发动机缸盖生产工艺的研究

发动机缸盖生产工艺的研究

第一章发动机缸盖生产线分类的研究 (1)

1.1 刚性生产线 (1)

1.2 柔性生产线 (2)

1.2.1 串行柔性线 (4)

1.2.2 并行柔性线 (4)

1.2.3 专机式柔性线 (5)

1.3 试制线 (5)

1.4 成型线 (5)

第二章发动机缸盖加工工艺的研究 (6)

2.1 加工工艺分析及设备 (6)

2.1.1 工艺流程分析 (7)

2.2 加工工序的研究 (7)

2.2.1 粗基准和精基准的选择 (7)

2.2.2 辅助工序及设备 (9)

2.3 加工方法 (10)

2.3.1 凸轮轴孔系 (10)

2.3.2 阀座导管孔系 (11)

2.3.3 缸体结合面 (11)

2.4 柔性加工工艺设计 (12)

2.4.1 工艺流程设计及优化 (12)

2.4.2 工序划分方法 (12)

2.4.3 工艺设计原则 (13)

2.5 加工精度的研究 (14)

第三章数字化技术在发动机缸盖工艺中的应用 (17)

3.1 数字化工厂介绍 (17)

3.2 数字化工艺规划 (17)

3.3 发动机缸盖工艺规划 (18)

3.3.1 资源库 (18)

3.3.2 工艺知识库 (19)

3.3.3 CAD模型导入 (19)

3.3.4 特征识别(Feature Recognition) (19)

3.3.5 工艺规划中的其它工作 (19)

3.4 发动机缸盖生产线仿真与优化 (20)

3.4.1 柔性制造生产线仿真的建立 (20)

3.4.2 仿真与优化 (22)

第一章发动机缸盖生产线分类的研究

1.1 刚性生产线

刚性生产线是指该生产线只能生产某种或生产工艺相近的某类产品，表现为生产产品的单一性。刚性制造包括组合机床、专用机床、刚性自动化生产线等。

刚性生产线是根据特定的生产任务需要将专用机床组合在一起，以取得最优的效益。在大批量生产中至今还是刚性生产线( 如多工位自动线) 占主导地位。刚性线主要适合于成熟期产品的大批量生产，生产成本相对较低。但要求一次投资达到目标产量。

采用专用机床组成的刚性线加工对象单一，可变性差，不能及时适应生产任务的变化。市场产品设计发生变化时需对主轴箱、夹具、输送系统等重新设计、改造，改造的工作量大、费用高、生产准备周期长。对多品种共线加工兼容性差，一般只适应于同系列产品的共线加工。

刚性自动线生产率高，但柔性较差，当加工工件变化时，需要停机、停线并对机床、夹具、刀具等工装设备进行调整或更换（如更换主轴箱、刀具、夹具等），通常调整工作量大，停产时间较长。整个生产线有统一的节拍，一台机床因故停机，全线工作将被迫中断，因此这种加工线不能太长。对于向发动机缸体、缸盖这种加工工序很长的零件，就要把加工线分成几段，各段之间加上储料装置，一段生产线因故停机，其上下段仍然可继续工作。

刚性自动化生产线是用于工件输送系统将各种刚性自动化加工设备和辅助设备按一定的顺序链接起来，在控制系统的作用下完成单个零件加工的复杂大系统。

在刚性自动线上，被加工零件以一定的生产节拍，顺序通过各个工作位置，自动完成零件预定的全部加工过程和部分检测过程。因此，刚性自动线具有很高的自动化程度，具有统一的控制系统和严格的生产节奏。

除此之外，刚性自动化还具有可以有效缩短生产周期、取消半成品的中间库存、缩短物料流程、减少生产面积、改善劳动条件、便于管理等优点。

1.2 柔性生产线

柔性生产线是指生产组织形式和生产产品及工艺的多样性和可变性，可具体表现为机床的柔性、产品的柔性、加工的柔性、批量的柔性等。

与刚性自动化生产线相比，柔性制造生产线工序相对集中、没有固定的生产节拍、物流统一的路线，进行混流加工，实现在中、小批量生产条件下接近大量生产中采用刚性自动线所实现的高效率和低成本。柔性制造生产线一般有如下3种形式：柔性制造单元、柔性制造系统、独立制造岛。

