基于柴油發動機缸體缸孔精加工工藝的試驗研究

楊濤 王修亮

摘要： 缸體精加工對改善柴油發動機性能有顯著影響，本文以缸孔底孔為例，介紹了一種半精鏜-精鏜復合鏜刀工藝，可縮短調到時間、自動修正磨損、自動補償誤差，讓缸孔底孔加工精度進一步提升。使用該工藝進行產品加工，缸孔直徑滿足設計要求;選擇產品樣件開展臺架實驗，結果表明缸套變形量在缸套磨損量范圍之內，說明使用復合鏜刀工藝進行缸體缸孔精加工能夠滿足發動機的設計與生產要求。

Abstract： The finishing of cylinder block has a significant effect on improving the performance of diesel engine. Taking the bottom hole of cylinder hole as an example， this paper introduces a kind of semi-finishing boring and fine boring compound boring cutter process， which can shorten the adjustment time， automatically correct wear， automatically compensate error， and further improve the machining accuracy of the bottom hole of cylinder hole. The diameter of cylinder hole can meet the design requirements. The test results show that the deformation of cylinder liner is within the range of wear of cylinder liner. It shows that the complex boring tool process can meet the requirements of engine design and production.

關鍵詞： 柴油發動機;缸孔精加工;復合鏜刀;缸套變形量

Key words： diesel engine;finishing of cylinder hole;compound boring cutter;deformation of cylinder liner

中圖分類號：TK429 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0079-03

0 ?引言

以往發動機的缸孔底孔加工主要分為四個步驟，即粗鏜、半精鏜、精鏜和珩磨。其中，最后一道珩磨工序的作用是對底孔、缸套孔的誤差進行修正，確保最終產品滿足設計要求。通過使用新型鏜刀，只需要半精鏜和精鏜兩道工序，就可以保證缸孔底孔的形狀誤差和表面質量達到設計要求，從而簡化了加工工藝。從現有技術來看，使用模塊式組合鏜刀、伺服傳動鏜刀，或者在鏜刀頭上加裝平衡裝置等，都可以達到提高加工精度、簡化加工步驟的效果。本文使用了一種半精-精鏜復合鏜刀，并使用該刀具進行缸孔底孔精加工，取得了理想效果。

1 ?柴油發動機缸體缸孔產品設計要求

某公司研制的P系列缸體缸孔采用鑲嵌干式缸套結構，本文所指缸孔底孔是尚未鑲嵌缸套時缸體底部的缸孔，缸套孔則是鑲嵌缸套后的底部缸孔。根據設計要求，缸孔底孔精加工后直徑在104.204-104.229mm之間。

2 ?缸體缸孔相關數據采集與分析

2.1 缸孔直徑數據分析

缸孔底孔在半精鏜、精鏜處理后，以及缸套孔在精鏜和珩磨處理后，均使用工序在線量具Vgage氣動量儀進行孔徑測量。該測量儀器能夠將氣信號轉化成為電信號，并經過微機處理后，在顯示屏上直觀地呈現出來，方便技術人員精確掌握缸孔直徑參數。另外，使用氣動量儀進行非接觸式的直徑測量，也避免了測量力對測量結果帶來的干擾，避免了量具劃傷缸孔的內表面，具有顯著優勢。另外，實驗所用的帶有在線SPC監控系統的氣動量儀，還能監控測量過程中的穩定性，對提升測量結果的精確性有積極幫助。實際測量缸體缸孔直徑時，應提前對儀器的工序狀態予以確認，保證之后測量所得數據的可靠性。完成發動機各缸孔底孔和缸套孔的直徑測量后，將數據如實記錄，以便于后期進行實驗驗證。

2.2 工藝過程穩定性分析

為保證精加工工藝過程的穩定性，需要使用Minitab軟件中提供的Xbar-R（均值-極差）圖，對前期測量所得數據進行工藝過程穩定性分析。將所得數據進行分組，保證每組的數據量相同，分別計算得到各組數據的平均值、極差值。然后將計算結果錄入到Minitab軟件中，自動生成Xbar-R圖，如圖1所示。

