攻丝4×10 工序? 精铣各表面 2 工艺路线方案二 工序? 粗铣下结合面 前端面 进气孔面 排气孔面 后端面 工序? 钻4×5钻通 钻孔3×10 精铰3×10深12mm 工序? 粗铣进气口面 钻孔6钻通钻4×8钻深20mm 攻 丝4×8攻深16mm 镗孔33 工序? 粗铣排气孔面 钻孔10钻深20mm 攻丝10攻深16mm 钻孔5×8钻深20mm 攻丝5×8攻深16mm 工序? 粗铣上结合面 钻4×6钻深16mm 攻丝4×6攻深13mm 钻孔12×6 锪孔使12×6到12×75深5mm 精铰 攻丝12×6攻深16mm 钻孔8×15 钻孔2×6 粗铣c075 精铰 2×6钻孔2×12 粗铣c2 精铰2×12 工序? 钻孔5 锪孔使5到8 攻丝8 精度要求6H 钻孔5 钻孔5 钻孔 4 粗镗53 粗镗335 工序? 钻孔6×10 镗孔12×31精镗 镗孔12×575 粗镗 镗孔6×30粗镗粗铣c05 镗孔6×36 粗镗 工序? 粗镗4×22 钻孔12×6 攻丝12×6攻深6mm 钻孔3×11 精铰3×11 锪孔使3×11到3×14 3工艺方案的比较与分析 通过分析两套方案表面上看都是可行的但经仔细分析就会发现两者的不同所在 可看出两套方案的基准相同方案一跟方案二都上结合面跟火花塞孔为粗基准方 案一中相同的加工工序集中这样不仅能够使加工误差减小更加满足精度要求不用经常性的换刀具也便于生产管理提高效率方案二的将不相同的加工工序集中在了一起这样经常换刀具使装夹次数过多工时大大增长加工效率下降工艺路线一很好的划分了粗加工阶段和精加工阶段这样加工质量得到了保证便于安排热处理工序同时粗加工各表面后可以及时发现毛坯的缺陷及时报废和补修方案二加工面和孔的很多工序中把粗精加工区分的过于明显致使工序过于分散故选方案一 37机械加工余量工序尺寸及毛坯尺寸的确定 本部分内容参照《实用机械加工工艺手册》机械工业出版社 陈宏钧以下简称文献2 该零件材料为铸造铝合金ZALSi5Cul-Mg铸造毛坯铸造方法是压力铸造参照表2-70强度高铸造性能和耐腐蚀性尚可切削性能优于ZALSi9Mg形成气孔的倾向比ZALSi9Mg和ZALSi12小可热处理强化生产类型为大批生产根据加工工艺分别确定表面的机械加工余 量工序尺寸及毛坯尺寸如下 根据《实用机械加工工艺手册》的表392-表3103和3104-3112 部分面孔加工余量的选择如下表 加工部位 加工方法 加工余量值 加工部位 加工方法 加工余量值 下结合面 粗铣 17mm 气门孔 精镗 01mm 上结合面 粗铣 17mm 凸轮轴孔 粗镗 03mm 前端面 粗铣 17mm 14孔 粗钻孔 1mm 孔3×10 钻孔 02mm 14孔 铰孔 005mm 孔8 钻孔 02mm 4×8 钻孔 02mm 孔5×10 钻孔 02mm 4×8 攻丝 02mm 38确定切削用量 本部分内容参照文献2 铣刀根据970选用端铣刀刀具材料为硬质合金 工序1 缸盖下结合面 工序内容 工步 1 粗铣缸盖下结合面 工步2粗铣前端面 工步3钻孔3×10 工步4 钻孔8 工步5钻孔5×10 机床卧式加工中心MA400HA日本大隈 工步 1粗铣缸盖下结合面 刀具硬质合金端铣刀 铣刀 d 80mm 齿数z 20 铣削深度 1mm 每齿进给量 根据文献2表9-67 铣削速度 根据文献2表9-65取 机床主轴转速 取 工步 2粗铣前端面 刀具硬质合金端铣刀 Φ80铣刀 d 80mm 齿数z 20 根据文献2表9-67得 铣削深度 1mm 每齿进给量 铣削速度 取 机床主轴转速 取 工步 3钻孔3×10 刀具硬质合金钻头 Φ98 根据文献2表9-105 进给量 f 05mm 切削速度 v 160mmin 机床主轴转速 取 工步 4 钻孔8 刀具硬质合金钻头 Φ78 根据文献2表9-105 进给量 f 05mm 切削速度 v 160mmin 所以机床主轴转速 取 工步5钻孔5×10 刀具硬质合金钻头 Φ98 根据文献2表9-105得 进给量 f 05mm 切削速度v 160mmin 因此机床主轴转速 取 39 夹具的设计 com具设计的通用原则 定位要则 11 1 定位基准的选择如前述粗精基准的选择原则 2 自由度的限制 根据文献2表8-94表8-96 3 定位要求 根据文献2表8-97 12加紧要则 根据文献2表8-98和8-99 13结构设计要则 根据文献2表8-100 com 切削力与夹紧力的计算 1 切削力的计算 粗铣下结合面时的切削力计算 查《金属切削机床夹具设计手册》表3-56可得 铣削切削力计算公式 [2] 式中p------ 铣削力kgf t ------ 铣削深度 mm ------ 每齿进给量 mm D------ 铣刀直径mm B------ 铣削宽度mm n ------ 铣刀每分钟转数 z ------ 铣刀的齿数 由切削用量计算可知 t 1 mm 03mm,zD 80mmB 30mmn 800rminz 20 切削力 27762 N 2夹紧力的计算 1为防止工件在切削力P作用下平移所需夹紧力为 [2] 式中 ---定位销上允许承受的一部分切削力对于精加工机床定位销不允 许受力即 0 ---夹紧元件与工件间的摩擦系数 ---工件与夹具支撑面间的摩擦系数 其中安全系数 [2] ----基本安全系数 ----- 加工状态系数 ---- 刀具钝化系数 -----切削特点系数 ---- 考虑加紧动力稳定系数 夹具简图 参照《金属切削机床夹具设计手册》第三章 各种典型夹紧形式所需夹紧力 的计算 根 据分析可知 15 12 14 10 10 即 15×12×14×1×1 252 查表3-19可知 025 025 综上可知 [2] 111936 N 2为防止工件在切削力P的作用下绕圆柱销轴心线转动所需的夹紧力为 式中 ---定位销上允许承受的一部分切削力对于精加工机床定位销不允许受力即 0 由零件图可知两个定位销之间的距离为249mm 即 1003968N 综上所述夹紧力 大于切削力P所以压板提供的夹紧力完全可以胜任满足加工要求 com差分析及计算 定位误差包括定位基准与设计基准不重合产生的定位误差即基准不重合误差 定位副制造不准确产生的基准位移误差即基准位移误差 通常定位误差可按下述方法进行计算一是先分别求出基准位移误差和基准不重 合误差再求出其在加工尺寸上的代数和即?d w ?j b ?j w二是按最不利情况 确定一批工件设计基准的两个极限位置在根据几何关系求出此二位置的距 离并将其投影到加工尺寸方向上便可求出定位误差1 下面以孔Φ1000018 分析 由于这个孔和基准孔是同一个孔所以定位基准与设计基准重合所以基准不重合误差为0即?j b 0 缸盖加工时放在卧式加工中心上可知定位销是水平方向的所以基准位移误差 ?j w ?D?d,2 ?D为内孔公差?d为定位销的公差 通过《金属切削机床夹具设计手册》选择定位的定位销的尺寸为100-0009 ?j w 00180009,2 00135 所以定位误差?d w ?j b ?j w 000135 00135mm 4 结 论 本次毕业设计研究的是EG04三缸发动机缸盖的加工工艺通过查阅相关的资料和老师的帮助了解了发动机缸盖加工工艺的大致加工过程本次完成的工作有下 通过对零件的分析了解了缸盖的结构及工作特点 根据基准的选择原则确定出了此缸盖的粗加工基准和精加工基准并对零件材料的分析制定出热处理工序 结合实际情况选择出了适合加工缸盖的加工中心即卧式加工中心MA400HA 经过多次对缸盖的分析制定出了两套加工工艺路线并通过比较选择出了最优方案 定下加工路线之后通过查阅相关手册计算出相应的机械加工余量和切削要素 根据夹具设计手册和需要按照夹具设计原则计算出切削力与夹紧力设计出 适合本零件的夹具 参 考 文 献 [1] 卢秉恒 机械制造技术基础 第三版 [M] 北京 机械工业出版社200712 [2] 陈宏均 实用机械加工工艺手册[M] 北京 机械工业出版社199612 [3] 韩进宏 迟彦孝崔焕勇 互换性与技术测量[M]北京 机械工业出版社20047 [4] 上海柴油机厂工艺设备研究所金属切削机床夹具设计手册[M] 北京 机械工业出版社198412 [5] 张耀宸 樊其瑾王威廉 机械加工工艺设计手册[M] 北京 航空工业出版社 198712 [6] 戈保正曲丕新郭永亮 D型汽缸盖加工工艺的改进和完善 大连机车车辆厂 [7] 马鹏飞张松生 机械工程材料与加工工艺 化学工业出版社20081 [8] 田光平张三元聂 宏 WD615柴油机汽缸盖工艺改进与质量控制 重庆潍柴发动机厂 [9] 陶建幸陈玉渊 发动机汽缸盖组合机床自动线 春兰集团 江苏泰州 [10] 康宽滋 缸体-缸盖铸件生产的总体工艺路线 江铃铸造厂 江西南昌 [11] 李庆友 机体-缸盖的加工方法和设备 上海柴油机股份有限公司 [12] 田树民纪有君 倪红军内燃机汽缸盖加工生产线的研究 济南柴油机股份有限公司 [13] 杜立东张洪汽缸盖机械加工工艺关键技术分析 山东华源莱动内燃机 有限共公司 [14] 田文权 汽车发动机缸盖柔性加工线工艺设计及应用 广西柳州五菱柳 机动力有限公司研发中心 [15] 邓玉明 浅谈汽缸盖机械加工工艺 哈尔滨第二工具厂黑龙江哈尔滨 [16] 刘治忠 浅谈汽缸盖生产工艺的PDCA循环 柳州五菱六级动力有限公 司 [17] 梁明柱程铁仕 汽缸盖机械加工工艺设计综述 江苏常发集团技术中 心 江苏常州 [18] THE INTEGRATION OF CADCAMCAE BASED ON MULTI MODEL TECHNOLOGY IN THE DEVELOPMENT OF CYLINDER HEAD Xiangyang Xu1 Ulrich Weiss2 and Guoan Gao1 1 Harbin Institute of Technology Harbin Heilongjiang Province 150001 China 2 Daimler-Chrysler AG HPC600 D-70546 Stuttgart Germany