頁共35頁1緒論隨著我國經(jīng)濟(jì)蓬勃向前發(fā)展，汽車工業(yè)也實現(xiàn)了增長，各大汽車制造商在提升車輛品質(zhì)性能之際，不斷探索優(yōu)化發(fā)動機(jī)部件制造工藝，以此提高發(fā)動機(jī)效能，缸體是汽車發(fā)動機(jī)核心組件，其加工難點主要是缸孔精密制作，缸孔加工技術(shù)選擇要慎重，在乘用車發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，因?qū)Ω卓拙纫髽O高，這會直接影響發(fā)動機(jī)運行穩(wěn)定性。保證缸孔加工精度是保障發(fā)動機(jī)整體性能的關(guān)鍵所在。課題研究的目的及意義汽車的性能以及使用壽命在相當(dāng)程度上依賴于其核心部件也就是發(fā)動機(jī)的質(zhì)量，發(fā)動機(jī)缸體的缸孔精度和表面質(zhì)量是決定發(fā)動機(jī)效能以及耐久性的關(guān)鍵要點，深入研究汽車發(fā)動機(jī)缸體的缸孔加工技術(shù)，對提升發(fā)動機(jī)整體性能有著極為關(guān)鍵的意義，鑒于缸孔直徑規(guī)模較大且位置精度要求嚴(yán)格，業(yè)界一般采用鏜削與珩磨相結(jié)合的先進(jìn)工藝來進(jìn)行加工。分析增程式混動發(fā)動機(jī)的缸體缸孔設(shè)計策略，對提升汽車引擎整體效能有作用，像優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換效率，降低內(nèi)部摩擦與磨損，精確調(diào)控的缸孔尺寸和形態(tài)能保證發(fā)動機(jī)工作時均勻散熱，提高運行穩(wěn)定性，這項研究符合當(dāng)代發(fā)動機(jī)技術(shù)革新需求，順應(yīng)輕量化設(shè)計潮流，還提升了混合動力車輛的系統(tǒng)兼容性，在經(jīng)濟(jì)價值和產(chǎn)業(yè)競爭方面產(chǎn)生積極影響。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)研究現(xiàn)狀中國汽車工業(yè)不斷發(fā)展進(jìn)步，已經(jīng)逐漸成為全球較大的汽車生產(chǎn)和出口國之一，然而國內(nèi)汽車制造技術(shù)實力同發(fā)達(dá)國家相比仍存在一定差距，在核心組件的精密加工技術(shù)方面，像氣缸體、氣缸蓋、曲軸、活塞以及連桿等。近些年來，大連機(jī)床集團(tuán)成功研制出精鏜缸孔以及精車止口的數(shù)控專機(jī)，并且投入市場進(jìn)行運營，之后又創(chuàng)新性地推出國內(nèi)首個用于精銑缸體頂面的數(shù)控機(jī)床自動生產(chǎn)線，其加工精度可與國際先進(jìn)水平相媲美[1]。國內(nèi)汽車制造商越來越認(rèn)識到發(fā)動機(jī)缸體孔加工的關(guān)鍵性，紛紛引進(jìn)國外先進(jìn)的數(shù)控設(shè)備以及精密專用機(jī)床，以此來契合高精度加工的需要，在技術(shù)革新上，國內(nèi)企業(yè)積極開展探索，比如應(yīng)用高剛度精密鏜桿、精密鏜頭以及先進(jìn)的檢測技術(shù)，切實提高了加工精度與生產(chǎn)效率，目前我國發(fā)動機(jī)缸體和缸蓋的制造大多采用單機(jī)作業(yè)、自動化生產(chǎn)線或者是剛性與柔性生產(chǎn)線相結(jié)合的生產(chǎn)模式，部分領(lǐng)先企業(yè)已經(jīng)采用柔性加工自動線，達(dá)成了缸體缸蓋加工的高效、高精度以及自動化[2]。國內(nèi)發(fā)動機(jī)缸體制造技術(shù)當(dāng)下存在一些挑戰(zhàn)，其一國產(chǎn)加工中心在精度持久性方面、誤差補(bǔ)償技術(shù)方面以及高速高精機(jī)床的動態(tài)性能測評技術(shù)方面，以及進(jìn)步的余地，其二像缸孔的珩磨和精鏜這類關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，國內(nèi)還是更愿意采用進(jìn)口設(shè)備或者專用設(shè)備，其三國內(nèi)主流加工中心和珩磨機(jī)制造商的設(shè)備動態(tài)加工精度以及穩(wěn)定性，跟國際領(lǐng)先水平相比較，是有差距的。另外加工工藝的優(yōu)化、刀具選擇與磨損管理等領(lǐng)域，也需要改進(jìn)，因為發(fā)動機(jī)性能標(biāo)準(zhǔn)在持續(xù)提高，缸體缸孔所用材料的性能要求也跟著提高了[3]。1.2.2國外研究現(xiàn)狀在發(fā)動機(jī)缸體缸孔加工方面，國外的發(fā)展現(xiàn)狀呈現(xiàn)出高度自動化、精密化和智能化的特點。國外汽車制造業(yè)起步較早，生產(chǎn)水平較高，有很大的技術(shù)優(yōu)勢。目前，國外汽油發(fā)動機(jī)的缸體、缸蓋加工已完全采用柔性生產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)的柔性化、高速化、高精化和智能化，缸體、缸蓋大平面加工采用高速銑削，生產(chǎn)效率顯著提高[4]。