在此基礎上，由Minitab軟件自動生成過程控制報告。根據報告中“評估失控子組的百分比”一項，百分比區間為0-10%，越接近于0%說明工藝穩定性越好，反之則說明工藝穩定性差，需要進一步分析缸孔底孔精加工工藝中存在的不足，然后予以改進。在確定工藝過程穩定性良好的前提下進行缸孔底孔加工，才能使加工精度得到保證。

3 ?缸體缸孔底孔精加工工藝

3.1 半精-精鏜復合鏜刀工作原理

美國Walter公司生產的半精-精鏜復合鏜刀，在鏜削加工頭處加裝了伺服電機，能夠為鏜桿的徑向移動提供持續、穩定的動力，保證了鏜孔精度。鏜刀頭的徑向行程可支持1.0-1.5mm調節。復合鏜刀由上下兩部分組成，上部分主要包括上刀座、精鏜止口CBN刀片;下部分主要包括下刀座、半精鏜止口CBN刀片、刀桿;上下部分之間通過連接體結合。CBN刀片具有平衡性好、剛度大的特點，保證最終加工出來的產品具有較高的精度。

3.2 半精-精鏜復合鏜刀參數的優化

為了消除誤差干擾，在正式進行加工前還需要對半精-精鏜復合鏜刀的基本參數進行調整，以達到最佳的使用工況，調節內容主要包括對刀直徑、切削速度、進給量、切削深度4部分。以直徑調節為例，方法為：將刀具樣棒固定在刀座上，檢查連接牢固后，將千分表的指正調至零位，此時缸孔底孔直徑為104.14mm。然后將刀具樣板取出，把鏜刀桿放入槽內，調節精鏜刀片。調節過程中注意觀察千分表的示數，當數值顯示0.077時，此時缸孔底孔直徑為104.217mm。最后將刀柄取出，即可完成對刀直徑的調整。復合鏜刀各項參數優化前后數值見表1。

完成參數調整后半精-精鏜復合鏜刀，半精鏜刀的對刀測量尺寸未發生變化，還是103.64mm，單邊加工余量為0.55mm;精鏜刀的對刀測量尺寸為104.217mm，單邊加工余量為0.29mm，具體情況如圖2所示。

3.3 測量系統的調整

氣動量儀是一種高精度、高效率的非接觸式測量儀器，為保證測量結果的精確性，對氣動量儀做如下調試：在測量開始前，技術人員選擇2個校對環規，其中一個與被測孔徑公差最大極限尺寸相等，另一個與被測孔徑公差最小極限尺寸相等。放大一定倍數后，使用倍率微調閥、零位調整閥，分別調整水柱的上、下限位置。在測量開始后，被測孔徑實際尺寸與2個校對環規之間出現間隙，分別標記為M1和M2，由于間隙的存在相應的測量氣室中的壓力也會減小。壓力減小幅度越大，則水柱高度變化越明顯，通過讀數即可知道被測孔徑的偏差值。最后根據偏差值調節氣動量儀，直到消除偏差。

3.4 精加工完成的樣件

在缸孔底孔加工結束后，使用測量儀器進行全尺寸測量。記錄測量數據并與設計要求進行對比，對于不符合設計要求的，重新調整機床與刀具重新進行精加工，再次進行測量。重復上述流程，直到工件精度達標。選擇1-3#缸進行缸孔底孔直徑對比，技術要求為104.204-104.229mm，其中1#缸為104.206mm，2#缸為104.210mm，3#缸為104.209mm。對比可以發現，選擇的3個缸的缸孔底孔直徑均在技術要求范圍之內，說明使用半塘-精鏜復合鏜刀進行缸孔底孔的精加工，所得產品的精度能夠滿足產品設計要求。

