柴油发动机缸体缸孔精加工工艺试验研究

柴油发动机缸体缸孔精加工工 艺试 验研 究Research on the Machining Process o f Diesel Engine Cylinder Block Bore 学科专业：机械工程 工程硕士：王 芳 指导教师：张世昌 教授 企业导师：朱海平 高级工程师 天津大学机械工程学院 二零一三年十一月 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 天津大学 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 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学 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： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日中文摘要 发动机缸体是典型的箱体零件，其加工工艺已较成熟和固化。但围绕着缸体加工展开的提高效率，降低成本的研究一直没有停止过。以往研究的重点主要放在提高设备和刀具加工能力方面，对工艺路线的改进关注相对较少。 本文基于柴油发动机缸体缸孔底孔加工工艺试验，对取消珩磨加工底孔工艺可行性进行研究。常见的缸孔底孔加工工艺为：粗镗半精镗精镗珩磨，取消珩磨加工后的缸孔底孔加工工艺为：粗镗半精镗精镗。实验研究结果表明，以镗代珩可行。 论文主要工作如下： 1）基于对新生产线缸孔底孔加工工装设备的介绍，和对传统缸体生产线与新缸体生产线的比较，论述了新生产线实施工艺变更的可行性。 2）在缸体新生产线上，经过对精镗和珩磨两种工艺实际数据采集与分析，论证了采用精镗缸孔底孔工艺替代珩磨工艺的可行性。 3）采用缸孔底孔粗镗半精镗精镗新工艺对 B 系 列六缸缸体进行了试生产，获得预期效果，加工样件符合设计要求。 4）用 B 系列六缸底孔不珩磨缸体样件组装成工程机械用发动机整机，并对其进行台架实验。实验结果整机性能达到设计要求，表明新的缸孔底孔粗镗半精镗精镗工艺具有可行性。 关键词：缸体；缸孔底孔；加工工艺；精镗；珩磨I ABSTRACT Engine cylinder block is a typical box-type parts, The processing technology is mature and solidifyin g. The research of cylinder block pr ocessing on improving efficiency and reducing the cost has not been stopped. Previous studies mainly focused on improving the equipment and tool processing capacity, but on processing route is relatively less. This paper, based on the diesel engine cylinder liner parent bore machining process test, conducts the research to get the feasibility that cancellation of cylinder liner parent bore honing process. The traditional process for the cylinder liner parent bore is following: rough boringsemi- finish boringfinish boring honing; when cancelled the cylinder liner parent bore honing processin g becomes: rou gh boringsemi-finish boringfinish boring. The experimental results show that its feasible to boring without honing . The main work is as follows: First, based on introducing the equipment of cylinder liner parent bore processing in the new production line, an d comparing with the traditional production line of cylinder block and the new production line, the idea to implement process change with new production lines