在加工精度方面，國外發(fā)動機(jī)缸體缸孔的加工精度要求非常高。大平面加工的平面度和表面粗糙度、孔的加工精度和表面粗糙度、圓柱度以及特殊要求如缸體缸孔止口深度公差、缸蓋閥座錐面對導(dǎo)管孔中心線的跳動等，都有嚴(yán)格的數(shù)值規(guī)定[5]。20世紀(jì)90年代之后，隨著數(shù)控機(jī)床制造技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，制造了一大批高速專用機(jī)床與加工中心等先進(jìn)機(jī)床，這些先進(jìn)機(jī)床被廣泛應(yīng)用到缸體等加工生產(chǎn)線中，提出了敏捷柔性自動生產(chǎn)線的概念[6]。德國HUELLER-HILLE公司研發(fā)的V6、V8及V10的發(fā)動機(jī)缸體敏捷柔性自動加工生產(chǎn)線就是最好的代表，將缸體生產(chǎn)節(jié)拍減至90秒[7]。國外發(fā)動機(jī)缸體加工也存在一些技術(shù)難題：高精度加工要求，缸體缸孔的高精度加工是制約提高發(fā)動機(jī)品質(zhì)的難題。國外雖然擁有先進(jìn)的加工中心和珩磨機(jī)，但在確保缸孔直徑、圓柱度、表面粗糙度等關(guān)鍵參數(shù)的一致性方面，仍存在挑戰(zhàn)。硬質(zhì)合金刀具和CBN刀具雖然具有較高的加工精度和壽命，但成本也相對較高，且在某些特定材料上可能無法發(fā)揮最佳效果；熱變形與尺寸穩(wěn)定性：在加工過程中，由于切削熱和工件內(nèi)部應(yīng)力的影響，缸體缸孔容易發(fā)生熱變形，導(dǎo)致尺寸穩(wěn)定性難以保證。課題主要研究內(nèi)容（1）查找和閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，了解發(fā)動機(jī)缸體缸孔加工的操作流程。（2）對增程式發(fā)動機(jī)缸體缸孔加工的主要內(nèi)容有研究缸體缸孔加工過程中的鏜削和珩磨加工工藝的選擇，提高加工效率和精度。包括選擇合適的加工機(jī)床、刀具和切削參數(shù)，以及適合的加工順序。（3）對缸體缸孔加工中需要選擇合適的加工基準(zhǔn)，并對其切削力進(jìn)行計算。選擇適合的夾具油缸，需要設(shè)計專用的夾具并對其夾緊力進(jìn)行計算。（4）缸體缸孔的高精度加工是發(fā)動機(jī)制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，內(nèi)容包括怎樣提高加工精度和表面質(zhì)量，如采用精密鏜削、珩磨等工藝，以及控制加工過程中的工件變形和振動等，控制刀具的磨損情況。技術(shù)路線如下圖1.1所示。圖1.1技術(shù)路線圖2產(chǎn)品圖分析 2.1缸孔的功用缸孔是活塞做功運動的空間，是汽車發(fā)動機(jī)提供動力的能量轉(zhuǎn)換部位?；钊诟卓字凶龉Ξa(chǎn)生往復(fù)運動，在往復(fù)運動中改變缸孔中氣體容積來實現(xiàn)進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣四個沖程[8]。在發(fā)動機(jī)工作過程中，汽油與空氣在缸孔中混合燃燒，可以產(chǎn)生高壓的燃?xì)?，推動活塞在缸孔中運動，為汽車提供動力[9]。從而缸孔的密封性對發(fā)動機(jī)的功率和排放有著重要影響。發(fā)動機(jī)缸孔與冷卻系統(tǒng)相連，可以通過冷卻液對缸孔進(jìn)行散熱，使發(fā)動機(jī)總可以保持正常的工作溫度。缸孔壁還需要潤滑，減少活塞在往復(fù)運動中與缸孔的摩擦和磨損，從而提高發(fā)動機(jī)的可靠性[10]。缸孔還是發(fā)動機(jī)不可或缺的部分，功用主要包括活塞運動、密封、燃燒、冷卻和潤滑等方面。所以在發(fā)動機(jī)缸孔加工和生產(chǎn)過程中，需要嚴(yán)格控制缸孔的尺寸精度、表面質(zhì)量等相關(guān)參數(shù)，提高發(fā)動機(jī)工作效率和工作可靠性。缸孔的特點如下表2.1所示。表2.1缸孔的特點工藝環(huán)節(jié)鑄鐵缸孔特點粗鏜需更高主軸扭矩（抗切屑力）精鏜使用CBN刀具（耐磨）珩磨需控制石墨脫落（油石粒度更粗）熱變形控制需延長冷卻時間（導(dǎo)熱性差）2.2缸孔的尺寸及技術(shù)要求發(fā)動機(jī)缸孔的孔徑精度要求極高，一般為IT6-IT7級[11]。此次直列式四缸發(fā)動機(jī)直徑是74.5mm，公差范圍在。這是因為活塞與缸孔之間需要精確的配合，過大或過小的孔徑都會影響發(fā)動機(jī)的動力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。精確的孔徑尺寸可以保證活塞在缸孔內(nèi)的密封性，減少漏氣現(xiàn)象，從而提高發(fā)動機(jī)的功率輸出和降低油耗。3缸孔加工方案對比選擇3.1鏜削專機(jī)加工方案缸孔鏜削專機(jī)的核心在于高剛性結(jié)構(gòu)、精密刀具、智能化控制三者的結(jié)合。通過優(yōu)化切削參數(shù)、集成在線檢測、引入自動化技術(shù)，可顯著提升加工效率與一致性，滿足發(fā)動機(jī)缸孔的高精度要求。