缸套孔的加工工藝與缸孔底孔有一定差別，主要分為精鏜和珩磨2道工序。精鏜加工使用的是MAG雙軸雙進給躺床，設定主軸轉速3000r/min，切削深度0.95mm，進給量0.70mm/r。精鏜加工完畢后再對所得產品進行珩磨處理，使用NAGEL珩磨機，分為粗珩與精珩2種模式，選擇雙軸、雙進給的精珩模式，主軸轉速設定為200r/min，加工進給量為5μm/s。按照上述工藝完成缸套孔加工后，選擇1-3號缸進行缸套孔直徑對比。技術要求為98.000-98.025mm。其中，1#缸為98.018mm，2#缸為98.015mm，3#缸為98.016mm。對比可以發現，選擇的3個缸的缸套孔直徑均在技術要求范圍之內，說明使用精鏜與珩磨加工后，缸套孔加工精度也可以滿足設計要求。

4 ?精鏜缸孔底孔樣件的臺架實驗

4.1 樣件裝機實驗

臺架試驗是發動機研制過程中常用的一類實驗，通過實驗可以及時發現缸體、缸蓋、曲軸等發動機重要組件存在的缺陷，為優化設計和改進生產有積極幫助。臺架可靠性實驗分為E6、E5、E4、E3等多個級別。

本次樣件裝機實驗主要選擇E6-E4三個設計級別，具體實驗內容為：

①E6級別。全新平臺的產品開發，包括缸體、缸蓋、曲軸、燃燒及燃油系統的全新設計與可靠性實驗等;

②E5級別。在既有平臺基礎上，對缸體、缸蓋、曲軸、燃油及燃燒系統進行全新設計，并開展可靠性實驗;

③E4級別。缸體、缸蓋等零件在原有基礎上進行設計優化，燃油、燃燒及電控系統進行全新設計，進行可靠性實驗。具體的實驗時間、實驗內容如表2所示。

在本次樣件裝機實驗中，選擇E4級別的超負荷實驗，累計做4次。實驗內容如下：

第一階段：

①發動機怠速運行2min;②按照修正后的標定轉速運行20min，運行負荷110%;③怠速運行10min;④按照修正后的標定轉速運行20min，運行負荷100%;⑤調速曲線上轉速，運行20min，負荷55%;⑥以最大扭矩轉速運行20min，負荷110%;⑦最大空載轉速運行20min;⑧以扭矩點與修正后標定點的中間轉速運行20min;⑨以修正后的標定轉速運行20min，負荷110%;⑩怠速運行20min;？輥？輯？訛停機，等待30min。重復上述實驗操作共做16次，該階段發動機累計運行時長49h4min。

第二階段：按照修訂后的標定轉速持續運行10h，負荷110%。

第三階段：重復第一階段操作。

第四階段：以外特性曲線運行2h。

第五階段：按照修訂后的標定轉速運行14h52min，負荷110%。至此實驗共用時125h。

重復第1-5階段共4次，發動機累計運行時間滿500h。

4.2 實驗數據及分析

500h的臺架實驗結束后，將整機拆分，使用儀器測量缸套孔的變形量，測點布置如圖3所示。

樣件缸套孔在超負荷實驗前后的直徑參數如表3所示，實驗前后缸套孔直徑的變形量如表4所示。

表中L為相對曲軸縱向直徑，T為相對曲軸橫向直徑，單位均為mm;缸套孔允許直徑范圍98.000-98.025mm。

結合表3和表4數據可知，樣件500h的超負荷實驗后，僅有1#缸A處相對曲軸縱向直徑（98.030mm）和2#缸A處相對曲軸縱向直徑（98.027mm）超出允許范圍，總體來看樣件在超負荷實驗中表現良好。

5 ?結語

在發動機缸體缸孔精加工中，使用半精-精鏜復合鏜刀進行精加工，能夠簡化工序、提高加工效率，同時還能確保加工精度符合產品設計要求，具有推廣應用價值。

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