is proposed.Then, through collecting and analysing for real data from the new cylinder production line on both finish boring process and process, the feasibility of finish boring instead honing is validated.Third, a trial production using rough boringsemi-finish boringfinish boring process is implemented, and achieving the ex pected result, the processing samples complying with the design requirement. Finally, with cylinder liner parent bore not honing cylinder block sample assembled into the engine, the bench test of the en gine is do ne. The experimental results show that the performance meets the design requirements, the new processing route of rough boringsemi-finish boringfinish boring process is workable. Keywords: cylinder block, cylinder liner parent bore, machining Process, finish- boring，honin g II 目 录 第一章 绪论1 1.1 课题研究背景和意义 1 1 . 2 国内 外 镗 削 技术 的 发 展 1 1.3 课题研究的主要内容 5 第二章 缸体 缸孔底孔 产品设 计与工艺 设计 7 2.1 缸孔底孔产品设计要求 7 2.1.1 产品设计7 2.1.2 缸体底孔加工工序图7 2.1 .3 以镗 代珩缸体 底孔加工 工序图 1 0 2 .2 缸体 生产线工 艺设计 12 2.2.1 缸体一生产线缸孔工艺流程12 2.2 .2 缸体 二生产线 缸孔工 艺流程 12 2. 2. 3 两 生 产线 缸 孔 加 工 工 艺 13 2.2 .4 两生 产线缸套 孔珩磨 技术要求 15 2 .3 缸体 二生产线 工艺先进性 17 2.3 .1 工艺 基准 17 2.3 .2 加工 设备 18 2.3 .3 测量 系统 18 2.4 本章小结19 第三章 缸体缸孔数据采集与分析20 3.1 样件数据采集20 3.1 .1 缸孔 编号说明 20 3. 1. 2 缸 孔 加 工 方 式 20 3.1 .3 缸孔 直径数据 分析 22 3.2 样件 Cpk 计算 2 5 3.2 .1 工序 能力分析 25 3.2 .2 工艺 过程稳定 性分析 3 0 3.3 样件形位公差及粗糙度分析32 3.3 .1 粗糙 度 32 3.3 .2 圆度 38 3.3 .3 圆柱 度 42 3.4 本章小结45 III 第四章 精镗缸孔底孔样件加工46 4.1 半精精镗复合 镗刀及其调整46 4.1 .1 半精 精镗复 合镗刀 工作原理 46 4.1 .2 半精 精镗复 合镗刀 结构 46 4.1 .3 工艺 参数的优 化 47 4.1 .4 半精 精镗复 合镗刀 参数调整 51 4.2 测量系统的调整53 4.2 .1 气动 测量量仪 工作原 理 53 4.2 .2 在线 气动量仪 测量程 序调整 54 4.2 .3 在线 气动量仪 校对环 规调整 54 4. 2 .4 缸孔量检具调整5 5 4.3 工艺文件的调整56 4.4 加工完成的样件56 4.4 .1 样件 外形图 57 4.4 .2 样件 缸孔底孔 加工尺 寸 57 4.4 .3 样件 缸孔缸套 孔加工 尺寸 58 4.5 本章小结59 第五章 精镗 缸孔底孔 样件台架 验证 6 0 5.1 样件装机实验60 5.2 样件装机实验数据62 5.2 .1 缸套 变形量 64 5. 2 .2 样机外特性曲线分析6 5 5.3 本章小结65第六章 结论 与展望66 6.1 总结66 6.2 展 望 6 6 参考文献68 发表论文和参加科研情况说明70 致 谢 71IV 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 课题研究背景和意义 近年来，我国汽车行业迅速崛起，成功走出了一条民族工业振兴之路，已成为世界上最大的汽车消费市场和汽车生产国之一 。随着汽车工业的发展，发动机行业也发展迅速，作为发动机心脏的缸体加工也得到了长足发展。 围绕着缸体加工所展开的提高效率，降低成本的研究一直没有停止过。