專機(jī)鏜削加工步驟如下表3.1所示。表3.1專機(jī)鏜削加工步驟加工步驟具體內(nèi)容加工前的準(zhǔn)備根據(jù)加工要求選擇適合的工件，并挑選合適的鏜削刀具。工件安裝與定位設(shè)計合適的夾具和定位裝置，以保證加工過程中的工件保持準(zhǔn)確位置。機(jī)床調(diào)整與刀具設(shè)置依據(jù)加工工件的尺寸要求，對工件設(shè)置正確的加工位置。刀具設(shè)置調(diào)整刀具的進(jìn)給量、切削速度和切削深度等參數(shù)，適應(yīng)不同加工階段和要求。粗加工首先進(jìn)行粗加工，以去除工件上的大部分余量。在粗加工階段，可以使用較大的進(jìn)給量和切削深度。半精加工精加工的主要目的是進(jìn)一步去除余量，并提高工件的形狀精度。精加工進(jìn)行精加工，以達(dá)到最終的加工精度和表面質(zhì)量要求。加工后處理加工完成后，清洗工件以去除切削液、切屑等雜質(zhì)。3.2鏜削通用加工中心加工方案使用通用加工中心對缸體缸孔進(jìn)行加工時，首先要根據(jù)工件材料、加工尺寸和精度要求選擇合適的鏜刀。需要考慮刀具的材質(zhì)、刃數(shù)、直徑等因素，以確保刀具的切削性能和耐用度。之后需要對專用夾具進(jìn)行設(shè)計，使工件可以保持正確位置。按照加工圖紙的要求進(jìn)行機(jī)床編程12]。在加工過程中，用專用夾具穩(wěn)定工件，保證工件的加工位置，可以使用百分表對工件進(jìn)行找正，保證工件在加工過程中的精度。在缸孔粗鏜中，選擇合適的切削參數(shù)，達(dá)到去除較多余量的作用。粗鏜后進(jìn)行半精鏜，可以達(dá)到提高缸孔的加工精度。缸孔半精鏜加工時要選擇適合的切削參數(shù)，從而減小切屑力和切削溫度，提高其加工精度。之后經(jīng)過精鏜加工使缸孔達(dá)到最終的加工要求。鏜削通用加工中心在加工時需要根據(jù)具體情況來進(jìn)行過程設(shè)計，包括圖紙分析、刀具選擇、夾具設(shè)計、編程準(zhǔn)備、加工過程和加工后處理等環(huán)節(jié)。在加工過程中，要注意刀具的切削力和切削溫度，避免刀具損壞和工件變形。3.3結(jié)論3.3.1專機(jī)在缸孔加工中的優(yōu)勢專機(jī)是為專門的缸孔加工設(shè)計的，其機(jī)械結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。與通用機(jī)床相比，在缸孔加工中可以實現(xiàn)更高的加工精度，一般能夠?qū)A柱度誤差準(zhǔn)確控制在0.003-0.005mm以內(nèi)，保證缸孔的形狀[13]。專機(jī)還配備了高精度的定位裝置，例如高精度的線性導(dǎo)軌和滾珠絲杠等，使用這些部件能夠?qū)崿F(xiàn)精確的刀具定位，使其定位精度可以達(dá)到0.005mm左右，有助于保證缸孔的中心位置的加工精度，使得同一缸體上的多個缸孔之間的中心距精度也能得到很好的控制。專機(jī)通常具有較高的自動化水平，特別是在大批量生產(chǎn)缸孔時優(yōu)勢明顯。它可以自動完成刀具的更換、工件的夾緊和松開等操作。而且專機(jī)的加工流程是根據(jù)缸孔加工的特定工序進(jìn)行定制的。它可以實現(xiàn)從缸孔的粗鏜、半精鏜到精鏜等一系列工序的高效銜接。由于專機(jī)是針對缸孔加工進(jìn)行優(yōu)化的，其主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度等參數(shù)都可以根據(jù)缸孔的材料和尺寸進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)定。在保證加工精度的前提下，專機(jī)的加工速度比通用機(jī)床更快。3.3.2通用加工中心在缸孔加工中的優(yōu)勢通用加工中心可以進(jìn)行多種加工操作，能夠滿足缸孔加工的不同工序需求。通用加工中心可以更換不同的刀具和夾具，對不同尺寸和不同精度缸孔的加工。其還具有高精度的定位和運動控制系統(tǒng)，能夠保證缸孔加工位置精度，采用更完善的刀具和切削參數(shù)，使缸孔表面精度更高。使用通用加工中心可以實現(xiàn)自動化連續(xù)加工，設(shè)定好加工程序后，加工中心可以自動完成缸孔的粗加工、半精加工和精加工等一系列工序，不需要人工的干預(yù)。通用加工中心還配備了高精度的數(shù)控系統(tǒng)和精密的傳動部件，能夠精確控制刀具的運動軌跡，使缸孔的中心位置精度可以達(dá)到微米級。加工中心的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)能夠保證在相同缸孔加工中尺寸和精度的一致性，其重復(fù)定位精度通?？梢赃_(dá)到0.005mm左右[14]。通過對專機(jī)在缸孔加工中的優(yōu)勢和通用加工中心在缸孔加工中的優(yōu)勢進(jìn)行比較，最終選擇通用加工中心對缸孔進(jìn)行加工。