汽配零件的“人气选手”缸盖的工艺优化研究

聊起夹具，汽配件夹具相信是一个永不褪温的话题，各类异形工件、夹持难题的解决，都是夹具企业的一把把辛酸泪。而如今，随着制造业整体生产周期的加速，对于夹具企业来说，夹具结构的改进是一回事，对于夹持零件的工艺改造，也是非常重要的一环。今天，就让我们来看看汽配零件的“人气选手”缸盖的工艺优化研究！

一、缸盖概述

缸盖是汽车发动机的关键部件之一，其位于发动机上部，借助螺栓、缸垫与气缸体牢固合体。缸盖用于封闭气缸并构建发动机的燃烧室，同时作为发动机的配气机构及相关部件的装配基体，缸盖加工工艺十分复杂，其主要特点有两点：第一，汽车发动缸盖通常为六面体，是多孔薄壁件，孔壁最薄部分仅3．5μ左右，孔壁加工数量可达100个。第二，缸盖强度和刚度要求较高，只有达标才可保证气体在热应力及压力的共同作用下稳定运行。以上工艺均具有很高的加工精度要求，其加工质量好坏直接影响着发动机效能的发挥。

图1 六面体多孔薄壁件

二、加工工艺详述及优化

2．1：制造材料

在发动机生产领域，我们通常以灰铸铁、铝合金、蠕墨铸铁来做缸盖材料。当前，柴油机通常使用蠕墨铸铁或灰铸铁，而汽油机则较多使用铝合金，市场上有少量小型柴油机也采用铝合金材料。铝合金导热性好，有利于提高压缩比，进而提高发动机效能。在节能环保理念的推动下，人们对汽车发动机的节能减排要求不断提高，驱使着包括缸盖在内的汽车发动机材料不断优化。以前，柴油机四气门缸盖气门间裂纹的情况时有发生，后来随着蠕墨铸铁的应用推广，这一问题得到了良好的解决。

在缸盖加工领域，由于灰铸铁、铝合金、蠕墨铸铁三种材质的特性不同，其加工效率也不同。就加工效率而言，三种材质中以蠕墨铸铁效率最低，而铝合金效率最高。

2．2：加工生产线与工艺

在汽车发动机缸盖加工领域，柴油发动机常用的蠕墨铸铁或灰铸铁缸盖生产线布置通常有三种：

①为专用设备生产线。其拥有加工效率较高、刀具等运行成本较低的优势，通常用于定型缸盖的大批量生产；劣势在于一旦需要改变产品设计，则改造成本非常高。

②加工中心＋专用设备生产线，通常用于持续有小幅调整更改的产品，其改造成本可以很好地控制。

③由加工中心组成的柔性生产线，通常用于生产未定型发动机产品或产量较低的产品，其劣势在于刀具等运行成本较高。在当今的铝合金缸盖加工工艺中，生产线通常为加工中心构成的柔性生产制造系统，设备主轴多采用电主轴，主轴转速通常都定在7 000 r／mm以上。对于柔性加工线，顶底面加工可采用立式加工中心完成，而四侧面孔加工则可采用卧式加工中心完成。基于柔性加工线的成本分析，立式加工性价比较高，因此比较受用户欢迎。在缸盖加工中，加强立式加工中心的配置无疑可以获得更好的成本优势。

对于生产线的总体布置，通常集中工序单元采用“U”型布线，与此同时，在进行工艺方案设计时，必须充分考虑到物流、投资与产出综合成本、人体工学最优化等诸多因素。

图2 发动机缸盖生产线

三、铝合金缸盖加工工艺的难点及优化

3．1：平面加工

从缸盖的内部结构来看，大平面较多，进、排气面和项面、底面均为大平面，这就要求平面度及表面粗糙度等精度必须保持较高水平，进而要求机床拥有实现高精度加工的能力，能达到较高的刀具调整精度和几何精度。以前，缸盖大平面主要是运用合金刀片加工，现在由于毛坯情况通常较好，因此常用金刚石刀片加工，这种工艺可以优化缸盖平面，提高加工表面的精度。

3．2：高精度孔加工

缸盖有气门导管孔、凸轮轴孔、挺杆孔等高精度孔，彼此间配合严密，因此加工时要严格把控其表面的粗糙度、位置及尺寸精度等。在进行加工时，缸盖气门导管和气门阀座是同时进给加工，要做到一次到位，以减少误差，保持气门导管与阀座的同轴度。具备密封配合要求的气门阀座和锥面，对圆度及跳动有严格要求；有些气门导管孔有运动件间配合要求，因此其尺寸精度要求特别高，且由于两者的材质不同，所以在加工过程中，应注重刀具材料选用等。

3．3：气门导管底孔加工

气门导管底孔的尺寸精度要求非常高，因此加工时应注意考虑精度要求，避免误差出现，应注意精度控制，一旦控制不稳定，将影响气门导管与缸盖的配合度，进而对发动机的可靠性造成影响。

3．4：凸轮轴孔加工

作为缸盖中的最长孔，凸轮轴孔如运用调头加工（或分段加工），虽可降低机床设备的要求，也基本可保障加工精度，但无法满足凸轮轴孔对同轴度的加工要求。所以，加工时应尽可能保证一次成型。

3．5：缸盖加工毛刺的优化

众所周知，缸盖所用的铝合金材料是塑性材料，加工中难免出现毛刺。解决毛刺问题的关键在于：一是加工中首先要选取合适的参数，二是提高工件材料的硬度。在加工过程中，通常运用高压水或尼龙刷来去除和弱化毛刺，这些操作有一定危险性，需要确保人身安全。

图3 铝合金与蠕墨铸铁缸体

四、缸盖加工流程的优化要点

缸盖加工是一个系统工程，通过细致的实验研究，我们总结出了以下优化要点：

首先，在工艺总体设计时，应同时考虑工序加工后的检测程序设计，完成一道加工就进行相应的检测，这样一来可以有效控制工序质量。其次，缸盖的内部结构十分复杂，内应力的不稳定分布可能导致形变，会影响加工精度。因此，我们在进行缸盖加工时，通常遵循“先面后孔”的原则，并通过将精细加工和粗加工分散进行的手段，释放应力。其三，缸盖的结合面划伤可能导致缸盖品质受损，影响发动机的效能。因此，为了避免该问题发生，我们通常对结合面采用精加工，避免发生后续破坏。其四，随着自动化生产的推进，有些加工生产线自动化程度不断提高，对于这些自动化生产线，必须附带夹具喷气和刀具折断等检测，避免损失的发生。

缸盖作为汽车发动机总成的关键部件，其工艺品质事关汽车发动机的整体效能发挥。缸盖结构复杂，加工工艺标准要求较高，因此，不断追求最佳的加工工艺是业界的一致目标。本文对缸盖加工及其工艺进行了介绍，分析了缸盖制造材料和加工生产线，深入探讨了当下主流的铝合金缸盖加工工艺特点，并从平面加工、高精度孔加工、气门导管底孔加工、凸轮轴孔加工、缸盖加工毛刺的优化等方面对工艺难点进行了梳理分析，提出了优化方案，最后还总结了缸盖加工流程的优化要点。我们认为，应不断加强缸盖尤其是铝合金缸盖工艺品质的优化研究，以适应未来汽车行业的发展要求。