發動機氣道性能檢測盒的CNC成形加工
2019-2-19 來源： 中國第一汽車股份有限公司研發總院 作者：徐婉竹
【摘要】: 針對氣道性能檢測盒的結構特征和加工難點進行分析和改善，通過靈活多用的CNC 數控加工技術，采用上下盒分別加工、座圈及導管孔留余量再合件加工的方法，滿足了零件精度和制作周期要求。
發動機缸內氣體流動是影響其燃燒性能的決定性因素，直接決定其動力、經濟及排放特性。因此汽車發動機在開發過程中需要對發動機缸蓋上的氣道進行檢測，來檢查所設計的氣道是否能滿足發動機整體性能的要求。傳統方法是直接將設計好氣道的發動機缸蓋連接到氣道試驗臺上進行氣道性能測試。由于發動機缸蓋的制作周期長、生產成本昂貴，導致了發動機缸蓋氣道檢測的試驗周期過長，試驗效率低、成本高。針對上述問題采用CNC 數控加工氣道性能檢測盒，使得加工周期短、成本低，可以快速地模擬發動機缸蓋氣道來完成氣道試驗。圖1所示為該性能檢測盒的結構示意。
1.問題分析
該零件采用代木樹脂板進行加工，此材料韌性更好，穩定性更高，更環保，比較適合于做檢具、夾具和治具等精度比較高的產品。性能檢測盒的結構具有以下特點: 座圈孔直徑φ 28 m m ， 導管孔直徑φ 9.5mm，座圈孔及導管孔相對于豎直方向傾斜19.5°，座圈孔及導管孔的同軸度要求0.1mm。
使用三軸機床加工零件時，對于零件的正面結構特征，一般不存在刀具加工不到的情況，但對于座圈及導管孔，由于三軸機床的刀軸處于垂直狀態，不能傾斜，刀具不能切入，因此座圈及導管孔無法機加工成形。此時，使用五軸機床配合3+2 軸加工方式，將刀軸根據座圈及導管孔的結構特征傾斜一定角度， 將這兩個結構特征轉變為正面結構特征，如圖2 所示。依然使用三軸加工策略來計算刀具路徑，這樣即可解決座圈及導管孔的機加工成形問題。為保證氣道性能檢測盒的精度要求，采用上下盒分別加工，座圈及導管孔留余量后再合件加工的方法，以保證同軸度要求。
2.零件加工工藝分析
由于零件結構較復雜，加工時采用粗加工→半精加工→精加工→多次清根→鉆孔等工藝過程進行程序編制，加工順序按照燃燒室面→氣道面→合件精加工三個步驟進行。
擬按照附表所述工藝流程計算燃燒室面部分結構的加工刀具路徑。其余結構可按照此過程編制程序。
3.CNC加工過程分析
首先要設定一個合格的毛坯， 該毛坯需將性能檢測盒的上下部分都包括在其內部， 通過邊界計算， 毛坯的尺寸設為400mm×300mm×100mm，完全滿足要求。毛坯建立后，在毛坯中間設立坐標系，后續加工以該坐標系為準，因此選擇毛坯中間進行坐標系建立，這樣加工時，操作者容易定位找正，三維顯示如圖3 所示。
以所建立的坐標系為基準，創建相應的刀具對該毛坯進行切削加工。本次加工共需要五種型號的刀具，即直徑為20mm、8mm、6mm、3mm 和1mm 的球刀，直徑為20mm、8mm 的棒銑刀，直徑為8mm 及6mm 的鉆頭，其中φ20mm 的球刀用于第一步的粗加工，快速去除大部分加工余量，高加工效率，φ 8mm、φ 6mm的球刀用于殘留模型加工，繼續切削上一步沒有加工到的部位， 為精加工提供技術支持。φ3mm、φ1mm 的球刀用于過渡圓角處的清根，刀具建立如圖4 所示。
以上是將毛坯、坐標和刀具分別建立的過程，下一步開始CNC 數控加工最核心的內容——加工策略的編制，首先進行零件燃燒面的加工，經過如附表所示的數控加工工藝過程，如圖5 所示。
燃燒室面加工完成后， 在程序輪廓外鉆鉸2處φ 8mm 定位找正孔，并在毛坯四邊精加工一邊作為找正線，翻面后將坐標系繞Y 軸翻轉180°，以找正線及φ 8mm 定位找正孔找正零件毛坯，加工氣道面。
加工完成后將性能檢測盒的下盒取下，將加工后的上盒與下盒裝配合件后，壓板壓緊頂面（避開燃燒室），精加工導管孔及座圈孔。成品完成后，利用三坐標檢測設備對零件尺寸進行檢測，結果滿足圖樣要求。
4.結語
本次CNC 數控加工解決了氣道性能檢測盒的制作周期與技術問題，驗證了加工策略和刀具方案，掌握了相關的加工經驗，為后續同類產品試制開發奠定了工藝基礎，該技術方法可廣泛應用于類似結構的零件加工，具有很好的指導意義。
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