4加工工藝規(guī)程設(shè)計發(fā)動機(jī)缸體的缸孔制造工藝對于精度有著十分嚴(yán)格的要求，其加工過程會受到多種不同因素的影響，當(dāng)前有一些汽車生產(chǎn)商在制造發(fā)動機(jī)的時候，依靠外部供應(yīng)商提供的技術(shù)指導(dǎo)來挑選砂條以及設(shè)定工藝參數(shù)，雖然已經(jīng)有了一些關(guān)于加工參數(shù)和質(zhì)量之間的經(jīng)驗聯(lián)系，可是對于這種復(fù)雜關(guān)系的多維度認(rèn)識還不夠全面，這就導(dǎo)致在面對發(fā)動機(jī)缸體缸孔加工過程中出現(xiàn)的問題時很難找到有效的解決辦法，對生產(chǎn)量產(chǎn)生了影響。為了提高加工質(zhì)量并且優(yōu)化發(fā)動機(jī)制造工藝，需要對缸孔加工的工藝流程進(jìn)行深入分析，制定相關(guān)的技術(shù)策略，以此來提高加工效率，真正解決生產(chǎn)實際當(dāng)中的難題。4.1工藝路線的選擇發(fā)動機(jī)的上缸體壁厚與下缸體壁厚存在不均勻的情況，內(nèi)孔直徑也有較為十分突出的差異，這樣的狀況在加工過程當(dāng)中大多時候會引發(fā)裝夾變形的問題，而裝夾變形又會造成后續(xù)工序出現(xiàn)定位偏差，考慮到活塞在氣缸內(nèi)部會反復(fù)進(jìn)行運動，活塞環(huán)與缸套出現(xiàn)磨損現(xiàn)象是難以避免的，活塞在加工時由于往復(fù)運動所產(chǎn)生的影響，有可能致使切削溫度有所升高，并且刀具磨損的情況也會加劇。合理選擇缸體缸孔的加工工藝流程是非常關(guān)鍵的。4.1.1粗鏜粗鏜是缸孔加工中的一個重要工序，主要用于對發(fā)動機(jī)缸體缸孔進(jìn)行初步的鏜削加工。其加工目的是在鑄造或鍛造的缸體毛坯上會有較多的多余材料，粗鏜是快速去除這些余量，使缸孔的尺寸開始接近最終尺寸，為之后的精加工（如精鏜、珩磨等）留出合適的加工余量。毛坯缸孔還可能存在形狀誤差，例如圓柱度偏差、圓度偏差等，粗鏜還可以對缸孔的形狀進(jìn)行初步修正，使缸孔的圓柱度和圓度得到改善，減少后續(xù)精加工的工作量，有助于提高缸孔的精度。粗鏜的加工設(shè)備與刀具，通常選擇鏜床完成缸孔粗鏜，常見鏜床包括臥式鏜床和立式鏜床。臥式鏜床適用于加工大中型缸體，它可以對缸孔的軸向和徑向尺寸進(jìn)行精確加工，并且能夠保證較好的加工精度[15]。立式鏜床則在一些小型缸體加工有所應(yīng)用。對于缸體高度較低、直徑較大的發(fā)動機(jī)加工，使用立式鏜床可以更方便地進(jìn)行裝夾和加工。在現(xiàn)代加工中，也會使用加工中心進(jìn)行缸孔粗鏜。加工中心具有更高的自動化程度，能夠更好地滿足高精度缸孔粗鏜的要求。鏜削缸套毛坯圖如下圖4.1所示。圖4.1鏜削缸套毛坯圖發(fā)動機(jī)缸體缸孔粗鏜加工參數(shù)選擇：直列四缸發(fā)動機(jī)缸體缸孔粗鏜加工的具體切削參數(shù)推薦值及實際取值如下表4.1所示。表4.1缸孔粗鏜加工的具體切削參數(shù)推薦值及實際取值參數(shù)推薦范圍實際取值取值邏輯切削速度（vc）80~150m/min120m/min中等速度平衡刀具壽命與效率，避免過高速度導(dǎo)致刀具快速磨損。進(jìn)給量（f）0.15~0.3m/min0.225m/min中等進(jìn)給確保排屑順暢，避免振刀（缸孔長徑比約4–5時適用）。切削深度（ap）2~5mm(單邊)5mm(單邊)毛坯單邊余量5mm，分2刀完成（第一刀2.5mm，第二刀2.5mm）。余量預(yù)留0.5~1.5mm(單邊)0.5mm(單邊)為后續(xù)半精鏜留足夠余量，避免熱變形影響。轉(zhuǎn)速計算：（4-1）4.1.2半精鏜半精鏜相比粗鏜可以進(jìn)一步提高缸孔精度，可以為精鏜做好準(zhǔn)備。半精鏜可以實現(xiàn)在粗鏜之后進(jìn)一步縮小加工公差，控制缸孔的加工精度。還可以實現(xiàn)改善缸孔的圓柱度，使圓柱度誤差保持在0.05-0.1mm以內(nèi)，為精鏜提供完整的缸孔形狀。半精鏜還可以控制加工余量。粗鏜之后，缸孔表面加工余量還不均勻，通過半精鏜控制切削路徑和參數(shù)，可以實現(xiàn)余量的均勻化，確保在精鏜時刀具的切屑力更均勻，提高缸孔的加工精度。半精鏜加工設(shè)備選擇，半精鏜也可以選擇鏜床或加工中心。和粗鏜相比，其對鏜床的加工精度要求更高，特別是在軸向和徑向的精度上。直列四缸發(fā)動機(jī)缸體缸孔半精鏜加工的具體切削參數(shù)推薦值及實際取值如下表4.2所示。表4.2缸孔半精鏜加工的具體切削參數(shù)推薦值參數(shù)推薦范圍實際取值取值邏輯切削速度（vc）100~180m/min150m/min較粗鏜略高，利用涂層刀具耐磨性提升表面質(zhì)量。進(jìn)給量（f）0.08~0.85m/min0.8m/min降低進(jìn)給減小切削力，抑制振動，提高尺寸穩(wěn)定。性。切削深度（ap）0.4~1.5mm(單邊)0.4mm(單邊)去除粗鏜后單邊余量0.2mm（總余量0.4mm），單刀完成。余量預(yù)留0.1~0.3mm(單邊)0.2mm(單邊)精鏜前需保證余量均勻，避免變形影響最終尺寸。轉(zhuǎn)速計算：（4-2）4.1.3精鏜缸孔精鏜會影響缸孔的加工質(zhì)量，會影響發(fā)動機(jī)的性能。