以往研究的重点主要放在提高加工设备能力和提高刀具加工能力方面，而对工艺路线的改进关注相对较少。本文主要研究缸体缸孔底孔加工过程工艺路线的变更与优化的过程，并通过一系列的数据采集与工艺验证，对缸孔底孔采用精镗工艺取代珩磨工艺的可行性进行验证。尝试着将现有缸体底孔加工工艺流程缩短，由原有粗镗半精镗精镗珩磨的底孔加工路线，变更为粗镗半精镗精镗的底孔加工路线。 通过现有精镗设备能力的保障，取消珩磨工序，以期在保证产品质量的同时，达到降低生产成本，提高生产线节拍的目的。 1.2 国内外镗削技术的发展 发动机通过在缸体缸孔内完成油气压缩、燃烧、爆炸的做功过程来输出动力。缸孔在一个完整的做功循环过程中要承受着剧变温度和交变载荷的双重作用，这就对缸体缸孔的尺寸误差、形状误差及表面质量等指标提出了严格要求，因为这些指标对发动机的压缩比、输出功率及扭矩、油料消耗及整机的可靠性都有着较大影响2。 常见的缸孔底孔加工工艺为：粗镗半精镗精镗珩磨，珩磨主要是对缸孔底孔和缸套孔的形状误差和表面质量进行修正，以满足缸孔产品设计的最终要求。而随着生产设备、刀具及机床在线测量系统的发展，镗削工艺及其加工精度也发展迅猛。 现在的新型镗刀可缩短工艺过程中的调刀时间，帮助用户高速、小批量地生产产品，从而保证工厂和车间及时完成生产加工任务。此外，这种镗刀自身可进行自动调节、修正磨损、补偿误差或自动成形。下面简要介绍几种典型的镗刀及镗削技术的发展情况。 1 1第一章 绪论 1 模块 式 组 合 镗 刀模块式镗刀将镗刀分为基础柄、延长器、减径器（Reduction） 、镗杆、镗头、刀片座、刀片、倒角环等多个部分，然后根据具体的加工内容（粗镗、精镗；孔的直径、深度、形状；工件材料等）进行自由组合（见图 1.1） 。这样不但大大地减少了刀柄的数量，降低了成本，也可以迅速响应各种加工要求，并 延 长刀 具 整体 的使 用 寿 命 。图 1.1 模块式 镗刀组 合示意 图之所以能够提供高精度和较大灵活性的另一因素是模块式组合镗刀的制造商也像其他的制造商那样，已经大幅度改进了生产加工工艺。10 年前，模块式组合刀具零件的组装重复精度达到 0.01270.0178mm 是可以接受的，而现在模块式组合刀具零件的尺寸公差范围达到 24m。图 1.2 为模块化镗刀组装图 。 图 1.2 模块化镗刀组装图 2 联轴 机 构 提 高 镗刀 的 稳 定 性Sandvik 公司的联轴机构以多边形系统为基础，可以使镗杆的接触面沿着其联轴机构的轴线部分均匀地分布在圆周上。夹紧后的活动螺丝以大约 35.6N 的轴向2 3第一章 绪论 拉力，将该机构的各零件一起拉向并锁紧在锥体上。这样，不但获得了面对面的接触，而且还保证了刀具四周的夹持力。联轴夹持机构可使切削力分布在整个多边形的周围，每一联轴机构的偏差为 0.0051mm。图 1.3 为 Coromant Capto 刀杆受力分布图。 图 1.3 Coromant Capto 刀杆受力图 由于其接触面大、轴向拉力高、光滑的淬火表面硬度达 RC63，使模块式组合刀具获得极好的稳定性和刚性，甚至优于实心刀杆。各元件之间的连接点不但不会产生振动，而且还可以将镗杆分成几个部分，从而使其可以实现合适、有利的频率协调。实验表明采用这种概念的模块式组合刀具，其加工性能比实心镗杆更加稳定 。 3 提高 镗 刀 的 平 衡性 在镗刀头上增加了平衡配重装置，可以使镗刀的平衡性更好，但平衡工作需要较高的技术和 较长的时间。在调节直径的同时，操作人员需要手工调节重量，技术人员需要在平衡机上测定刀具，调节配重装置，直到刀具达到平衡为止。 a）可自动补偿平衡镗刀头 b）可自动补偿平衡镗刀头调节原理图 图 1.4 可自动补偿平衡的镗刀头 3 4第一章 绪论 为此，BIG Kaiser 精密刀具公司开发了可自动补偿平衡的镗刀头（见图 1.4） ，用户在镗削不同直径时可使镗刀起到平衡的作用。当镶刀片移动时，配重装置也在相反的方向上不断地移动来补偿平衡。因此，只需作一次调节。这种方法既可节约时间，又可降低产生误差的机率 。 4 侍服传动镗刀以 Kom Tronic 镗刀为例，镗削加工头内的滑板由侍服电机传动，通过控制脉冲，使镗杆向较大的直径方向移动，或支持其向较小的直径方向移动。这一机构提高了镗床的加工精度，不需采用手工调节的方法调节螺丝。 Komet 公司的工程师们也在镗杆内安装了导轨，采用侍服电机来传动镗刀片，可使一锥形刀杆轴向移动，也可使镗刀片向外扩大到更大的直径或向内缩小到更小的直径。镗刀头的行程范围可以变化，U 轴可偏离中心移动高达 25mm，镗削精度可达10m 。 图 1.5 Kom Tronic u-轴的系统组成结构 图 1.5 为 Kom Tronic u-轴的系统组成结构，该 U 轴系统是由一个紧凑型的平旋盘带一个伺服电机驱动的单滑块和丝杠组成。通过安装在主轴上的定子部件将4 5第一章 绪论 能量及数据以感应非接触式的方式传递给 U 轴头部件。这种传输方式和主轴的转速无关，因此新一代的 U-axis 系统能够自动的转换成 NC 轴。