柴油發(fā)動機缸體缸孔精加工工藝試驗研究Research on the Machining Process of Diesel Engine Cylinder Block Bore學(xué)科專業(yè)：機械工程工程碩士：王芳指導(dǎo)教師：張世昌 教授企業(yè)導(dǎo)師：朱海平 高級工程師天津大學(xué)機械工程學(xué)院二零一三年十一月獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得 天津大學(xué) 或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名：簽字日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解 天津大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán) 天津大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明）學(xué)位論文作者簽名：導(dǎo)師簽名：簽字日期：年月日簽字日期：年月日中文摘要發(fā)動機缸體是典型的箱體零件，其加工工藝已較成熟和固化。但圍繞著缸體加工展開的提高效率，降低成本的研究一直沒有停止過。以往研究的重點主要放在提高設(shè)備和刀具加工能力方面，對工藝路線的改進關(guān)注相對較少。本文基于柴油發(fā)動機缸體缸孔底孔加工工藝試驗，對取消珩磨加工底孔工藝可行性進行研究。常見的缸孔底孔加工工藝為：粗鏜半精鏜精鏜珩磨，取消珩磨加工后的缸孔底孔加工工藝為：粗鏜半精鏜精鏜。實驗研究結(jié)果表明， 以鏜代珩可行。論文主要工作如下：1） 基于對新生產(chǎn)線缸孔底孔加工工裝設(shè)備的介紹，和對傳統(tǒng)缸體生產(chǎn)線與新缸體生產(chǎn)線的比較，論述了新生產(chǎn)線實施工藝變更的可行性。2） 在缸體新生產(chǎn)線上，經(jīng)過對精鏜和珩磨兩種工藝實際數(shù)據(jù)采集與分析，論證了采用精鏜缸孔底孔工藝替代珩磨工藝的可行性。3） 采用缸孔底孔粗鏜半精鏜精鏜新工藝對 B 系列六缸缸體進行了試生產(chǎn)，獲得預(yù)期效果，加工樣件符合設(shè)計要求。4） 用 B 系列六缸底孔不珩磨缸體樣件組裝成工程機械用發(fā)動機整機，并對其進行臺架實驗。實驗結(jié)果整機性能達到設(shè)計要求，表明新的缸孔底孔粗鏜半精鏜精鏜工藝具有可行性。關(guān)鍵詞：缸體；缸孔底孔；加工工藝；精鏜；珩磨IIABSTRACTEngine cylinder block is a typical box-type parts, The processing technology is mature and solidifying. The research of cylinder block processing 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 processing becomes: rough 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, and 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 expected 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 engine is done. 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，honing目 錄IV第一章緒論11.1 課題研究背景和意義11.2 國內(nèi)外鏜削技術(shù)的發(fā)展11.3 課題研究的主要內(nèi)容5第二章缸體缸孔底孔產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計72.1 缸孔底孔產(chǎn)品設(shè)計要求72.1.1 產(chǎn)品設(shè)計72.1.2 缸體底孔加工工序圖72.1.3 以鏜代珩缸體底孔加工工序圖102.2 缸體生產(chǎn)線工藝設(shè)計122.2.1 缸體一生產(chǎn)線缸孔工藝流程122.2.2 缸體二生產(chǎn)線缸孔工藝流程122.2.3 兩生產(chǎn)線缸孔加工工藝132.2.4 兩生產(chǎn)線缸套孔珩磨技術(shù)要求152.3 缸體二生產(chǎn)線工藝先進性172.3.1 工藝基準172.3.2 加工設(shè)備182.3.3 測量系統(tǒng)182.4 本章小結(jié)19第三章缸體缸孔數(shù)據(jù)采集與分析203.1 樣件數(shù)據(jù)采集203.1.1 缸孔編號說明203.1.2 2 缸孔加工方式203.1.3 缸孔直徑數(shù)據(jù)分析223.2 樣件 Cpk 計算253.2.1 工序能力分析253.2.2 工藝過程穩(wěn)定性分析303.3 樣件形位公差及粗糙度分析323.3.1 粗糙度323.3.2 圓度383.3.3 圓柱度423.4 本章小結(jié)45第四章精鏜缸孔底孔樣件加工464.1 半精精鏜復(fù)合鏜刀及其調(diào)整464.1.1 半精精鏜復(fù)合鏜刀工作原理464.1.2 半精精鏜復(fù)合鏜刀結(jié)構(gòu)464.1.3 