精鏜可以使缸孔加工尺寸保持在較高的精度，在精鏜之后，缸孔的尺寸能達(dá)到技術(shù)要求，可以使活塞在缸孔中穩(wěn)定做功，減少活塞與缸孔之間的磨損，從而延長發(fā)動機(jī)的使用壽命。精鏜加工設(shè)備的選擇，包括數(shù)控鏜床或精密鏜床。其具有較高的定位重復(fù)定位精度。在現(xiàn)階段中，加工中心也被用于缸孔精鏜。其配備的高精度滾珠絲杠、線性導(dǎo)軌等，能夠可以實現(xiàn)高精度加工。此外，加工中心還可以精確控制切削參數(shù)從而實現(xiàn)缸孔精鏜自動化。直列四缸發(fā)動機(jī)缸體缸孔精鏜加工的具體切削參數(shù)推薦值及實際取值如下表4.3所示。表4.3缸孔精鏜加工的具體切削參數(shù)推薦值及實際取值參數(shù)推薦范圍實際取值取值邏輯切削速度（vc）150~250m/min200m/min較高速度提升表面質(zhì)量，避免積屑瘤（需涂層硬質(zhì)合金刀具）。進(jìn)給量（f）0.08~0.85m/min0.08m/min極低進(jìn)給減少切削振動，確保表面光潔度（Ra≤3.2μm）。切削深度（ap）0.1~0.3mm(單邊)0.1mm(單邊)去除半精鏜后單邊余量0.1mm，單刀完成（總余量0.2mm）。余量預(yù)留0.02~0.1mm(單邊)0.05(單邊)僅用于修正幾何誤差，余量極小。轉(zhuǎn)速計算：（4-3）4.1.4粗珩磨粗珩磨可以去除缸孔在前期加工（鏜孔）后留下的較大余量，使缸孔尺寸更接近最終尺寸要求，還可以改善缸孔的圓柱度，降低缸孔表面的粗糙度。其加工目的是在缸孔進(jìn)行鏜孔加工后，其尺寸精度和表面質(zhì)量還不能滿足生產(chǎn)要求，粗珩磨能夠有效去除這些加工留下的較大余量。粗珩磨還可以將這些余量去除到合適的范圍，為之后精珩磨工序做準(zhǔn)備。粗珩磨通過珩磨條與缸孔表面的相對運動，磨料顆粒對缸孔表面進(jìn)行磨削，可以將這些明顯的缺陷磨平。使缸孔表面質(zhì)量得到初步改善，為后續(xù)精珩磨達(dá)到更高的表面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提供良好的基礎(chǔ)[16]。粗珩磨的加工設(shè)備的選擇，用于缸孔粗珩磨的機(jī)床有多種類型，常見的有立式珩磨機(jī)床和臥式珩磨機(jī)床。粗珩磨機(jī)床類型及優(yōu)點如下表4.4所示。表4.4粗珩磨機(jī)床類型及優(yōu)點機(jī)床類型優(yōu)點適用立式珩磨機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊適合中小型缸體的加工臥式珩磨機(jī)床加工過程中缸體的穩(wěn)定性更好適用于大型缸體本文粗珩磨使用粗粒度（100目）的碳化硅或氧化鋁砂條，增強(qiáng)切削力，但需避免角度過大導(dǎo)致網(wǎng)紋過深。4.1.5精珩磨精珩磨是將缸體缸孔加工到最終的技術(shù)要求。在粗珩磨之后，其可以去除多余的加工余量，保證缸孔的直徑達(dá)到生產(chǎn)要求。采用精確的加工設(shè)備并對其加工工藝進(jìn)行控制，缸孔的尺寸誤差可以被控制在極小的范圍內(nèi)。粗珩磨之后，發(fā)動機(jī)缸體缸孔的尺寸已接近最終的加工要求，但其可能還存在一定的誤差。通過精珩磨可以減小誤差，提高其加工精度。精珩磨加工設(shè)備的選擇，需要采用高精度的珩磨機(jī)床。為立式精珩磨機(jī)床和臥式精珩磨機(jī)床。其通常具有極高的加工精度，機(jī)床主軸的徑向和軸向跳動可以限制在極小的范圍內(nèi)，能夠保證珩磨頭在加工過程中的高精度運動。精珩磨機(jī)床類型及優(yōu)點如下表4.5所示。表4.5精珩磨機(jī)床類型及優(yōu)點機(jī)床類型優(yōu)點適用立式精珩磨機(jī)床精度控制高適合大批量高精度孔加工需求臥式精珩磨機(jī)床缸體水平裝夾，深孔加工穩(wěn)定性高適合大批量深孔、高難度材料缸孔加工本文精珩磨使用粗粒度（600目）的立方氮化硼（CBN）磨條，CBN磨條可以在保證高精度加工的同時，有效地抵抗磨損和化學(xué)侵蝕[17]。發(fā)動機(jī)缸體缸孔精珩磨加工要求如下表4.6所示。表4.6缸孔精珩磨加工要求要求內(nèi)容高精度要求尺寸公差：孔徑公差需達(dá)到IT6~IT7級；表面粗糙度：Ra0.1~0.4μm，需形成均勻交叉網(wǎng)紋（夾角40°~60°）；功能性要求儲油能力：交叉網(wǎng)紋深度1~3μm；耐磨性：需消除加工硬化層，避免拉缸；4.2珩磨角的確定珩磨角在發(fā)動機(jī)缸體缸孔加工中發(fā)揮著重要作用，珩磨角形成的交叉網(wǎng)紋，在缸孔表面形成微小凹槽，能夠儲存潤滑油。當(dāng)活塞環(huán)與缸壁相對運動時，這些凹槽持續(xù)釋放油膜，減少金屬間的直接接觸。珩磨角的計算公式：（4-4）查表得發(fā)動機(jī)缸體缸孔珩磨加工的珩磨刀往復(fù)速度和旋轉(zhuǎn)速度。粗珩磨刀往復(fù)速度和旋轉(zhuǎn)速度如下表4.7所示。精珩磨刀往復(fù)速度和旋轉(zhuǎn)速度如下表4.8所示。