通过选择不同的刀具及可转位刀片的组合，可实现仿形镗孔和外部轮廓车削。这套系统能够缩短加工时间，获得更好的工件表面质量以及尺寸稳定性。另外，所需要的刀具种类也更少。 上述所提及的镗刀及镗削工艺的改进，可以使镗刀很好地控制振动。其加工孔的精度 能达到 IT6 级，表面粗糙度 可达到 Ra0.81.6m。刀具系统具有更好的平衡性和更大的刚性，这一优点使它能够配置应用一些镶刀片技术，对于镗削加工而言，意义重大。 1.3 课题研究的主要内容 本课题主要是针对 W 公司镶嵌干式缸套缸孔的精加工工艺进行研究，通过样件加工数据的采集与分析，验证缸体二生产线取消 B 系列缸体缸孔底孔珩磨工序的可行性。 内燃机缸体的缸孔一般分为不镶嵌缸套式缸孔（在缸孔工作表面添加镀层）和镶嵌缸套式缸孔两类，镶嵌缸套又分为镶嵌干缸套、镶嵌湿缸套、铸入式气缸套和风冷缸套四种。 气缸套镶在缸体的缸筒内，与活塞和缸盖共同组成燃烧室。缸套分为干缸套和湿缸套两大类。背面不接触冷却水的气缸套叫干缸套，背面和冷却水接触的气缸套是湿缸套。干缸套厚度较薄、结构简单、加工方便。湿缸套直接接触冷却水，所以有利于发动机的冷却，有利于发动机的小型轻量化。 图 1.6 为干式缸套图片，干式缸套主要部位的功能： 1）凸台：减少燃气对气缸垫的直接冲击，保护气缸垫免遭烧蚀。 2）支撑肩：为缸套提供轴向定位。 3）退刀槽：为加工外圆和支承肩下端提供避让空间并减少支承肩处的集中应力。 4）内孔：缸套的工作面。 5）外圆：与缸体直接接触，将气缸中绝大部分废热直接传递给缸体，以保证发动机的正常工作温度。 5 第一章 绪论 图 1.6 干式缸套零件示意图 1凸台；2支撑肩；3退刀槽；4内孔；5外圆 6 第二章 缸体缸孔底孔产品设计与工艺设计 第二章 缸体缸孔底孔产品设计与工艺设计 目前，提高生产设备和加工刀具性能是缸体生产线工艺设计的主要关注点，对工艺路线的调整及对加工工序的优化，是降低生产成本，提高生产效率的重要方式之一。 本章首先介绍 W 公司缸体缸孔产品设计及工艺设计，对两条缸体生产线缸孔工艺流程图，底孔加工工艺进行说明，并阐述缸体二生产线的工艺先进性。 2.1 缸孔底孔产品设计要求 2.1.1 产品设计 B 系列四、六缸体缸孔的设计是在原 Perkins 缸体基础上改进完成的，在传承了 Perkins 缸体原有特点的同时，也对原设计进行了一系列的改进。例如：为了保证装配一致性，增加 8 装配定位销；为了保证铸造毛坯合格率，对毛坯的水套结构进行了优化等。 B 系列缸体缸孔采用的是镶嵌干式缸套的形式，论文中涉 及的缸孔底孔是指没有镶嵌缸套前的缸孔，缸套孔是指镶嵌缸套后的缸孔。 表 2.1 中所列加工要求是在此次试验未进行时，一直沿用的缸孔加工工艺要求。此次试验主要研究的是取消缸体底孔珩磨工序，直接在精镗工序中完成缸体底 孔的 加 工 ， 即 精 镗后 的 缸 体 底孔 直 径 尺 寸 由 104.127mm104.153mm， 变 为104.204 mm 104.229 mm。 表 2.1 B 系列缸体缸孔底孔工序要求 项目 直径（mm） 圆度（mm） 圆柱度（mm） 粗糙度（m） 缸孔底孔精镗 1040.127 0.015 Ra3.2 工序要求 缸孔底孔珩磨 缸套孔精镗 1040.204 990.9490.01 0.01 0.0125 0.01 Ra1.8 Ra4.0-Ra2.5 缸套孔珩磨 10000.01 0.01 珩磨网纹相关要求 2.1.2 缸孔底孔加工工序图 7 0.153 0.229 0.974 0.025第二章 缸体缸孔底孔产品设计与工艺设计 图 2.1 所示为改进前 B 系列六缸缸体底孔精镗工序图，由图可见，原有缸孔底孔精镗工序是对缸孔底孔和止口进行精镗加工，为了保证缸孔止口和底孔的一致性及同轴度，选用了缸孔止口复合镗刀（见图 4.1）对缸孔和缸孔止口部分一起加工。 图 2.1 改进前 B 系列六缸缸体底孔精镗工序图 8 第二章 缸体缸孔底孔产品设计与工艺设计 图 2.1 与图 2.4 中基准说明如下： B 基准 缸体底面； C 基准 主轴承孔（曲轴孔）中心线； K 基准曲轴止推面。 图 2.2 给出了缸孔止口放大图，图中标明了缸孔止口的相关尺寸要求。 图 2.2 B 系列六缸缸体缸孔底孔止口放大图 图 2.3 给出了原有缸孔底孔珩磨工序的工序图。珩磨是利用安装于珩磨头圆周上的一条或多条油石，由涨开机构（有旋转式和推进式两种）将油石沿径向涨开，使其压向工件孔壁，以便产生一定的面接触。同时使珩磨头旋转和往复运动，使加工面形成交叉螺旋线切削轨迹，而且在每一往复行程时间内珩磨头的转数不是整数，因而两次行程间，珩磨头相对工件在周向错开一定角度，这样的运动使珩磨头上的每一个磨粒在孔壁上的运动轨迹不会重复。 9 第二章 缸体缸孔底孔产品设计与工艺设计 图 2.3 B 系列六缸缸体缸孔底孔珩磨工序图 2.1.3 以镗代珩缸孔底孔加工工序图 图 2.4 给出了 B 系列六缸缸体缸孔以镗代珩加工工序，取消底孔珩磨工序后，通过调整，用镗削工艺直接加工出缸孔底孔。 