发动机进气门数控加工工艺设计及编程毕业设计.docx

1、发动机进气门数控加工工艺设计及编程毕业设计发动机进气门数控加工工艺设计及编程毕业设计第1章1 绪论1.1 课程设计的目的和意义发动机素有汽车心脏之称，因此有人形象地将气门称为发动机的心脏瓣膜。气门是发动机配气机构中气门组中的一个关键零部件。发动机配气机构的功用：按照发动机每一气缸内所进行的工作循环或发火次序的要求，定时开启和关闭个气缸的进、排气门，使新鲜可燃混合气或空气（柴油机）得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出，如图1.1桑塔纳发动机配气机构。对配气机构的要求：减小进气和排气的阻力；使进气和排气都尽可能充分和完善。图1.1 桑塔纳发动机配气机构配气机构常见的故障有：气门关闭不严漏气，气

2、门工作时发响。气门关闭不严的原因：气门座磨损及偏磨，气门杆严重的积碳，气门间隙调整不合理；造成的危害：严重漏气，气缸的压缩力不够，发动机功率下降，经济效益变差，不能很好启动；工作时气门发响的原因：气门与气门座之间间隙太大,气门与气门导管之间的配合间隙大,座圈的脱落；造成的危害：产生噪声。气门与气门导管、气门座、汽门弹簧共同组成工作气门组，如图1.2所示。它亦是汽车发动机的关键零部件之一，它的主要作用是开关进气门，并使空气进入气缸1，2。进气量对发动机性能的影响很大。进气量越大，发动机的有效功率和转矩越大。因此，配气机构首先要保证进气充分，进气量尽可能的多；配气机构运动件应该具有较小的质量和较大

3、的刚度，以使配气机构具有良好动力特性2。图1.2 气门组进气门也是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一，首先，进气门直接与高温燃气接触，受热严重，而散热困难，因此气门温度很高；其次，气门承受起体力和弹簧力的作用，以及由于配气机构运动件的惯性力是气门落座时受到冲击；第三，气门在润滑条件很差的情况下以极高的速度启闭并在气门导管内作高速往复运动；此外，气门由于与高温然气中有腐蚀性气体接触而受到腐蚀2，3；因此，气门的损伤类型主要有：气门杆拉上与刮伤、气门杆断裂与弯曲、气门密封锥面烧伤与割伤、气门头部断裂等4。近年来，发动机向高转速、大功率和低油耗等方向发展，过度的热应力或机械应力引起发动机气缸盖和

4、座圈严重变形，公差配合不当和润滑不足，这些将导致气门杆部的划伤和咬合，超速、超载、气门间隙调整不当、沉积物形成、腐蚀和磨损等都将导致气门失效5。故气门的设计需考虑其耐腐蚀性、耐热性以及耐磨性和密封性，在保证足够的强度和刚度的条件下要求具有最小的质量6,7。由上可见，由于气门长期在高温高压的环境下工作，承受高温及高密封性要求，在发动机各零部件中，气门的损伤远远大于其他部件，尤其是气门密封锥面烧伤与割伤。气门出现故障约占整个汽油机故障的半数以上，如果气门出现损坏，严重时将导致整台发动机报废。因此，气门在发动机中的重要性和工作环境的恶劣性决定了气门制造的重要性，这是本课题研究的目的和意义所在。1.2

5、国内外研究现状1.2.1 国外研究现状气门的毛坯制造问题，目前，国外先进工业国如美、德、日等国在生产气门毛坯大都以“热挤压”法为主，而且国外正研究用低密度或较轻的材料制造气门，如钛合金、陶瓷及工程聚合物、高强度铝合金等。同时也在研制以各种表面处理方法处理气门8。锥面堆焊，工厂过去都采用手工焊接方式，产品质量差、生产效率低。而在欧美广泛采用12工位氧乙炔焊机。由于焊机工位多，使得加工预热、熔化、焊接、保温冷却等过程分配得更加合理和协调，不仅堆焊质量好，而且生产效率高。采用该工艺方法加工的产品，在焊层表面质量、内应力分布、内部金相组织等方面能达到产品设计要求9。气门关键部位加工难的问题：例如关于锁