表4.7粗珩磨刀往復(fù)速度和旋轉(zhuǎn)速度參數(shù)鑄鐵缸體鋁合金缸體旋轉(zhuǎn)速度150~300RPM200~400RPM往復(fù)速度12~30m/min10~25m/min珩磨角30°~50°25°~45°表4.8精珩磨刀往復(fù)速度和旋轉(zhuǎn)速度參數(shù)鑄鐵缸體鋁合金缸體旋轉(zhuǎn)速度300~600RPM400~800RPM往復(fù)速度5~18m/min3~10m/min珩磨角25°~40°20°~35°本次加工發(fā)動機(jī)缸體材料為鑄鐵，所以粗珩磨角和精珩磨角為：（4-5）旋轉(zhuǎn)速度：200RPM，往復(fù)速度：18m/min（4-6）旋轉(zhuǎn)速度：450RPM，往復(fù)速度：13.5m/min珩磨加工工藝如下表4.9所示。表4.9珩磨加工工藝旋轉(zhuǎn)速度往復(fù)速度網(wǎng)紋角度粗珩磨200RPM18m/min45°精珩磨450RPM13.5m/min30°4.2切削余量的計算缸孔加工余量的計算主要與缸孔加工的設(shè)計尺寸、加工工藝、缸孔的最終加工要求相聯(lián)系。對于發(fā)動機(jī)缸孔加工，其余量通常分為側(cè)向余量和圓周余量。側(cè)向和圓周余量如下表4.10所示。表4.10側(cè)向余量與圓周余量余量余量解釋計算公式側(cè)向余量指氣缸內(nèi)徑的額定尺寸減去加工后的實際孔徑氣缸內(nèi)徑的額定尺寸-加工后孔徑圓周余量指活塞直徑的額定尺寸減去加工后的實際孔徑活塞直徑的額定尺寸-加工后孔徑本次直列四缸發(fā)動機(jī)的缸孔設(shè)計要求為mm,表面粗糙度Ra值為3.2μm，缸體毛坯為鑄鐵（FeCSiMn），選擇的加工工藝路線為：毛坯—粗鏜—半精鏜—精鏜—粗珩磨—精珩磨。之后需要查表確定毛坯總余量及其公差，工序順序以及工序的加工精度，工序尺寸。加工工序基本尺寸如下表4.11所示。表4.11加工工序基本尺寸工序名稱工序余量工序的加工精度工序尺寸毛坯7±1.2粗鏜2H13半精鏜1.5H11精鏜0.5H9粗珩磨0.01H7精珩磨0.016H54.3加工基準(zhǔn)的選擇?發(fā)動機(jī)缸孔加工基準(zhǔn)的選擇?主要涉及毛坯基準(zhǔn)，粗基準(zhǔn)和精基準(zhǔn)的選擇，確保缸孔加工精度和表面質(zhì)量。發(fā)動機(jī)工作時，缸體會受到不同形式、不同方向的負(fù)荷，除缸體本身結(jié)構(gòu)要滿足高剛度外，缸體的各種特征要素如平面、孔相對位置精度與尺寸精度都應(yīng)具有較高的剛度要求，可通過合理安排工藝來保證，編制工藝涉及到毛坯基準(zhǔn)，粗基準(zhǔn)和精基準(zhǔn)的選擇[18]。4.3.1毛坯加工定位基準(zhǔn)的選擇毛坯基準(zhǔn)的作用是以其定位，把缸體的粗基準(zhǔn)加工出來。不同的缸體產(chǎn)品，其毛坯基準(zhǔn)可能會有所不同，一般地，毛坯基準(zhǔn)需要限制住缸體三個直線方向上的自由度和三個旋轉(zhuǎn)方向上的自由度，毛坯基準(zhǔn)選擇如下圖4.2，4.3所示。圖4.2毛坯基準(zhǔn)選擇示意圖圖4.3缸體毛坯基準(zhǔn)選擇圖4.3.2粗加工和精加工定位基準(zhǔn)的選擇粗加工和精加工基準(zhǔn)的作用是完成缸體的粗精加工，特別是一些大余量、切削負(fù)荷大的加工，如加工缸體的平面，缸孔等。其次，粗加工和精加工基準(zhǔn)的另一個作用是用來定位。粗加工和精加工基準(zhǔn)選擇如下圖4.4所示。圖4.4粗加工和精加工基準(zhǔn)定位圖4.3.3缸孔加工定位的注意事項在缸孔加工過程中，還需要注意以下幾點：注意事項如下表4.12所示。表4.12注意事項加工過程注意事項完全定位通過選擇氣缸體毛坯上缸孔中心、確保氣缸體的6個自由度被完全限制夾具設(shè)計設(shè)計夾具時，需確保定位元件的平整度和精度，避免因夾具誤差導(dǎo)致的加工問題加工余量的均勻分配合理分配各加工面的加工余量，確保加工表面的質(zhì)量和精度5夾具設(shè)計5.1刀具選型與設(shè)計5.1.1刀具的概述刀具的種類選擇會影響刀具在使用過程中的年限和加工工件的質(zhì)量。在現(xiàn)代缸孔加工中，主要的刀具材料包括：立方氮化硼、金剛石、陶瓷、硬質(zhì)合金、涂層和高速鋼材料等。刀具種類及特點如下表5.1所示。表5.1刀具種類及特點刀具種類特點金剛石刀具硬度高；刀刃鋒利；具有較低的熱膨脹系數(shù)；立方氮化硼刀具穩(wěn)定性高；刀具摩擦系數(shù)較低；陶瓷刀具強(qiáng)度高；耐磨性能好；摩擦系數(shù)低；涂層刀具適用性強(qiáng)；刀具使用壽命長；加工成本較高；硬質(zhì)合金刀具高硬度；抗彎強(qiáng)度高；抗彎曲；5.1.2鏜削刀具的選擇粗鏜刀的目的是去除較多的金屬，所以需要有足夠的強(qiáng)度。粗鏜主要的目的是去除大部分余量，對缸孔進(jìn)行大部分的切除、提高缸孔精度，為半精鏜和精鏜提供條件。缸孔加工的粗鏜刀頭如下圖5.1所示。圖5.1粗鏜刀頭示意圖半精鏜是粗鏜之后的加工方法，比粗鏜的加工效果要好，但不及精鏜加工。在粗鏜加工后，對發(fā)動機(jī)缸孔進(jìn)一步加工。在選擇半精鏜刀（內(nèi)冷）時，需要考慮以下因素：半精鏜刀選擇考慮因素如下表5.2所示。缸孔加工的半精鏜刀如下圖5.2所示。