汽车发动机缸盖装配工艺分析

　　摘要：

发动机缸盖作为复杂零件，表述繁杂，文章从使用功能角度介绍了缸盖各部位重要程度，分析了缸盖与相关零部件装配关系，指出缸盖机加工艺路线的核心原则，同时阐述了其关键部位的加工方法及注意事项。实践表明，该原则及方法有助于把握缸盖加工关键，灵活编排工艺

　　关键词：：发动机缸盖；装配关系；工艺分析；加工方法

　　引言

随着国民经济的高速发展，人民生活水平日益提高，人们环保意识不断增强，促使汽车行业向环保性、安全性、多品种、优质化及个性化方向发展。发动机是汽车领域技术最密集的关键部件，为了适应汽车行业的发展需要，汽车零部件行业必须全面提升零部件特别是主要零部件。汽车发动机缸盖智能压装在装配时提升效率，能满足不同的装配产品，对提高汽车发动机产品质量提升、降低排放、增加效能具有推动作用。可以说，汽车发动机是汽车的整个心脏，其装配技术是整车装配技术的集中体现。而汽车发动机装配线的工艺流程对产品质量起着决定性的影响。因此，汽车制造厂家为了提高装配质量和生产效率，必须对汽车发动机装配工艺流程的全过程进行分析研究。

　　一、绪论

　　1.选题背景

中国的汽午制造业的生产自动化水平以及信息化水平不断发展。汽车的生产工艺也变得愈加复杂。与此同时，对汽车的质量以及性能的要求也目益提高。发动机是整车部件的重中之重，其质量水平能够最终影响到汽车的整体性能质量。针对发动机缸盖生产线进行系统、全面的质量控制受到工程界越来越多的重视。

　　2.设计内容

发动机是汽车的心脏，因此在装配中必须全面达到工艺标准的质量要求。本文对汽车发动机的组成、装配的要求、工艺、检验及装配的注意事项进行了分析。利用数控技术和现代化传感器技术来实施柔性化生产过程的控制，使得缸盖导管阀门压装装配过程实现全闭环调节，完成缸盖导管阀门的精确定位装配，从而提高压装生产的质量。

　　二、汽车发动机缸盖装配的装配关系

汽车发动机缸盖与发动机的配气和点火等重要性能密不可分。而缸盖作为复杂零件，其表述繁杂，容易使人对其机加工艺摸不着头绪。文章以直列4缸发动机铝合金缸盖为例，明晰了缸盖与相关零件的装配关系、机加工艺核心原则及关键部位加工方法。

　　1.六个外形面

1.1缸体结合面

与缸体结合，此面上有燃烧室。气缸的容积与燃烧室容积的比值称为压缩比，这是发动机性能的重要参数。气缸中被压缩的可燃混合气体在燃烧室内被点火和燃烧，燃烧室容积变小，可能引起爆燃，容积变大，会导致发动机功率不足。一般缸盖的燃烧室都是毛坯面，不需机加工。因此，缸体结合面与燃烧室内毛坯面的位置精度要求相对较严。另外，此面对发动机燃烧室的密封性关系很大，虽然缸体和缸盖中间还有气缸垫，仍对此面的平面度要求较高。

1.2其它各面

罩壳面与主要起防尘及防噪声作用的凸轮罩配合，中间还有气缸垫；进、排气面分别与进、排气歧管相配合，中间有垫片；两侧面主要安装一些控制器及罩壳等装置。这些部位要求均不高。

　　2.各孔系

一般四冲程发动机缸的工作行程是：进气、压缩、做功及排气。缸盖一个重要功能就是给发动机配气，配气机构的工作过程是凸轮轴通过驱动挺杆进而驱动进排气门开启，进排气得以实现。在压缩和做功的2个行程中，进排气门通过挺杆内的弹簧等作用而关闭。

2.1凸轮轴孔系

进排气凸轮轴孔各装一根凸轮轴，而凸轮轴在孔内旋转以驱动挺杆，因此，各挡凸轮轴孔的同轴度要非常好，否则会出现凸轮轴早期磨损、犯卡、甚至无法装配等问题。

2.2阀座导管孔系

阀座与导管位置关系：气门在导管孔内往复运动，同时，气门头必须要与阀座的密封锥面保证良好的配合。因此，阀座和导管孔二者之间的跳动要求非常严，否则会出现燃烧室漏气等严重影响发动机性能的问题。