工藝參數(shù)的優(yōu)化474.1.4 半精精鏜復(fù)合鏜刀參數(shù)調(diào)整514.2 測量系統(tǒng)的調(diào)整534.2.1 氣動測量量儀工作原理534.2.2 在線氣動量儀測量程序調(diào)整544.2.3 在線氣動量儀校對環(huán)規(guī)調(diào)整544.2.4 缸孔量檢具調(diào)整554.3 工藝文件的調(diào)整564.4 加工完成的樣件564.4.1 樣件外形圖574.4.2 樣件缸孔底孔加工尺寸574.4.3 樣件缸孔缸套孔加工尺寸584.5 本章小結(jié)59第五章精鏜缸孔底孔樣件臺架驗證605.1 樣件裝機實驗605.2 樣件裝機實驗數(shù)據(jù)625.2.1 缸套變形量645.2.2 樣機外特性曲線分析655.3 本章小結(jié)65第六章結(jié)論與展望666.1 總結(jié)666.2 展望66參考文獻68發(fā)表論文和參加科研情況說明70致謝71第一章緒論第一章 緒論1.1 課題研究背景和意義近年來，我國汽車行業(yè)迅速崛起，成功走出了一條民族工業(yè)振興之路，已成為世界上最大的汽車消費市場和汽車生產(chǎn)國之一1。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，發(fā)動機行業(yè)也發(fā)展迅速，作為發(fā)動機心臟的缸體加工也得到了長足發(fā)展。圍繞著缸體加工所展開的提高效率，降低成本的研究一直沒有停止過。以往研究的重點主要放在提高加工設(shè)備能力和提高刀具加工能力方面，而對工藝路線的改進關(guān)注相對較少。本文主要研究缸體缸孔底孔加工過程工藝路線的變更與優(yōu)化的過程，并通過一系列的數(shù)據(jù)采集與工藝驗證，對缸孔底孔采用精鏜工藝取代珩磨工藝的可行性進行驗證。嘗試著將現(xiàn)有缸體底孔加工工藝流程縮短，由原有粗鏜半精鏜精鏜珩磨的底孔加工路線，變更為粗鏜半精鏜精鏜的底孔加工路線。通過現(xiàn)有精鏜設(shè)備能力的保障，取消珩磨工序，以期在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時， 達到降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)線節(jié)拍的目的。1.2 國內(nèi)外鏜削技術(shù)的發(fā)展發(fā)動機通過在缸體缸孔內(nèi)完成油氣壓縮、燃燒、爆炸的做功過程來輸出動力。缸孔在一個完整的做功循環(huán)過程中要承受著劇變溫度和交變載荷的雙重作用，這就對缸體缸孔的尺寸誤差、形狀誤差及表面質(zhì)量等指標(biāo)提出了嚴格要求，因為這些指標(biāo)對發(fā)動機的壓縮比、輸出功率及扭矩、油料消耗及整機的可靠性都有著較大影響2。常見的缸孔底孔加工工藝為：粗鏜半精鏜精鏜珩磨，珩磨主要是對缸孔底孔和缸套孔的形狀誤差和表面質(zhì)量進行修正，以滿足缸孔產(chǎn)品設(shè)計的最終要求。而隨著生產(chǎn)設(shè)備、刀具及機床在線測量系統(tǒng)的發(fā)展，鏜削工藝及其加工精度也發(fā)展迅猛?，F(xiàn)在的新型鏜刀可縮短工藝過程中的調(diào)刀時間，幫助用戶高速、小批量地生產(chǎn)產(chǎn)品，從而保證工廠和車間及時完成生產(chǎn)加工任務(wù)。此外，這種鏜刀自身可進行自動調(diào)節(jié)、修正磨損、補償誤差或自動成形。下面簡要介紹幾種典型的鏜刀及鏜削技術(shù)的發(fā)展情況。451. 模塊式組合鏜刀模塊式鏜刀將鏜刀分為基礎(chǔ)柄、延長器、減徑器（Reduction）、鏜桿、鏜頭、刀片座、刀片、倒角環(huán)等多個部分，然后根據(jù)具體的加工內(nèi)容（粗鏜、精鏜；孔的直徑、深度、形狀；工件材料等）進行自由組合（見圖 1.1）。這樣不但大大地減少了刀柄的數(shù)量，降低了成本，也可以迅速響應(yīng)各種加工要求，并延長刀具整體的使用壽命。圖 1.1 模塊式鏜刀組合示意圖之所以能夠提供高精度和較大靈活性的另一因素是模塊式組合鏜刀的制造商也像其他的制造商那樣，已經(jīng)大幅度改進了生產(chǎn)加工工藝。10 年前，模塊式組合刀具零件的組裝重復(fù)精度達到 0.01270.0178mm是可以接受的，而現(xiàn)在模塊式組合刀具零件的尺寸公差范圍達到 24m。圖 1.2 為模塊化鏜刀組裝圖3。圖 1.2 模塊化鏜刀組裝圖2. 聯(lián)軸機構(gòu)提高鏜刀的穩(wěn)定性Sandvik 公司的聯(lián)軸機構(gòu)以多邊形系統(tǒng)為基礎(chǔ)，可以使鏜桿的接觸面沿著其聯(lián)軸機構(gòu)的軸線部分均勻地分布在圓周上。夾緊后的活動螺絲以大約 35.6N 的軸向拉力，將該機構(gòu)的各零件一起拉向并鎖緊在錐體上。這樣，不但獲得了面對面的接觸，而且還保證了刀具四周的夾持力。聯(lián)軸夾持機構(gòu)可使切削力分布在整個多邊形的周圍，每一聯(lián)軸機構(gòu)的偏差為 0.0051mm。圖 1.3 為 Coromant Capto 刀桿受力分布圖。圖 1.3Coromant Capto 刀桿受力圖由于其接觸面大、軸向拉力高、光滑的淬火表面硬度達RC63，使模塊式組合刀具獲得極好的穩(wěn)定性和剛性，甚至優(yōu)于實心刀桿。