(一) 柔性制造单元

通常由1-2台加工中心构成，并具有不同形式的刀具交换和工件的装卸、输送及储存功能。除了机床的数控装置外，还有一个单元计算机来进行程序的管理和外围设备的管理。FMS适合于小批量生产，加工形状比较复杂，工序不多而加工时间较长的零件。

(二) 柔性制造系统(FMS)

由2台以上的加工中心，以及清洗、检测设备组成，具有较完善的刀具和工件的输送和储存系统，除调度管理计算机外，还配有过程控制计算机和分布式数控终端等，形成多级控制系统组成的局部网络。FMS适合于加工形状复杂、加工工序繁多、并有一定批量的多种零件。

(三) 独立制造岛

独立制造岛是以成组技术为基础，由若干台数控机床和普通机床组成的制造系统，其特点是将工艺技术装备、生产组织管理和制造过程结合在一起，借助计算机进行工艺设计、数控程序管理、作业计划编制和实时生产调度等。其使用范围广，投资相对较少，各方面柔性较高。

目前，各汽车厂家广泛应用的柔性（CNC加工中心）生产线主要分为三种：规模相对较小的串行柔性线、规模相对较大的并行柔性线及最近几年新出现的专机式柔性线。

1.2.1 串行柔性线

图1-1为年产10万缸盖生产线示意图，可以看到，CNC加工线分为A线和B 线，分别由红色和粉红色两色圈示，所有加工中心的节拍是一致的。两线并联后再同中间的辅机串联成整条生产线。

图1-1 串行柔性线

串行柔性线的每台CNC加工中心的加工内容是由整条生产线的节拍所确定的，如果没有复线的话，每台CNC设备的设计节拍都是一致的，加工内容必须安排在节拍内完成。为了提高加工中心的利用率，通常在串行柔性线中的CNC加工中心的节拍规划得比系统中的辅机慢一半，而使用CNC设备的复线来补足生产能力。

1.2.2 并行柔性线

如图1-2所示，整条线上大部分机床为CNC加工中心，A工位是5台加工中心，B工位是3台，C工位是5台，D工位是4台；整条线的节拍是一定的，同工位的加工中心加工内容一样，节拍也是相同的，但不同工位的加工中心的节拍不一定相同。为了尽可能多的安排加工内容，提高加工中心的利用率，其节拍应较长。

图1-2 并行柔性线组成单元

组成并行柔性线的每台CNC加工中心的加工内容是由实际理想的加工步骤、定位夹紧方式等确定的，组成每道工序的加工中心的节拍并不完全相同。在确定每道工序的加工内容和节拍后，再根据整条生产线节拍的要求确定每道工序需要的CNC加工中心的数量。

1.2.3 专机式柔性线

专机式柔性线同加工中心与专机组合而成的刚柔生产线并不是一个概念，专机式柔性线最主要特点是采用的加工中心是专机式加工中心，其构造结合了自动线和加工中心的特点，将机床转化为一个独立的加工单元。消除了专机与加工中心之间的对立，弥补了专机和加工中心之间的鸿沟，是以加工中心和专机的组合形式来加工工件的一种新工艺。专机式加工中心用一个旋转的C轴来装夹工件，夹具与专机线或加工中心的类似。在夹具上的工件可以在X、Y、Z轴间作轴向移动，也可以作旋转。刀具主轴在夹具周围以U型布置，切削时工件向刀具运动。专机式加工中心的轴数比专机要少，使得它更简单、可靠。因为减少了换刀时间，生产能力要比加工中心高。它的初期投资和运转周期都要低一些。其它优点还包括占地面积小，减少库存、安装和公用设施费用和零件输送费用等。