2.3挺杆孔

装配气门挺杆，以凸轮轴传递来的动力驱动进排气门，挺杆孔与导管孔之间有一定的同轴度要求。

2.4其它

火花塞孔、螺栓孔、螺纹孔、水孔及油孔和其它部件之间没有太紧密的联系，位置要求不高。

　　3装配关系的总结

1）凸轮轴孔系各挡孔间位置关系特别重要；

2）阀座导管孔系之间位置关系特别重要；

3）缸体结合面与燃烧室内毛坯面间位置关系比较重要；

4）挺杆孔与导管孔间位置关系比较重要。其余部位位置精度要求一般。

　　三、汽车发动机缸盖装配的机加工艺

工艺方案的制定主要考虑2方面：1）加工顺序，即先与后、分与合的问题；2）加工方法，即具体的实现手段。

　　1.加工顺序

本着先基准、后其它的机加工原则，首先要考虑的是粗、精基准。

1.1粗基准的选择

要保证缸体结合面与燃烧室内毛坯面的位置，实际上就是要选择一个合理的粗基准。在缸盖的缸体结合面方向，都会留有3个工艺定位台阶，作为粗基准，这个工艺定位台阶与燃烧室位于同一方向，是铸造模具同一个型面形成的，没有分型等铸造工艺误差，因此比较准确，所以必须要用缸盖的缸体结合面方向上的粗基准做为首次定位基准，加工出机加工的精基准。以后的误差，都是用机加工的精基准重复定位而产生的累积误差，相对较小，不会影响压缩比。1.2精基准的选择

缸体结合面和罩壳面比较大，结构上比较适宜做精基准，因此，选择缸体结合面和此面上的2个定位销孔作为第一精基准，罩壳面为第二精基准。

1.3工序组合

这方面对产品位置精度的影响较大，一般来说，按照工件位置精度要求的严格与否，有4种方法可以选择，1）要求不严的，可以分别用不同的基准来定位加工；2）有一定要求的，通过用同一个基准来定位加工；3）要求很严的，通过一次装夹来完成；4）要求极严的，既要一次装夹，又要用一把刀同时加工，由此，可以得出缸盖机加工艺的核心原则。

1.4核心原则

加工顺序方面要求：1）以缸体结合面方向上的毛坯粗基准作首次定位基准；2）凸轮轴孔系一次装夹且用一把刀加工；3）阀座导管孔系一次装夹且用一把刀加工；4）挺杆孔和阀座导管孔系最好一次装加工，对于部分要求不是特别严格的产品，也可以通过调整夹具精度的方式保证位置度；5）其余部位可用不同精基准定位进行加工。

　　2.加工方法

从缸盖各部位的尺寸精度、位置精度、形状精度及光洁度等要求来看，大部分面和孔的各种要求不高，可以通过常规的铣、钻、镗、铰及攻丝方法来实现。但是，存在4个难点，凸轮轴孔系和阀座导管孔系由于产品结构的关系，精度高，要求严，而且长径比过大，如果用常规的加工方法，即使一次装夹加工，也很难保证要求。缸体结合面由于平面度要求较高，面积较大，也有一定难度。另外，为适应现代加工高效生产的要求，也需要有相应的解决方法。

2.1凸轮轴孔系

以直列4缸1.0L铝合金缸盖为例，凸轮轴孔的精度要求，如表1所示：

　　加工难点：孔系很长。如果通过工作台回转掉头加工，转台回转误差和机床重复定位误差很难消除，另外还包括操作者设定加工座标系的人为误差，即使掉头加工，刀具仍然很长，也无法稳定保证同轴度要求。而一头加工，刀具的长径比约为20，用常规的镗和铰方法更是无法实现。

加工方法：1）在专机上用线镗刀加工，通过在专机上增加支撑导套来解决刀具过长的问题，线镗刀正、反走刀来实现半精和精加工，保证了同轴度。此法效率较高，但通用性差，在柔性设备上实现比较困难。

2）在加工中心使用枪铰加工，如图3-1所示：

图3-1枪铰加工图

枪铰工艺分为2把铰刀加工，一把是导引铰，另一把是枪铰。导引铰比较短，刚性好，刀体前部一般有一个可调式铰刀片；枪铰很长，前部有2个可调式铰刀片，前后各一个，其中第1个刀片加工直径尺寸与导引铰尺寸一致，第2个刀片是成品尺寸，刀片之后是3根金属陶瓷导向条，一直延伸到刀体柄部。如：导引铰刀片做成Ф22.7，枪铰第1刀片尺寸也为Ф22.7，第2刀片尺寸为Ф23H7。加工时，首先用导引铰加工出一挡凸轮轴孔，用此孔做为枪铰的第1刀片的支撑导向孔，第2刀片进行切削，以保证加工稳定。枪铰精加工第2挡孔时，用加工好的第1挡孔作为枪铰刀体上3根金属陶瓷导向条的支撑孔，刀具旋转时，切削液会在导向条与已加工凸轮轴孔之间形成一层油膜，对刀体起到支撑作用，从而保证切削稳定。以后3挡凸轮轴孔同理。这样，通过刀具自定位的方法，解决了刀具刚性不足的问题，同时也充分保证了各挡凸轮轴孔之间的同轴度。由于此法加工精度高，对工装要求低，可以在柔性加工中心使用，通用性很强，因此被越来越多的厂家所接受。