10 第二章 缸体缸孔底孔产品设计与工艺设计 图 2.4 B 系列六缸缸体缸孔底孔以镗代珩工序图 11 第二章 缸体缸孔底孔产品设计与工艺设计 2.2 缸体生产线工艺设计 在确定加工路线时，应综合考虑保证加工精度和缩短加工路线和加工时间。就粗加工而言，在不影响精度的前提下，要求最大限度地缩短加工路线和加工时间，而对于精加工而言，也要尽可能缩短加工路线和加工时间 。 W 公司共有两条缸体生产线，缸体一生产线主要生产 B 系列四、六缸体；缸体二生产线为 B/D 系列柔性缸体生产线，能满足 B/D 系列四、六缸缸体的生产需求。 2.2.1 缸体一生产线缸孔工艺流程 1994 年 5 月开始进行缸体一生产线加工工艺设计，生产线设计借鉴了英国Perkins 公司和国内外发动机制造商的经验。缸孔加工流程如表 2.2 所示。 表 2.2 缸体一生产线 B 系列缸体缸孔加工工艺流程 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 工序号 C100 C300 C370 C370 C380 C390 C400 C410 C430 C440 工序名称 粗镗缸孔底孔 清 洗 半精镗缸孔底孔 精镗缸孔底孔 珩磨缸孔底孔（粗精同轴） 清 洗 压缸套 精镗缸套孔 粗珩缸套孔 精珩缸套孔 设备名称 单轴立式镗床 通过式清洗机 单轴立式镗床 单轴立式珩磨机 通过式清洗机 缸套压装专机 单轴立式镗床 单轴立式珩磨机 单轴立式珩磨机 2.2.2 缸体二生产线缸孔工艺流程 2008 年开始进行机加二车间 B/D 系列柔性缸体生产线加工工艺设计，该生产线的设计沿用了机加一车间生产线的设计思路，对缸孔的精加工依然采用了精镗珩磨工 艺，但是在 设备选型上均 选用了较先进 的设备。缸 孔加工流程如 表 2.3所示。 12 6第二章 缸体缸孔底孔产品设计与工艺设计 表 2.3 缸体二生产线 B 系列缸体缸孔加工工艺流程 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 工序号 C100 C150 C190 C190 C210 C210 C220 C230 C240 C250 C250 工序名称 粗镗缸孔底孔 清 洗 半精镗缸孔底孔 精镗缸孔底孔 粗珩缸孔底孔 精珩缸孔底孔 清 洗 压缸套 精镗缸套孔 粗珩缸套孔 精珩缸套孔 设备名称 单轴立式镗床 通过式清洗机 双轴立式镗床 双轴立式珩磨机 双轴立式珩磨机 通过式清洗机 缸套压装专机 单轴立式镗床 双轴立式珩磨机 双轴立式珩磨机 2.2.3 两生产线缸孔加工工艺 缸体一生产线为缸体全序加工半柔性生产线，全线共有工序 49 个，加工设备58 台，缸孔、曲轴孔等关键部位加工，采用日本丰田加工中心、德国 HELLER 等设备。缸体一生产线缸孔底孔加工工艺和缸套孔加工工艺见表 2.4 和表 2.5。 表 2.4 缸体一生产线缸孔底孔加工工艺 工 艺 装备 及 工 序要求 定位方式 机床 夹具 刀具 刀片材质 量检具 缸孔直径（mm） 缸孔圆度（mm） 缸孔圆柱度（mm） 缸孔粗糙度（m） 粗镗 一面两销 大连机床厂 单轴立式镗床 机械式压紧 止口、缸孔复合镗刀 硬质合金 带表内径量规 1010.60 Ra12.5 工序 半精镗、精镗 一面两销 LAMB 立式单轴镗床机械式压紧 止口、缸孔复合镗刀 硬质合金 带表内径量规 1040.1270.015 0.02 Ra3.2 珩磨 一面两销 大河单轴立式珩磨机 机械式压紧 珩磨条 金刚石 带表内径量规 1040.2040.01 0.0125 Ra1.8 13 0.75 0.153 0.229第二章 缸体缸孔底孔产品设计与工艺设计 表 2.5 缸体一生产线缸孔缸套孔加工工艺 工艺装备及工序要求 定位方式 精镗 一面两销 工序 金刚石粗珩 一面两销 碳化硅精珩 一面两销 机床 夹具 刀具 刀片材质 量检具 缸套孔直径（mm） 缸套孔圆度（mm） 缸套孔圆柱度（mm） 缸套孔粗糙度（m） LAMB 立式单轴镗床 机械、液压混合压紧 半精镗、精镗复合镗刀 CBN 带表内径量规 粗糙度比较样块 99.87399.898 Ra12.5 格林两工位立式珩磨机(两个工位均为单轴 ) 机械、液压混合压紧 机械、液压混合压紧 平台珩珩磨条 金刚石 碳化硅 带表内径量规 带表内径量规 Mahr 测量仪 Mahr 测量仪 104.127104.153 100.000100.025 0.015 0.01 0.02 0.0125 Ra3.2 Ra1.8 缸体二生产线为缸体柔性精加工生产线，全线共有工序 32 个，缸孔、曲轴孔等关 键部 位加 工，采 用美 国 MAG、德 国 NAGEL 等设 备， 半精 加工 采用日 本MAZAK 加工中心。 缸体二生产线缸孔底孔加工工艺和缸套孔加工工艺见表 2.6和表 2.7。 