各元件之間的連接點不但不會產(chǎn)生振動，而且還可以將鏜桿分成幾個部分，從而使其可以實現(xiàn)合適、有利的頻率協(xié)調(diào)。實驗表明采用這種概念的模塊式組合刀具，其加工性能比實心鏜桿更加穩(wěn)定4。3. 提高鏜刀的平衡性在鏜刀頭上增加了平衡配重裝置，可以使鏜刀的平衡性更好，但平衡工作需要較高的技術(shù)和較長的時間。在調(diào)節(jié)直徑的同時，操作人員需要手工調(diào)節(jié)重量， 技術(shù)人員需要在平衡機上測定刀具，調(diào)節(jié)配重裝置，直到刀具達到平衡為止。a）可自動補償平衡鏜刀頭b）可自動補償平衡鏜刀頭調(diào)節(jié)原理圖圖 1.4 可自動補償平衡的鏜刀頭為此，BIG Kaiser精密刀具公司開發(fā)了可自動補償平衡的鏜刀頭（見圖 1.4）， 用戶在鏜削不同直徑時可使鏜刀起到平衡的作用。當(dāng)鑲刀片移動時，配重裝置也在相反的方向上不斷地移動來補償平衡。因此，只需作一次調(diào)節(jié)。這種方法既可節(jié)約時間，又可降低產(chǎn)生誤差的機率5。4. 侍服傳動鏜刀以 Kom Tronic 鏜刀為例，鏜削加工頭內(nèi)的滑板由侍服電機傳動，通過控制脈沖，使鏜桿向較大的直徑方向移動，或支持其向較小的直徑方向移動。這一機構(gòu)提高了鏜床的加工精度，不需采用手工調(diào)節(jié)的方法調(diào)節(jié)螺絲。Komet 公司的工程師們也在鏜桿內(nèi)安裝了導(dǎo)軌，采用侍服電機來傳動鏜刀片， 可使一錐形刀桿軸向移動，也可使鏜刀片向外擴大到更大的直徑或向內(nèi)縮小到更小的直徑。鏜刀頭的行程范圍可以變化，U 軸可偏離中心移動高達25mm，鏜削精度可達10m。圖 1.5 Kom Tronic u-軸的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖 1.5 為 Kom Tronic u-軸的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，該 U 軸系統(tǒng)是由一個緊湊型的平旋盤帶一個伺服電機驅(qū)動的單滑塊和絲杠組成。通過安裝在主軸上的定子部件將能量及數(shù)據(jù)以感應(yīng)非接觸式的方式傳遞給 U 軸頭部件。這種傳輸方式和主軸的轉(zhuǎn)速無關(guān)，因此新一代的 U-axis 系統(tǒng)能夠自動的轉(zhuǎn)換成 NC 軸。通過選擇不同的刀具及可轉(zhuǎn)位刀片的組合，可實現(xiàn)仿形鏜孔和外部輪廓車削。這套系統(tǒng)能夠縮短加工時間，獲得更好的工件表面質(zhì)量以及尺寸穩(wěn)定性。另外，所需要的刀具種類也更少。上述所提及的鏜刀及鏜削工藝的改進，可以使鏜刀很好地控制振動。其加工孔的精度 能達到IT6 級，表面粗糙度 可達到Ra0.81.6m。刀具系統(tǒng)具有更好的平衡性和更大的剛性，這一優(yōu)點使它能夠配置應(yīng)用一些鑲刀片技術(shù)，對于鏜削加工而言，意義重大。1.3 課題研究的主要內(nèi)容本課題主要是針對 W 公司鑲嵌干式缸套缸孔的精加工工藝進行研究，通過樣件加工數(shù)據(jù)的采集與分析，驗證缸體二生產(chǎn)線取消 B 系列缸體缸孔底孔珩磨工序的可行性。內(nèi)燃機缸體的缸孔一般分為不鑲嵌缸套式缸孔（在缸孔工作表面添加鍍層） 和鑲嵌缸套式缸孔兩類，鑲嵌缸套又分為鑲嵌干缸套、鑲嵌濕缸套、鑄入式氣缸套和風(fēng)冷缸套四種。氣缸套鑲在缸體的缸筒內(nèi)，與活塞和缸蓋共同組成燃燒室。缸套分為干缸套和濕缸套兩大類。背面不接觸冷卻水的氣缸套叫干缸套，背面和冷卻水接觸的氣缸套是濕缸套。干缸套厚度較薄、結(jié)構(gòu)簡單、加工方便。濕缸套直接接觸冷卻水， 所以有利于發(fā)動機的冷卻，有利于發(fā)動機的小型輕量化。圖 1.6 為干式缸套圖片，干式缸套主要部位的功能：1） 凸臺：減少燃氣對氣缸墊的直接沖擊，保護氣缸墊免遭燒蝕。2） 支撐肩：為缸套提供軸向定位。3） 退刀槽：為加工外圓和支承肩下端提供避讓空間并減少支承肩處的集中應(yīng)力。4） 內(nèi)孔：缸套的工作面。5） 外圓：與缸體直接接觸，將氣缸中絕大部分廢熱直接傳遞給缸體，以保證發(fā)動機的正常工作溫度。圖 1.6 干式缸套零件示意圖1凸臺；2支撐肩；3退刀槽；4內(nèi)孔；5外圓第二章缸體缸孔底孔產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計第二章 缸體缸孔底孔產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計目前，提高生產(chǎn)設(shè)備和加工刀具性能是缸體生產(chǎn)線工藝設(shè)計的主要關(guān)注點， 對工藝路線的調(diào)整及對加工工序的優(yōu)化，是降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率的重要方式之一。本章首先介紹 W 公司缸體缸孔產(chǎn)品設(shè)計及工藝設(shè)計，對兩條缸體生產(chǎn)線缸孔工藝流程圖，底孔加工工藝進行說明，并闡述缸體二生產(chǎn)線的工藝先進性。2.1 缸孔底孔產(chǎn)品設(shè)計要求2.1.1 產(chǎn)品設(shè)計B 系列四、六缸體缸孔的設(shè)計是在原 Perkins 缸體基礎(chǔ)上改進完成的，在傳承了 Perkins 缸體原有特點的同時，也對原設(shè)計進行了一系列的改進。