1.3 试制线

1.4 成型线

第二章发动机缸盖加工工艺的研究

2.1 加工工艺分析及设备

发动机缸盖的加工多采用柔性生产线，生产线设备以进口加工中心为主、配少量具一定柔性的专用机床及必需的辅机组成。设备之间采用输送辊道连接。从柔性的角度出发，大部份加工内容选用进口立式加工中心完成。针对部分加工内容需在立式加工中心置备第四回转轴。与选用卧式加工中心相比，这样既达到了加工要求，又减少了设备费用支出。随着数控机床的技术不断进步，立式加工中心的性价比更容易让用户接受。生产线加工中心多为进口。

(1)选用的立式加工中心特点是：

①主轴刀柄为BT40。

②主轴最高转速为8000r／rain。

③快移速度32ndmin。

④刀对刀换刀时间0．9—1.28。

⑤刀库20把。

少部分内容对加工中心因节拍、精度、或成本等影响，该部份内容在产品变化后设备工装调整不大，选用NC专机完成，本线专机为台湾进口。

(2) 轴承座侧面加工。加工余量大，加工部位多，如465气缸盖8个面轴承座侧面要加工，在专机上用一轴装多把铣刀，可同时完成多个轴承座侧面部位加工。本设备为双工位双主轴多刀组合NC铣床，产品变换时，简单调整即可。

(3) 摇臂轴孔加工。摇臂轴孔为细长孔，如465Q气缸盖摇臂轴孔为垂(15H7X400)mm，其钻—铰工序，均采用专机完成。钻孔专机有主轴配水装置，采用直槽枪钻，中心出水冷却。该工序设备为双面组合NC钻，铰机床，可以加工单摇臂轴孔和双摇臂轴孔缸盖。

(4) 凸轮轴孔精加工。凸轮轴孔加工分粗镗—半精镗—精镗三道工序。粗镗、半精镗在立式加工中心上采用调头镗方式完成，精镗在专机上采用可微调式多刀，连同止口和多阶凸轮轴孔同时完成。

(5) 其他。

设备冷却采用单台独立配置，对设备使用的调整、维护等十分方便。例如，针对工件导管与气门座的材料为粉末冶金及其加工精度要求较高的特点，针对该工序设备配备了油性稍大的切削液。工件定位统一为一面两销，夹具全部采用液

2.1.1 工艺流程分析

汽缸盖传统加工工艺流程如下图所示。

2.2 加工工序的研究

柔性加工线的工序流程一般分为两种：工序分散型和工序集中型。

工序分散型：工序依次分散的生产线(Sequential process), 加工件要通过所有的加工设备才能加工完成。如其中一台加工设备出故障，会牵涉到整个生产线停产。

工序集中型：加工线上尽可能选用相同型号的加工中心，把不同的工序内容集中到一台机床上，用尽量少的装夹次数，高效的加工工件。当某台加工设备出现故障时，可用同一工序相同型号的设备继续生产，虽然生产量有所减少，但可以避免整个生产线停产。工序集中型还可根据生产量的增减适当增减或转用加工设备，转用设备可避免机床在固定工况下的重复使用段磨损，这些都是优点，相反，缺点是：工件的追溯能力差，由那台设备加工的工件不易追溯，且生产中刀具的周转量相对要大一些。

2.2.1 粗基准和精基准的选择

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。

(一) 粗基准的选择

粗基准主要考虑各加工表面有足够的余量，不加工表面的尺寸和位置符合图

气缸盖底部的密封气缸，与活塞共同形成内燃机的燃烧室，气缸盖在柴油机运转过程中承受高温高压燃气和螺栓预紧力的作用，因此而加工的粗基准一般选择气缸盖底而，如下图所示，根据该基准校核顶面、各搭子面、出砂孔及气道平面等位置。

汽缸盖基准面示意图

气缸盖的功能要求气阀座孔加工后与未加工的气道须具有相对准确的位置要求，确保气缸盖在工作状态下具备良好的配气功能，因此孔加工的粗基准一般选择气阀孔，根据气阀孔校核底而外形及搭了位置，划底而十字中心线并引至顶面。