6、夹槽加工方面，过去多以车、滚压为主。随着锁夹槽的形状变化，单槽变多槽，宽槽变窄槽，精度也愈来愈高，给加工增加了困难。国外采用高精度磨床，金刚滚轮修整砂轮解决了锁夹槽加工难问题10,11。同时，国外在气门形位公差的检查方面，不管在工序中还是成品检查，都采用先进的综合量仪或高精度检测量仪。1.2.2 国内研究现状关于气门毛坯制造问题，我国仍然采用“电镦”， 有关资料已证明，在大批量生产中，从整个的工艺和成本上分析，“热挤压” 是优于“电镦” 的。因为热挤压法可以采用成本较“冷拉钢”低的“热轧钢”，这方面就很适合我国当前的国情8。轻量化和适应高温化：轻量化是汽车发展的一个重要方向。虽然配气机构对整个

7、汽车的轻量化贡献很小， 但是它会对发动机的性能产生很大的影响。进、排气门的惯性重量约占配气机构的40 ，气门的轻量化可以在很大程度上减少气门弹簧的负荷，进而减少摩擦损失。当前轻量化的方法多采用轻材料或细杆化；气门行业为尽可能减轻气门的质量和提高气门的使用寿命，为适应车用发动机的所要求的高功率化， 气门材料的发展趋势主要不断向以陶瓷为代表的高级材料过渡。同时，也使用Ni基的耐热合金，向低成本的低质材料方向发展，即减少Co含量和含Ni量的替代材料发展。开发新的制造工艺：国内现有的气门加工工艺路线较长， 对大量生产而言， 每道工序的提高和改进都有显著的经济意义。此外，开发新的制造工艺以便提高产品质量

8、和降低制造成本。例如，采用杆端面高频淬火新工艺，交接圆定位切断、颈部成型磨削、盘端面定位磨削盘锥面，螺旋抛光、新型气门锥面厚度检具、高频脉冲电解加工模具等新技术、新工艺。这些新技术不仅有效延长气门的使用寿命，而且能增强气门的安全性能。成形加工自动化、智能化：由于气门材料价格昂贵， 原材料费用在成本中所占比例甚高，降低废品率是降低生产成本的重要途径。为此，研究电热镦粗成形机理，实现电镦工艺参数优化，开发新型CNC智能型电镦机，对于提高气门生产水平，降低成本具有十分重要的意义。国内气门的生产大多为多品种生产， 生产管理很容易造成混乱， 实行信息化管理可以大大提高生产效率。广东怀集县汽车配件公司与广

9、东工业大学合作开发了基于无线射频电子标签的生产管理系统，实现了气门生产管理的信息化 12，13 。国内仅有个别厂引进了国外先进的气门综合量仪，其能进行电控数显，但是大多数厂仍还是用手工检测、单项的落后检测手段。所以，应该大力推广、应用高精度综合量仪，以来提高检测水平。由此可见，国内气门行业采用的传统技术、设备比较落后，生产成本高；而国外知名的气门公司普遍采用了高性能的设备加工气门，不仅提高了生产效率，保证了加工精度，而且降低了废品率，也变于大规模的生产。综上所述，对于生产气门这种工序多，工艺复杂而难度大，以及气门在配气组中的重要性，气门工作环节的恶劣性和其加工工艺的高度要求，以及国内外气门加工

10、技术的差距决定采用比较先进的气门制造技术和工艺，都是需要我们解决的问题。由此可见，进行工艺改进、优化产品工艺、提高工艺水平就显得特别重要14，15。2 零件的分析2.1零件的作用气门的作用是控制发动机的进气。它对发动的机的可靠性和耐久性有重要影星，因此是发动机重要零件之一。368Q汽油机对汽油的主要要求是保证气门与气门座之间的密封性要好。气门密封性不好会造成气门与气门座之间的漏气，发动机机动效率下降，燃油消耗率增加，漏气严重时，发动的极有可能不能启动。同时，高燃气由气门与气门座之间的间隙露出时，会造成气门过热，甚至气门烧损。另一重要的要求是进气阻力越小越好，这样可以减小进气的功率。2.2 零件