例如：為了保證裝配一致性，增加 8 裝配定位銷；為了保證鑄造毛坯合格率，對毛坯的水套結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化等。B 系列缸體缸孔采用的是鑲嵌干式缸套的形式，論文中涉及的缸孔底孔是指沒有鑲嵌缸套前的缸孔，缸套孔是指鑲嵌缸套后的缸孔。表 2.1 中所列加工要求是在此次試驗未進行時，一直沿用的缸孔加工工藝要求。此次試驗主要研究的是取消缸體底孔珩磨工序，直接在精鏜工序中完成缸體底孔的加工，即精鏜后的缸體底孔直徑尺寸由 104.127mm104.153mm，變?yōu)?04.204 mm 104.229 mm。表 2.1B 系列缸體缸孔底孔工序要求項目工序要求缸孔底孔精鏜缸孔底孔珩磨缸套孔精鏜缸套孔珩磨直徑（mm）104+0.153+0.127104+0.229+0.20499+0.974+0.949100+0.025+0圓度（mm）0.010.010.01圓柱度（mm）0.0150.01250.010.01粗糙度（m）Ra3.2Ra1.8Ra4.0-Ra2.5珩磨網(wǎng)紋相關(guān)要求2.1.2 缸孔底孔加工工序圖圖 2.1 所示為改進前 B 系列六缸缸體底孔精鏜工序圖，由圖可見，原有缸孔底孔精鏜工序是對缸孔底孔和止口進行精鏜加工，為了保證缸孔止口和底孔的一致性及同軸度，選用了缸孔止口復(fù)合鏜刀（見圖 4.1）對缸孔和缸孔止口部分一起加工。圖 2.1 改進前 B 系列六缸缸體底孔精鏜工序圖圖 2.1 與圖 2.4 中基準說明如下：B 基準缸體底面；C 基準主軸承孔（曲軸孔）中心線；K 基準曲軸止推面。圖 2.2 給出了缸孔止口放大圖，圖中標(biāo)明了缸孔止口的相關(guān)尺寸要求。圖 2.2B 系列六缸缸體缸孔底孔止口放大圖圖 2.3 給出了原有缸孔底孔珩磨工序的工序圖。珩磨是利用安裝于珩磨頭圓周上的一條或多條油石，由漲開機構(gòu)（有旋轉(zhuǎn)式和推進式兩種）將油石沿徑向漲開，使其壓向工件孔壁，以便產(chǎn)生一定的面接觸。同時使珩磨頭旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運動， 使加工面形成交叉螺旋線切削軌跡，而且在每一往復(fù)行程時間內(nèi)珩磨頭的轉(zhuǎn)數(shù)不是整數(shù)，因而兩次行程間，珩磨頭相對工件在周向錯開一定角度，這樣的運動使珩磨頭上的每一個磨粒在孔壁上的運動軌跡不會重復(fù)。圖 2.3B 系列六缸缸體缸孔底孔珩磨工序圖2.1.3 以鏜代珩缸孔底孔加工工序圖圖 2.4 給出了 B 系列六缸缸體缸孔以鏜代珩加工工序，取消底孔珩磨工序后， 通過調(diào)整，用鏜削工藝直接加工出缸孔底孔。圖 2.4B 系列六缸缸體缸孔底孔以鏜代珩工序圖2.2 缸體生產(chǎn)線工藝設(shè)計在確定加工路線時，應(yīng)綜合考慮保證加工精度和縮短加工路線和加工時間。就粗加工而言，在不影響精度的前提下，要求最大限度地縮短加工路線和加工時間，而對于精加工而言，也要盡可能縮短加工路線和加工時間6。W 公司共有兩條缸體生產(chǎn)線，缸體一生產(chǎn)線主要生產(chǎn) B 系列四、六缸體；缸體二生產(chǎn)線為 B/D 系列柔性缸體生產(chǎn)線，能滿足 B/D 系列四、六缸缸體的生產(chǎn)需求。2.2.1 缸體一生產(chǎn)線缸孔工藝流程1994 年 5 月開始進行缸體一生產(chǎn)線加工工藝設(shè)計，生產(chǎn)線設(shè)計借鑒了英國Perkins 公司和國內(nèi)外發(fā)動機制造商的經(jīng)驗。缸孔加工流程如表 2.2 所示。表 2.2缸體一生產(chǎn)線 B 系列缸體缸孔加工工藝流程序號工序號工序名稱設(shè)備名稱1C100粗鏜缸孔底孔單軸立式鏜床2C300清洗通過式清洗機3C370半精鏜缸孔底孔單軸立式鏜床4C370精鏜缸孔底孔5C380珩磨缸孔底孔（粗精同軸）單軸立式珩磨機6C390清洗通過式清洗機7C400壓缸套缸套壓裝專機8C410精鏜缸套孔單軸立式鏜床9C430粗珩缸套孔單軸立式珩磨機10C440精珩缸套孔單軸立式珩磨機2.2.2 缸體二生產(chǎn)線缸孔工藝流程2008 年開始進行機加二車間 B/D 系列柔性缸體生產(chǎn)線加工工藝設(shè)計，該生產(chǎn)線的設(shè)計沿用了機加一車間生產(chǎn)線的設(shè)計思路，對缸孔的精加工依然采用了精鏜珩磨工藝，但是在設(shè)備選型上均選用了較先進的設(shè)備。缸孔加工流程如表 2.3所示。表 2.3缸體二生產(chǎn)線 B 系列缸體缸孔加工工藝流程序號工序號工序名稱設(shè)備名稱1C100粗鏜缸孔底孔單軸立式鏜床2C150清洗通過式清洗機3C190半精鏜缸孔底孔雙軸立式鏜床4C190精鏜缸孔底孔5C210粗珩缸孔底孔雙軸立式珩磨機6C210精珩缸孔底孔雙軸立式珩磨機7C220清洗通過式清洗機8C230壓缸套缸套壓裝專機9C240精鏜缸套孔單軸立式鏜床10C250粗珩缸套孔雙軸立式珩磨機11C250精珩缸套孔雙軸立式珩磨機2.2.3 兩生產(chǎn)線缸孔加工工藝缸體一生產(chǎn)線為缸體全序加工半柔性生產(chǎn)線，全線共有工序49個，加工設(shè)備58臺，缸孔、曲軸孔等關(guān)鍵部位加工，采用日本豐田加工中心、德國HELLER等設(shè)備。