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。

(二) 精基准的选择

主要考虑“基准重合”与“基准统一”的原则，大批量生产中精基准一般采用底而与两销孔，如下图所示。

汽缸盖定位销空示意图

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。

(三) 工序组合

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。

(四) 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。

2.2.2 辅助工序及设备

(1) 工件密封性检测。对缸盖的油道、水道、燃烧室采用气体密封试验工艺进行检测，检测仪器选用进口，其余机构为国内生产。检测设备人工放置工件后自动封堵、检测，并有声光报警系统，油道、水道检测还设有水箱，不合格时工件浸入水箱，可观察工件泄漏部位。

(2) 压装机。压装动力采用液压驱动，双工位，进排气门导管、座圈同时压装。根据不同产品要求，调整压装角度、位置。

(3) 清洗机。中间清洗采用普通通过式清洗。最终清洗采用浪涌加高压喷射方式清洗。设置了浪涌清洗装置、升降清洗装置和横移清洗装置，分别对缸盖不同清洗部位，进行定点定位清洗及大流量翻转冲洗，清洗压力为0.5—0.7 MPa。浪涌清洗装置主要是针对缸盖的内外表面及型腔的清洗；还设有翻转倒水吹干、真空干燥等。机内工件输送方式采用机械抬起步伐式输送，准确可靠，并利用定位销定位，保证定位准确。同时机床设置了托盘自动返回装置，变换托盘上的定位机构可以适用不同产品清洗。清洗液进行两级过滤。一级过滤精度﹤50um，二级过滤精度﹤20um。

2.3 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，值积较大，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。

2.3.1 凸轮轴孔系

以直列4缸1.0 L铝合金缸盖为例，凸轮轴孔的精度要求，如下表1所示。

表1 凸轮轴孔的精度要求 mm

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) 在专机上用线铿刀加工，通过在专机上增加支撑导套来解决刀具过长的

问题，线铿刀正、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) 在加工中使用枪铰加工，如下图所示。

2.3.2 阀座导管孔系

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。

2.3.3 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1.0 L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 柔性加工工艺设计

2.4.1 工艺流程设计及优化

气缸盖为典型的箱体类零件，它的主要加工内容为顶底面、进排气侧面、前后端面的平面加工以及孔系的加工，精度要求较高的是底面进排气座圈孔、导管孔的加工，高压油孔由于是空间复合角度在工序安排上有一定的难度。深入细致的产品分析，首先制订工艺流程的基本框架:

(一) 座圈锥面、枪铰导管孔及精铣底面采用专用机床，设计节拍为

3.5min。

(二) 高压油孔单独作为一道工序采用CNC高速加工中心。

(三) 中、小孔加工、攻丝及平面铣削采用CNC高速加工中心。

(四) 为保证零部件清洁度，工件分中间、最终两次清洗，所有辅助设备(清洗、装配、试漏等)均按3.5min/件一步到位。

在此基础上对工艺流程进行优化设计，以工序相对集中为原则，尽可能减少设备使用数量。在设计过程中，将零件结构形状所允许、在一次装夹中能同时实现加工的内容进行集中，如将进排侧面安排在同一工序内，将前后端面的加工与顶底面的加工安排在同一工序内。当然，工序集中时必须考虑对加工精度、夹具复杂性达到影响。

2.4.2 工序划分方法

①按所用刀具划分工序。为了减少换刀次数和空行程时间，可以采用刀具集中的原则划分工序，在一次装夹中用一把刀完成可以加工的全部加工部位( 但加工不同面上孔系和面加工时要针对机床是工作台旋转占的时间少还和换刀的时间少，选少者。这里指的是机床工作台旋转快于换刀) ，然后再换第二把刀加工

其他部位。

②按粗、精加工划分工序。对易产生加工变形的零件，考虑到工件的加工精度、变形等因数，可按粗、精加工分开的原则来划分工序，即先粗后精。先进行粗加工，使其内应力充分释放，必要时，粗加工完可考虑松夹一次再进行精加工。