11、的结构特点气门头部结构形式有平顶式、凹顶式、凸顶式，如图2.1。其特点分别为：结构简单，制造方便，吸热面积小，质量也较小，排、进气门都可采用；凹顶杆部与头部的过渡部分具有一定的流线形，可以减少进气阻力，但其顶部受热面积大，故不适用于排气门，适用于进气门；凸顶式气门适用于排气门，因为其强度高，排气阻力小，废气的清除效果好，但加工复杂、质量和惯性力大、球形的受热面积也大。图2.1 气门头部结构形式气门的工作条件非常恶劣。首先，气门直接与高温燃气接触，受热严重，而散热困难，因此其门温度很高。进气门的温度约为300400。其次，气门承受气体力和气门弹簧力的作用，以及由于配气机构运动件的惯性力使气门落座

12、时受到冲击。第三，气门在润滑条件很差的情况下以极高的速度启闭并在气门导管内作高速往复运动。此外，气门由于与高燃气中有腐蚀性的气体接触而受到腐蚀。（1）发动机进气门结构应具有以下特点：1）在高温、高压下工作应具有足够的刚度和强度；2）因以极高的速度往复运动应具有较轻的结构质量；3）具有良好的耐磨性和耐腐性；4）具有良好的导热性，热膨胀小；5）保证汽缸内部空间严格密封性2。（2）进气门结构一般有气门头和气门杆两部分组成。气门头又包括气门边缘厚度、气门锥面、气门颈部，气门杆又包括气门锁圆槽。如图2.3所示气门的一般结构。1）气门顶面 它承受气体的高温和压力。本次研究的气门顶面呈凹型，这是由于进气门的

13、需要和减少进气阻力。2）气门锥角 顶平面与气门锥面的夹角称之为气门锥角。气门锥角的作用：其就像圆锥形的塞子可以塞紧瓶口一样，能获得比较大的气门座合力，进而来提高密封性和导热性；避免气流因过渡过大而减小流速；气门在座落时有自行定位功能；气门落座时能自动挤掉与气门座接触面的沉积物，即有很好自洁功能。进、排气门锥角的大小：进气门锥角一般较小，因为锥角如比较小，进气通道截面就比较大，进气量就会增多；排气门锥角相对比较大，由于锥角比较大，气门头部边缘的厚度相对也比较大，不容易变形。排气门工作温度高，热负荷较大而选用较大的锥角，以加强散热能力和避免因受热变形。而且锥角如比较大，座合力也就比较大，自洁功能相

14、对大。图2.2 发动机进气门结构2.3 零件的工艺分析由零件图及工作条件分析可知，即该进气门为368Q汽油机的进气门机根据其工作温度、腐蚀情况、冲击负荷大小及气门杆导向面与端面耐磨成都等因素，选择材料4Cr10Si2Mo（0.350.45C；1.902.60Si；0.035P；0.030S；9.010.05Cr；0.60Ni；0.700.90Mo；0.70Mn）。该材料在高温下有良好的稳定性和较高强度，能较好适应高温条件，具有高温抗氧化性和高温强度马氏体型，力学性能，,，HB266325。该零件进气门加工技术要求如下。（1 ）气门表面粗糙度要求：1）杆部圆柱面Ra0.4；2）盘锥面Ra0.4；

15、3）杆端面Ra0.4；4）锁圆槽Ra0.4；5）其余表面粗糙度部大于Ra3.2；（2）气门形状和位置精度要求：1）盘锥面与头边缘圆柱面母线夹角的角度公差不得大于30；2）气门杆部圆柱度公差不得大于0.01mm；3）锥面对气门杆圆柱面的斜向圆跳动公差不大于0.03mm,锥面圆度公差不得大于0.01mm；4）气门杆小端面对气门杆部圆柱面的端面圆跳动公差部大于0.03mm；5）锁圆槽对气门杆圆柱面的跳动公差不大于0.1mm。基于上面的气门表面粗糙度要求与气门形状和位置精度要求，该零件进气门的形状和位置具体要求如表2.1。表2.1 进气门形状和位置要求项目 公差带意义 0.025 A 气门端面绕其准线

16、A旋转一周时，在任一测量圆柱面内跳动的量均不得大于0.025mm 0.01 气门杆圆柱面任一正截面上的圆周必须位于半径差为公差值0.01的两同心圆之间 0.01 气门杆圆柱面的被测轴线必须位于直径为公差值0.01的圆柱面内 0.015 A 0.01 0.01 被测圆锥面绕其基准线旋转一周时，在任一测量圆锥面上的跳动量均不得大于0.015mm；被测圆锥面的任一素线必须位于距离为公差值0.01两平行面之内；气门锥面任一正截面上的圆轴必须位于半径为公差值0.01的圆柱面内3 数控加工工艺规程设计3.1 毛坯的确定毛坯的种类很多，常见的有型材、冲压件、焊接件、铸件、锻件等。确定毛坯类型时应考虑以下因数