缸體一生產(chǎn)線缸孔底孔加工工藝和缸套孔加工工藝見表2.4和表2.5。表 2.4 缸體一生產(chǎn)線缸孔底孔加工工藝工藝裝備及工序要求工序粗鏜半精鏜、精鏜珩磨定位方式一面兩銷一面兩銷一面兩銷機床大連機床廠單軸立式鏜床LAMB 立式單軸鏜床大河單軸立式珩磨機夾具機械式壓緊機械式壓緊機械式壓緊刀具止口、缸孔復(fù)合鏜刀止口、缸孔復(fù)合鏜刀珩磨條刀片材質(zhì)硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金金剛石量檢具帶表內(nèi)徑量規(guī)帶表內(nèi)徑量規(guī)帶表內(nèi)徑量規(guī)缸孔直徑（mm）101+0.75+0.60104+0.153+0.127104+0.229+0.204缸孔圓度（mm）0.0150.01缸孔圓柱度（mm）0.020.0125缸孔粗糙度（m）Ra12.5Ra3.2Ra1.8表 2.5 缸體一生產(chǎn)線缸孔缸套孔加工工藝工藝裝備及工序要求工序精鏜金剛石粗珩碳化硅精珩定位方式一面兩銷一面兩銷一面兩銷機床LAMB 立式單軸鏜床格林兩工位立式珩磨機(兩個工位均為單軸)夾具機械、液壓混合壓緊機械、液壓混合壓緊機械、液壓混合壓緊刀具半精鏜、精鏜復(fù)合鏜刀珩磨條精珩珩磨條平臺珩珩磨條刀片材質(zhì)CBN金剛石碳化硅量檢具帶表內(nèi)徑量規(guī)粗糙度比較樣塊帶表內(nèi)徑量規(guī)Mahr 測量儀帶表內(nèi)徑量規(guī)Mahr 測量儀缸套孔直徑（mm）99.87399.898104.127104.153100.000100.025缸套孔圓度（mm）0.0150.01缸套孔圓柱度（mm）0.020.0125缸套孔粗糙度（m）Ra12.5Ra3.2Ra1.8缸體二生產(chǎn)線為缸體柔性精加工生產(chǎn)線，全線共有工序 32 個，缸孔、曲軸孔等關(guān)鍵部位加工，采用美國 MAG、德國 NAGEL 等設(shè)備，半精加工采用日本MAZAK 加工中心。缸體二生產(chǎn)線缸孔底孔加工工藝和缸套孔加工工藝見表 2.6 和表 2.7。表 2.6 缸體二生產(chǎn)線缸孔底孔加工工藝工藝裝備及工序要求工序粗鏜半精鏜、精鏜珩磨定位方式曲軸孔、缸體底面、曲軸中間瓦側(cè)面曲軸孔、缸體底面、曲軸中間瓦側(cè)面機床美國 MAG 雙軸立式鏜床（有在線測量）大河二工位珩磨機夾具機械、液壓混合壓緊機械、液壓混合壓緊刀具缸體二生產(chǎn)線為止口、缸孔復(fù)合鏜刀珩磨條刀片材質(zhì)CBN金剛石精加工生產(chǎn)線，此量檢具工序外委加工缸孔底孔氣電量規(guī)缸孔底孔氣電量規(guī)Mahr 測量儀Mahr 測量儀缸孔直徑（mm）104+0.153+0.127104+0.229+0.204缸孔圓度（mm）0.0150.01缸孔圓柱度（mm）0.020.0125缸孔粗糙度（m）Ra3.2Ra1.8表 2.7 缸體二生產(chǎn)線缸孔缸套孔加工工藝工藝裝備及工序要求工序精鏜金剛石粗珩碳化硅精珩定位方式曲軸孔、缸體底面、曲軸中間瓦側(cè)面一面兩銷一面兩銷機床MAG 立式雙軸鏜床NAGEL 兩工位立式珩磨機（單軸）NAGEL 兩工位立式珩磨機(雙軸)夾具機械、液壓混合壓緊機械、液壓混合壓緊機械、液壓混合壓緊刀具半精鏜、精鏜復(fù)合鏜刀珩磨條精珩珩磨條平臺珩珩磨條刀片材質(zhì)CBN金剛石碳化硅量檢具缸套孔氣電量規(guī)Mahr 測量儀缸套孔氣電量規(guī)Mahr 測量儀缸套孔氣電量規(guī)Mahr 測量儀缸套孔直徑（mm）99.87399.89899.94999.974100.000100.025缸套孔圓度（mm）0.010.010.01缸套孔圓柱度（mm）0.0150.01250.0125缸套孔粗糙度（m）Ra5.0Ra2.5 Ra4.0Ra1.82.2.4 兩生產(chǎn)線缸套孔珩磨技術(shù)要求為了適應(yīng)不斷提高的排放法規(guī)要求和發(fā)動機強化指標(biāo)要求，提出了缸套孔的平臺網(wǎng)紋表面，并應(yīng)用平臺珩磨網(wǎng)紋技術(shù)加工缸套孔內(nèi)表面。平臺珩磨技術(shù)加工出的缸套孔內(nèi)表面是由無數(shù)均勻相間交叉的窄深溝槽與小平臺組成7，如圖 2.5 所示。圖 2.5 缸套孔表面平臺網(wǎng)紋輪廓圖形經(jīng)試驗表明，平臺網(wǎng)紋氣缸套比普通珩磨氣缸套相比，磨合期縮短了 1/21/3， 壽命提高了 10%20%，扭矩提高 5%，機油消耗降低 58%83%，并可有效的避免發(fā)動機工作過程中的拉缸現(xiàn)象8。W 公司的平臺珩磨工序需要三個工位，第一工位粗珩是消除上序精鏜所產(chǎn)生的幾何誤差，使缸套孔圓度和圓柱度符合產(chǎn)品的要求，并為精珩和平臺珩磨創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)；第二工位精珩和第三工位平臺珩是在同一個珩磨頭上實現(xiàn)的，這兩個工位為雙軸雙進給，采用液壓漲刀，分兩級膨脹力貼近缸孔，達到實現(xiàn)平臺的目的。W 公司在學(xué)習(xí)和吸收國內(nèi)外先進平臺珩磨網(wǎng)紋加工技術(shù)的同時，制定了高出國家專業(yè)標(biāo)準的企業(yè)標(biāo)準。企標(biāo)中缸套孔平臺珩磨網(wǎng)紋的評價標(biāo)準主要分以下三個方面：（1） 網(wǎng)紋夾角 和網(wǎng)紋要求缸套孔表面的加工網(wǎng)紋是由珩磨頭的旋轉(zhuǎn)運動和往復(fù)運動的合成而形成的。