③按加工部位划分工序。这种方法一般适应于加工内容不多的工件，主要是将加工部位分成几部分，每道工序加工其中一部分，如模具加工中夹外形加工

内腔。

在工序的划分中，一定要视零件的结构与工艺性、工件的安装方式、机床的功能、被加工件的加工内容、装夹次数等因数，灵活掌握，力求合理。

加工顺序的安排应根据被加工零件的结构和毛坯状况以及定位装夹的重要性来考虑，重点在于工件的刚性不被破坏，以保证整体零件的加工精度。

2.4.3 工艺设计原则

柔性加工工艺过程设计应遵循以下原则：

①工序最大限度集中一次定位的原则

在加工中心上加工零件，工序可以最大限度集中，即零件在一次装夹中应尽可能完成本台机床所能加工的大部分或全部工序。柔性加工系统倾向于工序集中，可以减少机床数量和工件装夹次数，减少不必要的定位误差。对于同轴度要求较高的孔系，通过顺序换刀来完成该同轴孔系的全部加工，然后再加工其他坐标位置的孔，以消除重复定位误差的影响，提高孔系的同轴度，对于相互有形位公差要求的孔系和面，尽量在一台机床上一次定位装夹完成这些孔系的精加工，以消除多次装夹的定位误差，有利于提高相互关联孔系的形位公差。

②先粗后精的原则

在柔性加工时，应根据零件的加工精度、刚性和变形等因素来划分工序，应遵循粗、精加工分开原则来划分工序，即粗加工全部完成后再进行半精加工、精加工。粗加工时应当在保证加工质量、刀具耐用度和机床、夹具、刀具、工件等工艺系统的刚性所允许的条件下，充分发挥机床的性能和刀具切削性能，尽量采用较大的切削深度、较少的切削次数，保证精加工前的余量，尽可能减少走刀次数，缩短粗加工加工时间。

精加工时主要保证零件加工的精度和表面质量，通常精加工面最后一刀应连续精加工而成，避免接刀痕。

为保证精加工质量，一般情况下精加工余量以留0.2～0.5mm 为宜。粗精加工间最好安排在两道工序上，粗加工完成后松夹，使粗加工变形得到充分恢复后，再次装夹进行精加工，以消除变形误差。

③先近后远、先面后孔的原则

一般情况下，按加工部位相对于对刀点的距离大小排加工顺序，离对刀点近的部位先加工，离对刀点远的部位后加工，以便缩短刀具移动距离，减少空行程时间。对于既要铣平面又要镗孔的加工，可按先铣平面后镗孔。铣完平面后，

使其具有一段时间恢复，待其恢复变形后在镗孔，有利于保证孔的精度。若先镗孔后铣平面，孔口就会产生毛刺、飞边，影响孔的配合精度。

④刀具最少调用次数原则

为了减少换刀次数，压缩空行程时间，应按所用刀具来划分工序和工步。即可按刀具集中工序的方法加工零件。为了减少换刀时间，尽可能将用一把刀具的工序集中，用同一把刀具加工完零件表面上的相同切削部分，以避免同一把刀具的多次调用、安装。即在一次装夹中，尽可能用同一把刀具加工完工件上所有需要用该刀具加工的各个部位后，再换第二把刀加工其他部位。

⑤附件最少调用次数原则

在保证加工质量的前提下，每调用一次附件后，应最大限度地进行加工切削，避免同一附件的多次调用安装。

⑥走刀路径最短原则

在确保加工质量的前提下，使加工程序具有最短的走刀路径，不仅可以节省加工时间，还能减少一些不必要的刀具磨损和消耗。走刀路径的选择主要在于粗加工及空行程的走刀路径的确定，因精加工切削过程的走刀路径基本上都是沿着其零件轮廓顺序进行的。一般情况下，合理安排各路径间的空行程衔接，可有效缩短空行程长度。