表5.2選擇半精鏜刀選擇考慮因素因素內(nèi)容材料與被加工材料匹配，避免在加工過程中出現(xiàn)粘結(jié)現(xiàn)象精度與機(jī)床主軸和夾具的精度匹配，以確保加工高精度的缸孔剛性剛性足夠高，以避免在加工過程中產(chǎn)生變形切削性能性能良好，確保在加工過程中能夠獲得良好的表面粗糙度圖5.2半精鏜刀平面圖精鏜刀的刀具類型主要包括整體式、焊接式和可轉(zhuǎn)位式。整體式刀具結(jié)構(gòu)緊湊，適用于高速切削；焊接式刀具的刀片與刀桿焊接相連，具有較高的強(qiáng)度和剛性；可轉(zhuǎn)位式刀具具有更換方便、成本低廉的優(yōu)點。在選擇時，應(yīng)根據(jù)加工需求、機(jī)床性能和刀具成本綜合考慮。常用的精鏜刀具材料包括高速鋼、硬質(zhì)合金和陶瓷等。精鏜刀刀具材料及特點如下表5.3所示。表5.3精鏜刀刀具材料及特點精鏜刀刀具材料特點適用高速鋼具有較高的韌性、耐磨性適用加工低碳鋼等軟質(zhì)材料硬質(zhì)合金具有較高的硬度、耐磨性適用加工鑄鐵、有色金屬等材料陶瓷具有極高的硬度、耐磨性適用高速、高精度加工精鏜刀的刀具幾何參數(shù)包括刀具角度、切削刃形狀，這些參數(shù)的選擇直接影響到切削力和切削熱。在選擇時，需要根據(jù)加工材料、切削速度和加工精度等因素進(jìn)行優(yōu)化。缸孔加工的精鏜刀如下圖5.3所示。全部鏜削過程刀具選擇如下表5.4所示。圖5.3精鏜刀平面圖鏜削過程(包括粗鏜、半精鏜和精鏜）刀具選擇如下表5.5所示。表5.4刀具選擇刀具類型適用工序選擇依據(jù)硬質(zhì)合金粗鏜抗沖擊、成本低CBN涂層半精鏜耐高溫、耐磨金剛石涂層精鏜超精密加工、表面質(zhì)量高5.1.3珩磨刀具的選擇珩磨條是用于珩磨工藝的關(guān)鍵工具，主要用于對缸體內(nèi)孔或表面的精密加工，以達(dá)到高精度和優(yōu)異的表面質(zhì)量。以下是珩磨條的主要作用和應(yīng)用場景：珩磨條的作用如下表5.5所示。表5.5珩磨條的作用作用內(nèi)容提高表面光潔度去除工件表面的凸起，降低表面粗糙度修正幾何精度均勻去除材料，糾正孔的形狀誤差改善功能性表面網(wǎng)紋利于儲存潤滑油，增強(qiáng)部件耐磨性珩磨條的核心作用是精密修正幾何形狀并優(yōu)化表面質(zhì)量，是提升關(guān)鍵零部件壽命和可靠性的重要工藝。其加工效果直接影響設(shè)備的密封性、耐磨性和運行效率，尤其在汽車發(fā)動機(jī)加工領(lǐng)域不可或缺。發(fā)動機(jī)缸體缸孔珩磨加工要求如下表5.6所示。表5.6缸孔珩磨加工要求要求內(nèi)容高精度要求圓度/圓柱度：通常需控制在2~5μm以內(nèi)；尺寸公差：孔徑公差需達(dá)到IT6~IT7級；表面粗糙度：Ra0.1~0.4μm；功能性要求儲油能力：交叉網(wǎng)紋深度1~3μm；耐磨性：需消除加工硬化層；發(fā)動機(jī)缸孔珩磨刀選型需要結(jié)合材料特性、加工階段、成本及其加工效率：鑄鐵缸體優(yōu)選金剛石珩磨刀，搭配液壓可調(diào)式珩磨頭。5.2切削力的計算在機(jī)械加工中，切削力是影響加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要因素之一，切削力的計算通常需要根據(jù)具體加工工藝、機(jī)床主軸功率、刀具狀況和工件材料等因素進(jìn)行綜合分析。一般來說，切削力的計算公式可以表示為：（5-1）其中F—主切削力Kc—材料切削比抗力（N/mm2）—切削深度(mm)—每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量（mm/rev）（5-2）進(jìn)給量與背向力：（5-3）（5-4）材料切削比抗力如下表5.7所示。切削參數(shù)如下表5.8所示。表5.7材料切削比抗力（Kc）材料Kc(N/mm2)備注灰鑄鐵18002200硬度HB180-220鋁合金600800適用于AI-Si系鑄造鋁合金球墨鑄鐵20002400需考慮石墨形態(tài)影響表5.8切削參數(shù)范圍參數(shù)鑄鐵缸孔進(jìn)給量0.20.4mm/rev切削深度1.02.0mm切削速度80150m/min（5-5）（5-6）（5-7）（5-8）（5-9）（5-10）（5-11）5.3夾具設(shè)計5.3.1夾具的概述夾具在發(fā)動機(jī)缸體缸孔加工中主要起到限制缸體位置，使其在缸孔加工中不會產(chǎn)生較大的位移，確保其加工的精度。（1）夾具設(shè)計核心原則：遵循一面兩銷的定位原則，一面是主基準(zhǔn)面（缸體底面），兩銷是兩個定位銷孔。第一個定位銷孔為P117,尺寸是，圓柱度是0.14。第二個定位銷孔為P121，尺寸是，圓柱度是0.14。缸體定位如下圖5.4所示。圖5.4一面兩銷定位圖（2）夾具主要功能包括：工件保持正確位置。主要是通過定位基準(zhǔn)面和夾具定位銷配合實現(xiàn)，工件的定位可以實現(xiàn)加工的精度和尺寸要求。使夾具對工件定位后，使其加工位置不會發(fā)生改變。（3）夾具組成：夾具一般是由夾板，定位銷，夾緊機(jī)構(gòu)，油缸及油路，粗限位，精限位和吊環(huán)組成。夾具組成如下表5.9所示。夾具組成如下圖5.5所示。設(shè)計缸體夾具模型如下圖5.6所示。