2.2阀座导管孔系

以直列4缸1.0L缸盖为例，其阀座导管孔隙精度要求，如表2所示：

加工难点：从尺寸数据来看，导管孔长径比很大，同时产品结构很紧凑，要保证阀座相对导管的跳动以及导管的直线度难度很大。

加工方法：现在比较可靠的方法是复合枪铰。加工导管的原理与凸轮轴孔相似，也是采用先导引铰后精铰的方法来保证导管孔直线度。加工阀座采用CBN锪刀锪平阀座孔与气门配合的密封锥面。另外，将阀座刀具与导管刀具复合，不必换刀可实现二者同时加工，从而消除了机床重复定位误差工，更稳定的保证跳动精度。

2.3缸体结合面

加工难点：此面平面度要求较高，一般为0.05mm，型面较大，以1.0L小排量缸体为例，外形也有155mm×430mm。如果采用分刀铣，会有接刀痕；如果一刀过，铣刀盘直径至少需要200mm，仅铣刀盘的质量就要10kg。同时与这样的铣刀盘配套的刀柄也必须比较大，HSK-A100的刀柄也达到7kg。这样的刀具质量，一方面对于目前比较流行的铝合金材料缸盖来说，大大限制了铣削切削速度的提高，严重影响了生产效率。对于更大排量的缸盖而言，对于加工中心的换刀系统也是一个考验，甚至要选用大规格的机床才能解决可靠的换刀和主轴抓刀。

解决方法：现在可以通过使用铝合金铣刀盘，来减少刀具质量，从而缓解上述问题。铝合金刀盘减重约70%，大大提高了加工工艺性。对于铝合金缸盖的加工，刀具减重使得采用更高效刀具材料成为可能。

2.4高效加工

对于生产纲领较大的产品，高效无疑是客户追求的目标。1）缩短基本加工时间。主要体现在刀具方面，可以通过采用高速加工刀具材料实现，如：金刚石（PCD）刀具（PCD面铣刀切削速度可达3000～4000m/min）和CBN刀具等；也可以采用新型的刀具结构来实现，如：铝合金加工四刃钻头、直槽钻以及复合刀具等。2）缩短辅助时间。选用现代高速加工机床，采用线性导轨及直线电机等技术来节省空行程时间，可以选用配有交换工作台的机床使基本时间与加工时间相重叠，甚至选用柔性加工单元等。

　　四、汽车发动机缸盖装配工艺的注意事项

　　1.罩壳面和缸体结合面之间的距离尺寸要求不必太严。

从装配角度看，罩壳面装配一个罩壳，与其它零件也不发生太多关联，因此罩壳面的位置要求不必太严。实际上这个问题的由来，是由于罩壳面与凸轮轴孔中心线很多时候位于一个平面上，对这2个尺寸有所混淆。凸轮轴孔与缸体结合面之间对距离有要求，一般为±0.05mm，这是因为，在配气机构当中，阀座与凸轮轴孔系间有一定的位置要求，二者之间的距离对气门行程及气门间隙等参数有所影响，所以比较重要，但是又没有达到必须一次装夹的程度。缸体结合面是加工凸轮轴孔和阀座孔的工艺基准，因此，二者对缸体结合面都有一个要求。

　　2.注意易磕碰部位

在大批量生产中，特别是分序比较多的场合，工序间移工比较多，很容易造成工件磕碰过多，影响产品质量。对此，除了加强管理之外，在工艺方面，对于重要部位，特别是易磕碰部位，尽量放在生产线末端进行精加工。比如，缸体结合面对于装配十分重要，在加工中，它是重要的工艺基准，需要用它来定位，另外，在精加工前还要经历导管、阀座及压盖等零件的装配过程，很可能造成表面磕碰。因此为避免此类现象发生，最好在线首时将此面留少许加工余量，在线尾进行精加工，这样就最大限度的保证了外观质量。

　　五、汽车发动机缸盖装配工艺的实例

2007年，国内某汽车主机厂拟招标引进一条1.0L铝合金缸盖生产线，生产纲领26万件/年，生产节拍69s。该项目竞标时，充分把握缸盖的机加工艺核心原则，对于要求必须一次装夹完成的加工内容选用卧加。而其它不重要的位置选用立加，按节拍平衡等因素进行任意组合。因此，不但使得每道工序作业内容专业化，产品质量稳定，而且调整方便，对操作者技术水平要求较低。更重要的是，该方案比其它厂家的全卧加方案减少投资30%。

　　六、总结

文章通过对缸盖及其相关零部件装配关系的分析，从使用功能上理清了缸盖各部位的重要程度，进而明确了缸盖机加工艺的核心环节，并对其中关键部位的加工方法进行了研究。有助于化繁为简，把握关键，按照不同的设备状况、现场条件及产量多少等外在条件，灵活编排合理的机加工艺，同时也理清了关键部位加工方法的原理。

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