⑦程序段最少原则

在加工程序的编制中，应用最少的程序段数来实现零件的加工，使程序简洁，减少出错几率，提高编程效率，且能减少程序段输入的时间及计算机内存容量的占有数。

⑧柔性加工工序和普通工序的衔接原则

柔性加工工序前后一般都穿插有其他普通工序，如为解决铸坯余量大的粗加工工序，工序中穿插的一些试验检查、特殊控制工序等，如衔接的不好，就容易产生矛盾，最好的办法是各道工序需要相互建立状态要求，各道工序必须前后兼顾、综合考虑，如：要不要留加工余量、留多少？基准面与孔的精度要求、毛坯的热处理状态等，目的是达到相互能满足加工要求，且质量目标及技术要求明确，各道工序的交接验收有依据。

2.5 加工精度的研究

发动机缸盖凸轮轴孔加工的传统工艺是采用细长镗杆镗削加工，由于细长镗

杆的刚性差，造成所加工的孔同轴度差、轴线弯曲、孔径尺寸分散、粗糙度差等。

因此凸轮轴孔的加工工艺一直是发动机生产中的薄弱环节。在现代高速发动机中，由于转速的提高，对凸轮轴孔的精度要求也大大提高了，传统的孔加工工艺很难达到新的凸轮轴孔的技术要求。在西方发达国家，最常用的是采用HSK 刀柄带导条整体刀片可调式刀具，采用这种刀具加工出的凸轮轴孔完全可以满足零件的加工精度要求。我国最近投产的发动机生产厂家由于引进了国外的机床、刀具和工艺，在缸盖凸轮轴孔的加工上基本满足了凸轮轴孔的加工精度要求。但由于我们对所使用刀具和刀具对冷却液要求的了解不足以及生产条件等限制，使得缸盖凸轮轴孔的加工精度控制一直是生产中的一个难题。

在机床精度和刀具的精度足够好的情况下，影响凸轮轴孔加工质量的主要因素如下:

①切削刃:PCD刀片的特点是硬度很高容易崩刃。如果刀尖表面有微小的裂纹或缺口，刀尖的切削性能将大大降低，切削力增大，表现在加工上就是表面粗糙度变差、尺寸超差。微小的裂纹或缺口肉眼是看不出来的，只有在放大30-50倍的情况下才能发现。为此通过增加装刀前对刀片切削刃的检测方法、标准等内容，可以避免加工表面粗糙度的超差。

②引导孔:引导刀的加工尺寸一定要比被导向的刀具尺寸大。根据刀具及其加工精度要求不一样，导向间隙也不一样。

③冷却液:在生产初期，就要了解冷却液浓度对刀具加工精度的影响规律，当冷却液浓度下降后，会导致导向条润滑不良、加工表面易产生划伤。为此，加工车间制定了冷却液浓度管理表，日常生产严格执行。

④环境温度:温度对凸轮轴孔的加工精度影响很大。由于工件长时间停留在辊道上，工件温度与厂房温度接近一致，而加工环境(冷却液)控制在20土2℃，当在35℃环境下的工件进人机床后，加工过程中经过20℃冷却液的冷却，凸轮

轴孔中心逐渐向夹具本体方向收缩(如

图)。

铝的热膨胀系数为0.0000236，凸轮轴孔中心距燃烧室面的距离为112mm，其收缩量即凸轮轴孔中心发生的偏移量达0.0000236×112×15=0.04 mm。经常会由于引导孔中心位置的偏移导致同轴度超差。

第三章数字化技术在发动机缸盖工艺中的应用

3.1 数字化工厂介绍

在目前的国内制造企业中，有关产品加工过程的工艺管理如何进行一直是企业信息化建设的一个待解决的问题。数字化工厂就是为填补设计与具体实施之间的断层而提出的，从产品的角度而言，它为从工艺规划到产品的制造提供了有力的支撑。