表5.9夾具的組成組件功能描述吊環(huán)方便移動夾具定位銷圓柱銷+菱形銷組合，消除過定位（公差H7/h6）夾緊機(jī)構(gòu)液壓/氣動夾爪或螺旋壓板，夾緊力可調(diào)限位機(jī)構(gòu)防止缸體在加工過程中發(fā)生位移油缸為夾具夾緊工件提供動力圖5.5夾具組成圖5.6缸體夾具模型圖5.3.2夾具夾板的設(shè)計夾板可以保證缸孔的同軸度、圓柱度、表面粗糙度及尺寸精度（通常要求IT6-IT7級）。發(fā)動機(jī)缸體多為鑄鐵或鋁合金，重量較大。夾板可以避免缸孔夾緊時發(fā)生變形，可以實現(xiàn)精確定位、穩(wěn)定夾緊等。夾板結(jié)構(gòu)的選擇如下表5.10所示。表5.10夾板結(jié)構(gòu)的選擇夾板結(jié)構(gòu)內(nèi)容分體式夾板針對多缸體結(jié)構(gòu)，每個缸孔對應(yīng)獨立夾緊模塊柔性夾爪采用彈性材料（如彈簧鋼）或可調(diào)墊片，適應(yīng)輕微尺寸波動夾板主體材料的選擇是45鋼（調(diào)質(zhì)處理，HRC28-32），接觸面選擇硬質(zhì)合金，提升耐磨性。定位面需磨削至0.8μm以下，保證接觸精度。5.3.3夾緊裝置方案選擇機(jī)動夾緊方式包含多種動力機(jī)制，如氣動、液壓、電動和氣液復(fù)合驅(qū)動等，在這些之中，液壓夾緊系統(tǒng)憑借其5000000Pa到6500000Pa的工作壓力顯得較為突出，在保證相同作用力的情況下，它的油缸尺寸可減小。相比較而言，如果采用氣動夾緊，大多時候需要借助增力機(jī)構(gòu)或多活塞氣缸來提高夾緊力，而液壓夾緊就不需要這類附加裝置，使得夾具設(shè)計更加簡潔緊湊。另外液壓夾緊有良好的吸振能力，可維持高夾緊剛度，對提高加工精度有積極作用，在夾具設(shè)計中比較傾向于選用液壓夾緊技術(shù)。夾緊機(jī)構(gòu)選型見表5.11所示。表5.11夾緊裝置類型類型優(yōu)點缺點使用場景液壓夾緊夾緊力大，響應(yīng)快需液壓系統(tǒng)，維護(hù)復(fù)雜大批量、高精度加工氣動夾緊清潔，成本低夾緊力小鋁合金等低載荷加工螺旋壓板無需外部動力效率低，一致性差小批量或試制5.3.4夾具夾緊力的校核刀具材料：鏜削選擇硬質(zhì)合金刀，珩磨選擇金剛石珩磨刀刀具有關(guān)幾何參數(shù)：由參考文獻(xiàn)《機(jī)床夾具設(shè)計手冊》表1-2-9可得切削力的計算公式：（5-12）查參考文獻(xiàn)《機(jī)床夾具設(shè)計手冊》表1-2-10得：對于灰鑄鐵：取，即所以:（5-13）由參考文獻(xiàn)《金屬切削刀具》表1-2可得：垂直切削力：（5-14）背向力：（5-15）根據(jù)工件受力切削力、夾緊力的作用情況，找出在加工過程中對夾緊最不利的瞬間狀態(tài)，按靜力平衡原理計算出理論夾緊力。最后為保證夾緊可靠，再乘以安全系數(shù)作為實際所需夾緊力的數(shù)值。即：（5-16）K:安全系數(shù)（通常取1.5~3.0）F:切削力在夾緊方向的分力（N）μ：工件與夾具接觸面的摩擦系數(shù)如下表5.12所示。表5.12工件與夾具接觸面的摩擦系數(shù)材料夾具材料靜摩擦系數(shù)（μ）備注灰鑄鐵45號鋼0.15~0.25無潤滑，粗糙表面取上限鋁合金45號鋼0.10~0.20氧化表面摩擦系數(shù)降低銅合金45號鋼0.15~0.30表面拋光時取下限不銹鋼45號鋼0.30~0.50高黏著性，易產(chǎn)生冷焊鈦合金45號鋼0.35~0.60高硬度，需防刮擦碳鋼45號鋼0.20~0.35輕微銹蝕時系數(shù)增大安全系數(shù)K可按下式計算：（5-17）粗加工（振動大、斷續(xù)切削）：K=2.5~3.0精加工（穩(wěn)定切削）：K=1.5~2.0式中：為各種因素的安全系數(shù)，見《機(jī)床夾具設(shè)計手冊》表1-2-1可得：（5-18）所以:（5-19）（5-20）（5-21）雙桿活塞液壓夾緊時產(chǎn)生的夾緊力按以下公式計算（參考液壓與氣壓傳動公式4-1）：（5-22）式中參數(shù)：A—活塞的有效工件面積—液壓缸的進(jìn)油腔壓力—液壓缸的回油腔壓力，若液壓缸的出口直接連油箱，D—活塞的直徑d—活塞桿的直徑F—液壓缸的推力其中：D=80mmd=32mm液壓夾緊力：得：F>扭矩可按下式計算：（5-23）P—功率F0—切屑力M—扭矩通過對夾具實際夾緊力和理論夾緊力進(jìn)行對比，實際夾緊力大于理論夾緊力，因此采用該夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計是合格的。5.3.5夾具油缸的選擇在發(fā)動機(jī)缸體缸孔加工過程中，夾具油缸的選擇直接影響加工精度、穩(wěn)定性和效率。夾具油缸在發(fā)動機(jī)缸體缸孔加工過程中可以抵抗切屑力：在鏜孔、鉸孔或珩磨時，刀具與工件接觸會產(chǎn)生切削力（徑向、軸向、切向力）。油缸通過液壓驅(qū)動，施加足夠的夾緊力，抵消這些力，避免工件移動或振動?？梢员苊饧庸ふ`差：若夾緊力不足，缸體可能因切削力產(chǎn)生微小位移，導(dǎo)致孔徑偏差（如圓度、圓柱度誤差）。夾具油缸類型對比與選型如下表5.13所示。表5.13油缸類型對比類型優(yōu)勢劣勢使