表 2.6 缸体二生产线缸孔底孔加工工艺 工艺装备及工序要求 定位方式 机床 夹具 刀具 刀片材质 量检具 缸孔直径（mm） 缸孔圆度（mm） 缸孔圆柱度（mm） 缸孔粗糙度（m） 粗镗 缸体 二生产 线为精加工生产线，此工序外委加工 工序 半精镗、精镗 曲轴孔、缸体底面、曲轴中间瓦侧面 美国 MAG 双轴立式镗床 （有在线测量） 机械、液压混合压紧 止口、缸孔复合镗刀 CBN 缸孔底孔气电量规 Mahr 测量仪 1040.1270.015 0.02 Ra3.2 珩磨 曲轴孔、缸体底面、曲轴中间瓦侧面 大河二工位珩磨机 机械、液压混合压紧 珩磨条 金刚石 缸孔底孔气电量规 Mahr 测量仪 1040.2040.01 0.0125 Ra1.8 14 精珩珩磨条 珩磨条 0.153 0.229第二章 缸体缸孔底孔产品设计与工艺设计 表 2.7 缸体二生产线缸孔缸套孔加工工艺 工艺装备及工序 要求 定位方式 机床 夹具 刀具 刀片材质 量检具 缸套孔直径（mm） 缸套孔圆度（mm） 缸套孔圆柱度（mm） 缸套孔粗糙度（m） 精镗 曲轴孔、缸体底面、曲轴中间瓦侧面 MAG 立式双轴镗床 机械、液压混合压紧 半精镗、精镗复合镗刀 CBN 缸套孔气电量规 Mahr 测量仪 99.87399.898 0.01 0.015 Ra5.0 工序 金刚石粗珩 一面两销 NAGEL 两工位立式珩磨机（单轴） 机械、液压混合压紧 珩磨条 金刚石 缸套孔气电量规 Mahr 测量仪 99.94999.974 0.01 0.0125 Ra2.5 Ra4.0 碳化硅精珩 一面两销 NAGEL 两工位立式珩磨机(双轴) 机械、液压混合压紧 精珩珩磨条 平台珩珩磨条 碳化硅 缸套孔气电量规 Mahr 测量仪 100.000100.025 0.01 0.0125 Ra1.8 2.2.4 两生产线缸套孔珩磨技术要求 为了适应不断提高的排放法规要求和发动机强化指标要求，提出了缸套孔的平台网纹表面，并应用平台珩磨网纹技术加工缸套孔内表面。平台珩磨技术加工出的缸套孔内表面是由无数均匀相间交叉的窄深沟槽与小平台组成 ，如图 2.5 所示。 图 2.5 缸套孔表面平台网纹轮廓图形经试验表明，平台网纹气缸套比普通珩磨气缸套相比，磨合期缩短了 1/2 1/3 ，寿命提高了 10%20% ，扭矩提高 5%，机油 消耗降低 58%83%，并可有效的避15 7第二章 缸体缸孔底孔产品设计与工艺设计 免发动机工作过程中的拉缸现象 。 W 公司的平台珩磨工序需要三个工位，第一工位粗珩是消除上序精镗所产生的几何误差，使缸套孔圆度和圆柱度符合产品的要求，并为精珩和平台珩磨创造良好的基础；第二工位精珩和第三工位平台珩是在同一个珩磨头上实现的，这两个工位为双轴双进给，采用液压涨刀，分两级膨胀力贴近缸孔，达到实现平台的目的。 W 公司在学习和吸收国内外先进平台珩磨网纹加工技术的同时，制定了高出国家专业标准的企业标准。企标中缸套孔平台珩磨网纹的评价标准主要分以下三个方面： （1）网纹夹角 和网纹要求 缸套孔表面的加工网纹是由珩磨头的旋转运动和往复运动的合成而形成的。网纹夹角 有两种表示方法，一种是在缸套孔轴线方向上，即为钝角；另一种是在缸套孔孔径的切线方向上，为锐角。这两角和等于 180。W 公司网纹夹角取锐角，=455，图 2.6 为网纹夹角示意图。 W 公司对网纹的要求为：两个方向的网纹均匀，清晰连续，无尖角和毛刺，无金属重叠。 网纹夹角 图 2.6 网纹夹角示意图 （2）粗糙度轮廓高度参数 Ra：轮廓算数平均偏差，即在取样长度 l 内轮廓偏距绝对值的算数平均值。 Rz DIN：根据 DIN4768 标准，Rz 定义为平均峰谷高度。对于已滤波的粗糙度轮廓来说，在 Z1 到 Z5 这 5 个等量相邻的单元取样长度中，单个峰谷高度的算数平均值。 （3）基于轮廓支撑长度率曲线（Abbott-fire.stone 曲线）的综合参数 确 定综 合 参 数 的 数 值 必 须 遵循 以 下 基 本 假 设 ： 已 滤波 的 曲 线 没 有 失 真 ，Abbott-fire.stone 曲线已确定。图 2.7 显示了在 Abbott-fire.stone 曲线上个参数的位置，表 2.8 对各参数的含义与技术要求进行了说明。 16 8第二章 缸体缸孔底孔产品设计与工艺设计 图 2.7 基于 Abbott-fire.stone 曲线评定参数示意图表 2.8 综合参数涵义及技术要求 综合参数 Ra(m) Rz(m) Rpk(m) Rk(m) Rvk(m) Mr1(%) Mr2(%) Rpk*(m) Rvk*(m) A1（cm2） A2（cm2） 字符涵义 轮廓算数平均偏差 平均峰谷高度 波峰深度（峰顶的降低） 粗糙度核心轮廓深度（中心峰谷高度） 波谷深度（谷底的降低） 波峰轮廓支撑长度率（粗糙度核心上限） 波谷轮廓支撑长度率（粗糙度核心下限） 波峰区的峰高 波谷区的谷深 轮廓锋的面积 A1= (RpkMr1)/2000 轮廓谷的面积 A2= Rvk （100-Mr2)/2000 技术要求 2.0 3.07.0 0.2 0.20.5 1.52.5 8 6080 不做要求 不做要求 需计算 需计算 式中 Mr1、Mr2 不带百分号，Rpk、Rvk 的单位是 m 2.3 缸体二生产线工艺先进性 2.3.1 定位基准 缸体一生产线缸孔加工一直采用“一面两销”的定位基准，即用缸体底面和底面上两个工艺销孔进行定位（见图 2.3） 。