網(wǎng)紋夾角 有兩種表示方法，一種是在缸套孔軸線方向上，即為鈍角；另一種是在缸套孔孔徑的切線方向上，為銳角。這兩角和等于 180。W 公司網(wǎng)紋夾角取銳角，=455，圖 2.6 為網(wǎng)紋夾角示意圖。W 公司對網(wǎng)紋的要求為：兩個方向的網(wǎng)紋均勻，清晰連續(xù)，無尖角和毛刺， 無金屬重疊。網(wǎng)紋夾角 圖 2.6 網(wǎng)紋夾角示意圖（2） 粗糙度輪廓高度參數(shù)Ra：輪廓算數(shù)平均偏差，即在取樣長度 l 內(nèi)輪廓偏距絕對值的算數(shù)平均值。Rz DIN：根據(jù) DIN4768 標(biāo)準，Rz 定義為平均峰谷高度。對于已濾波的粗糙度輪廓來說，在 Z1 到 Z5 這 5 個等量相鄰的單元取樣長度中，單個峰谷高度的算數(shù)平均值。（3） 基于輪廓支撐長度率曲線（Abbott-fire.stone 曲線）的綜合參數(shù)確定綜合參數(shù)的數(shù)值必須遵循以下基本假設(shè)：已濾波的曲線沒有失真， Abbott-fire.stone 曲線已確定。圖 2.7 顯示了在 Abbott-fire.stone 曲線上個參數(shù)的位置，表 2.8 對各參數(shù)的含義與技術(shù)要求進行了說明。圖 2.7基于 Abbott-fire.stone曲線評定參數(shù)示意圖8表 2.8 綜合參數(shù)涵義及技術(shù)要求綜合參數(shù)字符涵義技術(shù)要求Ra(m)輪廓算數(shù)平均偏差2.0Rz(m)平均峰谷高度3.07.0Rpk(m)波峰深度（峰頂?shù)慕档停?.2Rk(m)粗糙度核心輪廓深度（中心峰谷高度）0.20.5Rvk(m)波谷深度（谷底的降低）1.52.5Mr1(%)波峰輪廓支撐長度率（粗糙度核心上限）8Mr2(%)波谷輪廓支撐長度率（粗糙度核心下限）6080Rpk*(m)波峰區(qū)的峰高不做要求Rvk*(m)波谷區(qū)的谷深不做要求A1（cm2）輪廓鋒的面積 A1= (RpkMr1)/2000需計算A2（cm2）輪廓谷的面積A2= Rvk（100-Mr2)/2000需計算式中 Mr1、Mr2 不帶百分號，Rpk、Rvk 的單位是 m2.3 缸體二生產(chǎn)線工藝先進性2.3.1 定位基準缸體一生產(chǎn)線缸孔加工一直采用“一面兩銷”的定位基準，即用缸體底面和底面上兩個工藝銷孔進行定位（見圖 2.3）。缸體二生產(chǎn)線在粗鏜工序時，采用“一面兩銷”的定位基準，而在后序的加工中均采用了曲軸孔，缸體底面和曲軸中間瓦側(cè)面來定位（見圖 2.1）。曲軸孔，缸體底面和曲軸中間瓦側(cè)面定位方式保證了缸孔與曲軸孔的位置尺寸，以曲軸孔和底面定位方式比傳統(tǒng)“一面兩銷”定位方式更能確保缸體內(nèi)腔與圖紙要求的符合性，使后續(xù)工序加工余量均勻，從而減少廢品率，節(jié)約成本9。2.3.2 加工設(shè)備缸體二生產(chǎn)線的設(shè)備為美國生產(chǎn)的MAG 八工位自動線中的立式雙軸鏜床（見圖 2.8）。MAG 鏜床有如下特點：（1） 在線測量機床具有自動測量設(shè)備，根據(jù)測量結(jié)果，能及時對刀具的直徑進行調(diào)整。當(dāng)?shù)毒哌_到磨損極限，機床還有自動報警功能。（2） 刀具補償具有刀具半徑補償功能，當(dāng)?shù)毒哂猩倭磕p或加工輪廓尺寸與設(shè)計尺寸稍有偏差時或者在粗銑、半精銑和精銑的各工步加工余量變化時，需作適當(dāng)調(diào)整，而運用了刀具半徑補償后，不需修改刀具尺寸或建模尺寸而重新生成程序，只需要在數(shù)控機床上對刀具補償參數(shù)做適當(dāng)修改即可。既簡化了編程計算，又增加了程序的可讀性10。（3） CBN 刀片鏜刀使用 CBN 刀片，CBN 刀片在工作溫度1200時，還有極佳的紅硬性。CBN 刀具能獲得優(yōu)于0.4m 的并保持0.012mm 同軸度。（4） 工藝參數(shù)機床的切削速度范圍為300m/min400m/min，為試驗奠定良好的基礎(chǔ)。復(fù)合鏜刀在線測量圖 2.8缸體二生產(chǎn)線精鏜缸孔設(shè)備2.3.3 測量系統(tǒng)缸體一生產(chǎn)線缸孔底孔直徑測量使用專用的內(nèi)徑千分表，其他技術(shù)要求，如： 圓度，位置度，圓柱度等，均需依靠三坐標(biāo)測量機；缸體二生產(chǎn)線缸孔底孔測量使用了美國 VGAGE（萬奈特）自動測量儀，能同時顯示出缸體三個截面兩個方向的直徑，同時能顯示截面的圓度及缸孔的圓柱度，并且此套測量系統(tǒng)還具有根據(jù)采集數(shù)據(jù)自動生成 SPC 控制圖的功能，提高測量準確性的同時，明顯提高了測量效率。2.4 本章小結(jié)本章簡要介紹了缸體缸孔底孔產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計要求，重點對兩條缸體生產(chǎn)線缸孔加工工藝進行對比說明，并列舉了 MAG 雙軸立式鏜床加工及缸孔測量系統(tǒng)的優(yōu)勢。通過兩生產(chǎn)線對比，可以明顯看出：1） 缸體二生產(chǎn)線缸孔加工工序工藝基準較缸體一生產(chǎn)線更合理。2） 缸體二生產(chǎn)線無論是從設(shè)備、刀具還是測量系統(tǒng)與缸體一生產(chǎn)線相比，優(yōu)勢較大。