17、：（1）零件的结构形状及尺寸大小；（2）零件材料的工艺性及其力学性能要求；（3）零件材料的生产类型：（4）毛坯生产的新技术、新工艺等；（5）具体的生产条件16。依据以上原则，同时结合进气门结构特点、材料性能、生产类型，选择毛坯为锻件。3.1.1 毛坯的选择依棒料直径(37mm）可选圆锯床型号为G607，其技术参数：锯片直径为710mm,主轴转速为4.7513.5r/mm,此处取10r/min.进给速度为25400mm/min, 此处取80mm/min,工作精度(表面粗糙度Ra2512.5微米)17。依据式:v=3.14Dn0/1000=3.14*710*10/1000=22.31m/min求得

18、v为22.31m/min。而推荐值v=9.115.2 r/mm，f=76152mm/min。所以取v取为15，则：n0=1000v/3.14D=100*15/(3.14*710)=6.72r/min取n0为6r/mm，则再次计算v:v=3.14Dn0/1000=13.38m/min。选取圆锯片：其直径取710mm,齿形数值取96。3.1.2 毛坯外形尺寸及加工余量（1）确定模锻件公差及机械加工余量的主要因数1）模锻件的质量mt=35.40g；2）锻件外扩包容体的质量mn=686.38g；3）锻件的形状复杂系数s=mt/mn =0.05；根据s的大小，将锻件形状复杂系数分为四级，其锻件形状复杂系

19、数S分级表3.1如下18。3.1 锻件形状复杂系数S分级表级别 s数值取值范围 级别 s数值取值范围S1简单 0.631 S3 0.160.32S2一级 0.320.63 S4 0.16由此可知，锻件的形状复杂系数选择s4。（2）锻件材质系数M锻件材质系数分为两级，分别为M1和M2级别，如表3.2所示18。表3.2 锻件材质系数级别 钢的最高含碳量 合金钢的合金元素最高总含量M1 0.65% 3%M2 0.65% 3%由所选材料4cr10si2mo的元素含量知，锻件材质系数为M1。（3）零件表面粗糙度 由零件图纸知，该发动机进气门各加工表面的粗糙度Ra均大于等于0.4微米。根据上述诸因素，确定

20、该锻件的尺寸公差和机械加工余量，如下表3.3所示。表3.3 机械加工余量及锻造毛坯尺寸公差加工表面 零件尺寸 机械加工余量 毛坯公差 毛坯尺寸进气门左右端面 112h10 （1.52.0）取2 弧度 R9 （1.52.0）取1.5 气门杆 （1.52.0）取2 气门头边缘 （1.52.0）取2 考虑到小端面要钻中心孔并且最终工序要去除中心孔，所以应取为。毛坯简图如下图3.1所示。图3.1 毛坯简图3.2基准的选择定位基面的选择是确定加工方案，拟定零件的机械加工路线中首先要做的重要工作。基准选择的正确、合理与否，将直接影响工件的生产效率和加工质量。3.2.1 定位基准的选择定位基准有精基准与粗基

21、准之分，一般先确定精基准，然后再确定粗基准。根据选择定位基准的基本方法来选择基准。定位基准选择的一般原则：（1）应尽量选择零件尺寸上有重要位置精度关联的主要表面为定位基准，因为这样的表面是决定该零件其他表面的基准，也是主要设计基准。（2）首先应考虑保证空间的位置精度，再考虑保证尺寸精度。因为在加工过程中，保证空间位置精度要有时要比尺寸精度困难的多。（3）选择最大尺寸的表面为安装面（限制三个自由度），选最长距离的表面为导向面（限制两个自由度），选最小尺寸的表面支承面（限制一个自由度）。3.2.2 粗基准的选择方法（1）选加工余量小的、较准确的、表面质量较好的、面积较大的毛面作为粗基准。因此，不应