缸体二生产线在粗镗工序时，采用“一17 8第二章 缸体缸孔底孔产品设计与工艺设计 面两销”的定位基准，而在后序的加工中均采用了曲轴孔，缸体底面和曲轴中间瓦侧面来定位（见图 2.1） 。 曲轴孔，缸体底面和曲轴中间瓦侧面定位方式保证了缸孔与曲轴孔的位置尺寸，以曲轴孔和底面定位方式比传统“一 面两销”定位方式更能确保缸体内腔与图纸要求的符合性，使后续工序加工余量均匀，从而减少废品率，节约成本9。 2.3.2 加工设备 缸体二生产线的设备为美国生产的 MAG 八工位自动线中的立式双轴镗床（见图 2.8） 。MAG 镗床有如下特点： （1）在线测量 机床具有自动测量设备，根据测量结果，能及时对刀具的直径进行调整。当刀具达到磨损极限，机床还有自动报警功能。 （2）刀具补偿 具有刀具半径补偿功能，当刀具有少量磨损或加工轮廓尺寸与设计尺寸稍有偏差时或者在粗铣、半精铣和精铣的各工步加工余量变化时，需作适当调整，而运用了刀具半径补偿后，不需修改刀具尺寸或建模尺寸而重新生成程序，只需要在数控机床上对刀具补偿参数做适当修改即可。既简化了编程计算，又增加了程序的可读性 。 （3）CBN 刀片 镗刀使用 CBN 刀片，CBN 刀片在工作温度 1200时，还有极佳的红硬性。CBN 刀具能获得优于 0. 4m 的并保持0.012mm 同轴度。 （4）工艺参数 机床的切削速度范围为 300m/min400m/min，为试验奠定良好的基础。 复合镗刀 在线测量 图 2.8 缸体二生产线精镗缸孔设备 18 10第二章 缸体缸孔底孔产品设计与工艺设计 2.3.3 测量系统 缸体一生产线缸孔底孔直径测量使用专用的内径千分表，其他技术要求，如：圆度，位置度，圆柱度等，均需依靠三坐标测量机；缸体二生产线缸孔底孔测量使用了美国 VGAGE（ 万奈特）自动测量仪，能同时显示出缸体三个截面两个方向的直径，同时能显示截面的圆度及缸孔的圆柱度，并且此套测量系统还具有根据采集数据自动生成 SPC 控制图的功能，提高测量准确性的同时，明显提高了测量效率。 2.4 本章小结本章简要介绍了缸体缸孔底孔产品设计和工艺设计要求，重点对两条缸体生产线缸孔加工工艺进行对比说明，并列举了 MAG 双轴立式镗床加工及缸孔测量系统的优势。通过两生产线对比，可以明显看出： 1）缸体二生产线缸孔加工工序工艺基准较缸体一生产线更合理。 2）缸体二生产线无论是从设备、刀具还是测量系统与缸体一生产线相比，优势较大。 由此确定此次取消缸体缸孔底孔珩磨工序 验证，只在缸体二生产线进行，缸体一生产线缸孔加工工艺路线暂不做变动。 19 第三章 缸体缸孔数据采集与分析 第三章 缸体缸孔数据采集和分析 在实际生产中，因缸体的材质、环境温度、测量方法，人员技能等各种因素的不同，采样数据也会略有变化。为了呈现生产过程数据的真实性，此次数据采集的方法为在生产过程稳定的基础上，采用逢 20 件抽 1 件的原则抽选 B 系列六缸缸体，进行数据的统计和分析。 本章主要对精镗后的底孔数据和珩磨后的底孔数据进行分析，并对数据的测量工具和测量方法进行说明，初步确定缸体二生产线取消底孔珩磨工序的可行性。 3.1 样件数据采集 3.1.1 缸孔编号说明 本着工艺验证尽量不影响生产计划的原则，此次工艺验证全部采用 B 系列六缸缸体。为了后续的数据整理及工艺验证的顺利进行，特对六缸缸体各缸缸孔作编号排序，以示区分（见图 3.1） 。 图 3.1 各缸孔编号及顶面示意图 3.1.2 缸孔加工方式 精镗缸孔机床是双轴立式镗床，2、1、3 缸孔加工使用同一个精镗头，5、4、6 缸孔加工使用同一个精镗头，加工顺序见图 3.2。 底孔珩磨专机也为双轴双进给机床，1、3、5 缸孔共用一个珩磨头，2、4、6缸孔共用一个珩磨头加工顺序见图 3.3。 20 第三章 缸体缸孔数据采集与分析 工步 1 工步 2 工步 3 图 3.2 精镗机床缸孔加工顺序图 工步 1 工步 2 图 3.3 珩磨机床缸孔加工顺序图 21 第三章 缸体缸孔数据采集与分析 缸套孔精镗机床与底孔精镗机床相同，加工缸套孔的顺序与底孔精镗的加工顺序（见图 3.2）相同，2、1、3 缸孔加工使用同一个精镗头，5、4、6 缸孔加工使用同一个精镗头；缸套孔珩磨机床也为双轴双进给机床，1、3、5 缸孔共用一个珩磨头，2、4、6 缸孔共用一个珩磨头加工顺序见图 3.3。 3.1.3 缸孔直径数据分析 精镗和珩磨后缸孔直径的测量均使用工序在线量具 VGAGE 气动量仪（参见图 3.4a） ，量仪通过气电转换器将气信号转换为电信号由电脑显示器示值（参见图3.4b） 。之所以选用气动量仪，是由于气动量仪测头与缸孔不直接接触，减少测量力对测量结果的影响，同时避免划伤被测件表面，且读数容易，能够对缸孔进行连续测量。 