由此確定此次取消缸體缸孔底孔珩磨工序驗證，只在缸體二生產(chǎn)線進行，缸體一生產(chǎn)線缸孔加工工藝路線暫不做變動。第三章缸體缸孔數(shù)據(jù)采集與分析第三章 缸體缸孔數(shù)據(jù)采集和分析在實際生產(chǎn)中，因缸體的材質(zhì)、環(huán)境溫度、測量方法，人員技能等各種因素的不同，采樣數(shù)據(jù)也會略有變化。為了呈現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的真實性，此次數(shù)據(jù)采集的方法為在生產(chǎn)過程穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，采用逢 20 件抽 1 件的原則抽選 B 系列六缸缸體，進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析。本章主要對精鏜后的底孔數(shù)據(jù)和珩磨后的底孔數(shù)據(jù)進行分析，并對數(shù)據(jù)的測量工具和測量方法進行說明，初步確定缸體二生產(chǎn)線取消底孔珩磨工序的可行性。3.1 樣件數(shù)據(jù)采集3.1.1 缸孔編號說明本著工藝驗證盡量不影響生產(chǎn)計劃的原則，此次工藝驗證全部采用 B 系列六缸缸體。為了后續(xù)的數(shù)據(jù)整理及工藝驗證的順利進行，特對六缸缸體各缸缸孔作編號排序，以示區(qū)分（見圖 3.1）。圖 3.1 各缸孔編號及頂面示意圖3.1.2 缸孔加工方式精鏜缸孔機床是雙軸立式鏜床，2、1、3 缸孔加工使用同一個精鏜頭，5、4、6 缸孔加工使用同一個精鏜頭，加工順序見圖 3.2。底孔珩磨專機也為雙軸雙進給機床，1、3、5 缸孔共用一個珩磨頭，2、4、6 缸孔共用一個珩磨頭加工順序見圖 3.3。工步 1工步 2工步 3工步 1工步 2圖 3.2 精鏜機床缸孔加工順序圖圖 3.3 珩磨機床缸孔加工順序圖缸套孔精鏜機床與底孔精鏜機床相同，加工缸套孔的順序與底孔精鏜的加工順序（見圖 3.2）相同，2、1、3 缸孔加工使用同一個精鏜頭，5、4、6 缸孔加工使用同一個精鏜頭；缸套孔珩磨機床也為雙軸雙進給機床，1、3、5 缸孔共用一個珩磨頭，2、4、6 缸孔共用一個珩磨頭加工順序見圖 3.3。3.1.3 缸孔直徑數(shù)據(jù)分析精鏜和珩磨后缸孔直徑的測量均使用工序在線量具 VGAGE 氣動量儀（參見圖 3.4a），量儀通過氣電轉(zhuǎn)換器將氣信號轉(zhuǎn)換為電信號由電腦顯示器示值（參見圖 3.4b）。之所以選用氣動量儀，是由于氣動量儀測頭與缸孔不直接接觸，減少測量力對測量結(jié)果的影響，同時避免劃傷被測件表面，且讀數(shù)容易，能夠?qū)Ω卓走M行連續(xù)測量。A）VGAGE 氣動量儀b）測量示值顯示圖 3.4 VGAGE 氣動量儀及測量示值顯示這兩套量儀均有在線 SPC 監(jiān)控系統(tǒng)，可實時通過測量，對過程的穩(wěn)定性進行監(jiān)控，在很大程度上減少了產(chǎn)品的不良率，提高了產(chǎn)品在線的實際探測能力。表 3.1 和表 3.2 給出了精鏜缸孔底孔和珩磨缸孔底孔所采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是使用氣動量儀逢 20 抽 1 的方法采集的，采集之前對工序狀態(tài)的穩(wěn)定性進行了確認， 加工首件或者工藝準備調(diào)試前沒有進行尺寸確認的工件被剔除，盡可能地反映穩(wěn)態(tài)下工序真實地加工水平，保證了后續(xù)數(shù)據(jù)的真實性和可靠性。之后，將以這些數(shù)據(jù)作為依據(jù)，利用 Minitab 軟件對工序的過程能力進行分析，并驗證試驗的可行性。表 3.1 精鏜后缸孔直徑列表加工尺寸（mm）104.127104.153序號工件號1 缸2 缸3 缸4 缸5 缸6 缸1J1（第 1 件）104.1400104.1410104.1410104.1395104.1395104.13902J2（第 20 件）104.1400104.1400104.1410104.1395104.1395104.13953J3104.1395104.1390104.1395104.1395104.1395104.13904J4104.1385104.1385104.1380104.1405104.1405104.13955J5104.1405104.1400104.1405104.1405104.1400104.14006J6104.1420104.1425104.1420104.1430104.1435104.14157J7104.1410104.1415104.1400104.1425104.1430104.14308J8104.1390104.1395104.1405104.1415104.1415104.14159J9104.1385104.1380104.1385104.1400104.1395104.139010J10104.1390104.1385104.1385104.1405104.1400104.140511J11104.1430104.1445104.1435104.1440104.1435104.143512J12104.1425104.1420104.1410104.1400104.1390104.139013J13104