22、选有毛刺的分型面等做粗基准。（2）选重要表面为粗基准，因为重要表面一般都要求余量均匀。（3）选不加工的表面为粗基准，这样可以保证加工表面和不加工表面之间的相对位置要求，同时可以在一次安装中加工更多的表面。（4）粗基准一般只能使用一次。3.2.3 精基准的选择方法（1）基准重合。尽量选择设计基准为定位基准，这样就没有基准不重合误差。（2）基准统一。为了减少夹具类型和数量，或为了进行自动化生产，在零件的加工过程中，对于多个加工工序，选择统一的定位基准。（3）互为基准。对某些空间位置精度要求很高的零件，通常选用互为基准、反复加工的原则。（4）自为基准。对于某些要求高的表面，在精加工时，为了保证加工精

23、度，要求加工表面的余量很小并且均匀，这时常以加工表面本身定位，待到夹紧后将定位元件移去，在进行加工19。根据以上定位基准的选择方法，精基准与粗基准的选择如下：（1）精基准的选择：根据精基面的选择原则，选择精基面时，要首先考虑基准重合的问题，即在可能的情况下，应尽量选择设计基准为定位基准。因为各加工表面对零件两端面中心线的圆跳度为0.01mm。因此加工7mm、8mm、32mm、圆锥面时选择零件两端的中心线以及外圆的表面柱面为定位基准，可以满足设计要求。各阶梯轴端面和零件端面为精基准。零件两端面互为基准。 （2）粗基准的选择：根据粗基准的选择原则，为了加工出以上精基面，应以外圆和一个端面为粗基面，

24、钻两端中心孔。3.3 数控加工工艺路线的拟定加工工艺路线的拟定是制定工艺规程的总体布局，包括确定的加工方法、划分加工阶段、决定工序的集中与分散、加工顺序的安排以及安排热处理、检验以及其他辅助工序（去毛刺、到角）。它不但影响加工的质量和效率，而且影响工人的劳动的强度、设备投资、车间面积、生产成本等。因此拟定工艺路线是制定工艺规程的关键性一步，必须在充分调查研究的基础上提出工艺方案，并加以分析比较，最终确定一个经济合理的方案20,21。3.3.1 零件表面数控加工方法的确定根据零件图上各加工表面的尺寸精度和表面粗糙度，查表平面加工方案的经济精度和表面粗糙度；查表外圆表面加工方案的经济精度和表面粗糙

25、度；确定零件各表面的加工方法如下表3.4所示。表3.4 发动机进气门各表面的加工方案加工表面 尺寸及偏/mm 尺寸精度等级 表面粗糙度 加工方案气门杆 IT9 Ra0.4 粗车-精车-磨削锁圆槽 IT9 Ra0.8 粗车-精车-磨削气门杆断面 112h10 IT4 Ra0.4 粗车-精车-磨削大端端面 112h10 IT4 粗车-精车气门锥面 IT7 Ra0.4 粗车-精车-磨削气门头 TI8 粗车-精车顶部端半圆槽 R20 - 车颈部 - 粗车-精车通过对该零件图和零件工艺仔细的分析，零件表面加工难度大、加工质量要求高。根据数控加工内容选择原则，通常优先考虑数控加工的内容为：使用通用机床无法

26、加工的内容；通用机床很难加工，即使使用通用机床能加工，加工质量也难保证的内容；通用机床工作效率低、工人手工操作的劳动强度大的内容。相比之下，下列内容不宜选择数控加工：需要通过较长时间来占机调整的加工内容，如以毛坯的粗基准定位来加工第一精基准，需要用专用的工装；加工的部位分散，需要多次安装，多次设置不同原点，数控加工比较麻烦；按某些特定的样板加工的型面轮廓，这样获取数据困难，同时增加编程难度。根据以上原则，本零件需要采用数控加工，但是对于一个零件来说，往往并不是全部加工的工艺过程都适合在数控机床上完成,而往往只是其中的一部分加工工艺内容适合数控加工，所以本零件的加工表面：气门杆、锁圆槽、弧度、锥