A）VGAGE 气动量仪 b）测量示值显示 图 3.4 VGAGE 气动量仪及测量示值显示 这两套量仪均有在线 SPC 监控系统，可实时通过测量，对过程的稳定性进行监控，在很大程度上减少了产品的不良率，提高了产品在线的实际探测能力。 表 3.1 和表 3.2 给出了精镗缸孔底孔和珩磨缸孔底孔所采集的数据，数据是使用气动量仪逢 20 抽 1 的方法采集的，采集之前对工序状态的稳定性进行了确认，加工首件或者工艺准备调试前没有进行尺寸确认的工件被剔除，尽可能地反映稳态下工序真实地加工水平，保证了后续数据的真实性和可靠性。之后，将以这些数据作为依据，利用 Minitab 软件对工序的过程能力进行分析，并验证试验的可行性。 22 第三章 缸体缸孔数据采集与分析 加工尺寸（mm） 序号 工件号 表 3.1 精镗后缸孔直径列表 104.127104.153 1 缸 2 缸 3 缸 4 缸 5 缸 6 缸 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 J1（第 1 件） J2（第 20 件） J3 J4 J5 J6 J7 J8 J9 J10 J11 J12 J13 J14 J15 J16 J17 J18 J19 J20 J21 J22 J23 J24 J25 J26 J27 J28 J29 J30（第 580 件） 104.1400 104.1410 104.1410 104.1395 104.1395 104.1390104.1400 104.1400 104.1410 104.1395 104.1395 104.1395104.1395 104.1390 104.1395 104.1395 104.1395 104.1390104.1385 104.1385 104.1380 104.1405 104.1405 104.1395104.1405 104.1400 104.1405 104.1405 104.1400 104.1400104.1420 104.1425 104.1420 104.1430 104.1435 104.1415104.1410 104.1415 104.1400 104.1425 104.1430 104.1430104.1390 104.1395 104.1405 104.1415 104.1415 104.1415104.1385 104.1380 104.1385 104.1400 104.1395 104.1390104.1390 104.1385 104.1385 104.1405 104.1400 104.1405104.1430 104.1445 104.1435 104.1440 104.1435 104.1435104.1425 104.1420 104.1410 104.1400 104.1390 104.1390104.1390 104.1390 104.1390 104.1370 104.1375 104.1375104.1405 104.1400 104.1405 104.1425 104.1430 104.1435104.1395 104.1405 104.1405 104.1420 104.1420 104.1420104.1400 104.1405 104.1395 104.1430 104.1435 104.1430104.1420 104.1415 104.1415 104.1420 104.1415 104.1420104.1420 104.1410 104.1410 104.1395 104.1395 104.1395104.1395 104.1400 104.1400 104.1395 104.1385 104.1385104.1400 104.1400 104.1405 104.1390 104.1385 104.1390104.1395 104.1400 104.1390 104.1410 104.1405 104.1405104.1430 104.1425 104.1425 104.1475 104.1475 104.1475104.1425 104.1425 104.1420 104.1440 104.1445 104.1440104.1430 104.1435 104.1430 104.1425 104.1415 104.1415104.1430 104.1420 104.1425 104.1425 104.1420 104.1420104.1400 104.1390 104.1390 104.1415 104.1420 104.1420104.1390 104.1400 104.1400 104.1400 104.1400 104.1405104.1410 104.1410 104.1415 104.1415 104.1420 104.1425104.1420 104.1425 104.1425 104.1425 104.1410 104.1425104.1420 104.1420 104.1420 104.1425 104.1420 104.142023