.1390104.1390104.1390104.1370104.1375104.137514J14104.1405104.1400104.1405104.1425104.1430104.143515J15104.1395104.1405104.1405104.1420104.1420104.142016J16104.1400104.1405104.1395104.1430104.1435104.143017J17104.1420104.1415104.1415104.1420104.1415104.142018J18104.1420104.1410104.1410104.1395104.1395104.139519J19104.1395104.1400104.1400104.1395104.1385104.138520J20104.1400104.1400104.1405104.1390104.1385104.139021J21104.1395104.1400104.1390104.1410104.1405104.140522J22104.1430104.1425104.1425104.1475104.1475104.147523J23104.1425104.1425104.1420104.1440104.1445104.144024J24104.1430104.1435104.1430104.1425104.1415104.141525J25104.1430104.1420104.1425104.1425104.1420104.142026J26104.1400104.1390104.1390104.1415104.1420104.142027J27104.1390104.1400104.1400104.1400104.1400104.140528J28104.1410104.1410104.1415104.1415104.1420104.142529J29104.1420104.1425104.1425104.1425104.1410104.142530J30（第 580 件）104.1420104.1420104.1420104.1425104.1420104.1420表 3.2珩磨后缸孔直徑列表加工尺寸（mm）104.204-104.229序號工件號1 缸2 缸3 缸4 缸5 缸6 缸1J1（第 1 件）104.2200104.2197104.2185104.2225104.2138104.21382J2（第 20 件）104.2112104.2145104.2143104.2169104.2104104.21433J3104.2189104.2188104.2138104.2147104.2148104.21394J4104.2151104.2151104.2142104.2152104.2144104.21905J5104.2184104.2190104.2140104.2145104.2158104.21946J6104.2174104.2110104.2118104.2121104.2099104.21277J7104.2126104.2136104.2122104.2160104.2115104.21908J8104.2244104.2132104.2135104.2121104.2131104.21409J9104.2177104.2152104.2183104.2141104.2153104.212410J10104.2193104.2195104.2154104.2159104.2152104.212211J11104.2192104.2175104.2153104.2186104.2132104.215312J12104.2169104.2168104.2139104.2215104.2082104.209813J13104.2235104.2134104.2100104.2186104.2071104.211514J14104.2117104.2118104.2147104.2118104.2124104.212415J15104.2188104.2225104.2205104.2209104.2234104.224516J16104.2177104.2213104.2179104.2193104.2128104.214917J17104.2164104.2149104.2207104.2138104.2143104.212418J18104.2139104.2169104.2170104.2207104.2162104.221519J19104.2218104.2238104.2147104.2175104.2138104.219420J20104.2193104.2176104.2166104.2143104.2137104.219921J21104.2199104.2230104.2165104.2203104.2147104.222322J22104.2162104.2181104.2170104.2179104.2169104.215023J23104.2213104.2142104.2205104.2203104.2154104.225324J24104.2154104.2153104.2177104.2189104.2158104.222725J25104.2213104.2180104.2173104.2154104.2165104.216726J26104.2160104.2175104.2204104.226110