27、面的精车适合在数控车床上加工以及顶部端半圆槽也适合在数控车床上加工，各表面的粗车加工内容适合在普通车床加工22。由上分析知，由于数控加工方法是穿插于零件加工的整个工艺过程中，因而要与其它加工工艺衔接好，如斜街的不好就容易产生矛盾，如：要不要留加工余量，具体留多少；定位面与孔的形位公差要求及精度的要求；对校形工序的技术要求；对毛坯的热处理状态等最好的办法是相互建立这些状态要求，本零件加工方法具体衔接过程为图3.2所示。图3.2 加工流程普通外圆磨削中心外圆磨削，工件磨削时按一个固定的旋转中心旋转。当工件以中心孔为基准在两顶尖间装时，两顶尖的的尖端构成工件的旋转中心，这种形式可以达到较高的圆度和同

28、轴度要求。普通外圆磨床和外能外圆磨床均属此种磨削形式23。故本工艺磨削形式为普通外圆磨削。磨削加工又分为普通磨削和精密磨削，各加工方法经济加工能力如下表3.5和表3.6所示24，25。表3.5 普通磨削的经济加工能力磨削方式 尺寸精度 表面粗糙度/微米外圆磨削 IT6IT5 Ra0.80.2内圆磨削 IT7IT6 Ra0.80.2平面磨削 IT6IT5 Ra0.40.2无心磨削 Ra0.80.1表3.6 精密磨削经济加工能力磨削方式 尺寸精度 表面粗糙度/微米外圆精密磨削 IT6IT1 Ra0.160.02内圆精密磨削 IT7IT5 Ra0.1250.063平面精密磨削 Ra0.10.025精

29、密螺纹磨削 IT7IT5 Ra0.050.025由发动机进气门加工质量要求知，可选普通磨削。综合以上分析，修订发动机进气门各表面的加工方案如下表3.7所示。表3.7 发动机进气门各表面的加工方案加工表面 尺寸及偏/mm 尺寸精度等级 表面粗糙度 加工方案气门杆 IT9 Ra0.4 粗车-数控精车-普通磨削锁圆槽 IT9 Ra0.8 粗车-数控精车-普通磨削气门杆断面 112h10 IT4 Ra0.4 粗车-数控精车-普通磨削大端端面 112h10 IT4 - 粗车-数控精车气门锥面 300.1 IT7 Ra0.4 粗车-数控精车-普通磨削气门头 32h8 TI8 - 粗车-数控精车顶部端半圆槽

30、 R20 - - 数控粗车颈部 8 - - 粗车-数控精车3.3.2 加工阶段的划分及工序的集中与分散（1）加工阶段的划分该进气门加工质量要求较高，可将加工阶段划分成粗加工、精加工和磨削几个阶段。在粗加工阶段，首先要将精基准加工好，使后续的工序等都可采用已加工的精基准定位加工，以保证其它要加工表面的精度要求。（2）工序的集中与分散本课题采用工序集中原则安排进气门的加工工序。该进气门的生产类型为小批生产且零件的加工精度要求比较高，在一次的装夹中加工了许多表面，如数控精车加工，有利于保证各加工表面之间的相对位置精度要求。3.3.3 工序顺序的安排（1）机械加工工序遵循“先基准后其它”原则首先加工基

31、准粗车两端端面，钻中心孔；遵循“先粗后精”原则，先安排粗加工工序，后安排精加工工序；遵循“先主后次”原则，先加工主要表面进气门气门杆、锁圆槽、圆弧后加工次要表面顶端半圆槽。由此初拟进气门机械加工工序安排，具体如下表3.8所示。（2）热处理工序热处理的工序一般安排顺序如下：表3.8 进气门机械加工工序安排（初拟）工序号 工序内容 简要说明0 粗车进气门两端面，精车大端面至5mm “先基准后其它”05 钻两端中心孔 “先基准后其它”10 粗车气门杆、锁圆槽、颈部 “先粗后精”、“先主后次”15 粗车气门头、粗车气门锥面、弧度 “先粗后精”、“先主后次”20 数控精车气门杆、锁圆槽、弧度、气门锥面、气门头 “先粗后精”、“先主后次”25 磨气门杆、锁圆槽、气门锥面 “先主后次”30 去除顶尖孔、倒角 “先主后次”35 磨小端面 “先主后次”40 数控车顶端半圆槽 “先主后次”45 大端面倒角 1）为了改善工件的切削性能而进行的热处理工序，如正火、退火、调质等热处理，应安排在切削加工之前。2）为了消除工件的内应力而