采用数字化工厂技术，将给企业带来显著的经济效益。它将会减少产品上市时间，减少设计修改，减少生产工艺规划时间，提高生产产能，降低生产费用。其主要是对产品设计、零件加工、生产线规划、物流仿真、工艺规划、生产调度和优化等方面进行数据仿真和系统优化。数字化工厂技术有着广阔的发展前景，已经成为国内外研究的热点。目前国外企业中所广泛采用的Tecnomatix解决方案已经在很多行业中创造了明显的经济效益。例如，大众汽车公司从2002年就开始使用Tecnomatix解决方案，将其用于支持产品分析、工厂建模和设备规划等领域。在国内，一汽大众汽车公司在AUDIA6L白车身生产线的建模和优化仿真上,也使用了数字化工厂技术。

3.2 数字化工艺规划

工艺规划是产品设计和制造之间的桥梁，它可以把产品的设计信息转化为产品制造信息，因而是一切生产活动的基础。它可以优化配置工艺资源，合理编排工艺过程。工艺规划系统的主要功能可以用IDEFO模型来加以描述，如图所示。

数字化工艺规划是指在数字化制造的平台上，对产品的工艺进行规划，即以

数字化加工资源和工艺方法为基础，通过识别产品制造特征，为产品制定加工工艺路线，包括加工顺序、资源(机床、刀具和工装)分配、切削参数的制定、NC 代码的生成等等。其工作流程系统框架如图所示。

工艺规划流程系统框图

系统的产品数据库、资源数据库和知识数据库对上图的各项过程进行支撑，这些数据库包含着零件的CAD 模型、加工知识、某些特定用户的典型工艺规则和工厂的加工资源。数据库完善与否关系到工艺规划过程的顺利实施。 3.3 发动机缸盖工艺规划

该部分应用eM Power 软件中专门针对发动机工艺规划的eM Machining 模块。主要可分为两个方面:一是基础数据库的建立，包括资源库(Resource)的建立和工艺知识库(Domain 和Method)的建立；二是加工工艺的生成。

3.3.1 资源库

资源库中保存了一些典型的刀具、夹具和机床数据，但在实际应用中根据需要添加一些数据信息，如专用刀具、夹具等。新的数据单位还必须在数据库中进行定义，即该软件所链接的Oracle

数据库。刀头和刀柄定义完成后，把它们组

成一个完整的刀具(Tool Assembly)。源库中的刀具、夹具、机床部分分别建立尺寸、所属类别、厂家等加工必需数据。

3.3.2 工艺知识库

工艺知识库以Oracle数据库为基础，在树形结构上定义加工方法。

Domain中定义了刀具、机床、夹具等加工方法的基础框架。它将加工特征、机床、刀具、运动按“与/或”逻辑构建成树状结构，并通过别名与eM Machining 的内部数据库关联起来。

Method的建立方法是按“逆向推理”原则进行，将加工前特征(#Feature)、加工后特征(Feature)、机床(Machines)、刀具(Tools)、运动(Motions)、材料(Materials)关联起来，同时对此关联给出约束，包括加工精度约束、刀具尺寸约束、刀具优先级等。

3.3.3 CAD模型导入

首先，要把已经建好的CA D模型导入eM Machining。CA D模型以FEATURE STEP文件格式输出加工特征信息，为了完整地输出所有的加工特征信息，需要进行一系列的信息集成。首先，在Pro/ E软件中，从已有的毛坯模型输出毛坯STEP中性文件，再添加一些缺失的加工特征、特征尺寸精度信息、形位精度等，然后提取几何、精度信息，由此导入FEATURE STEP文件。

3.3.4 特征识别(Feature Recognition)

产品的加工特征分为原子特征(Atomic Feature)和复合特征(Compound Feature)两类，其中原子特征是一些可以用一组事先定义的参数描述的基本形状，如孔、槽等;复合特征提供了一种描述原子特征的组合机制，例如螺纹孔，包括了螺纹特征和孔特征。对比毛坯和零件模型，软件可以自动地识别出大部分的特征，对于一些不能自动识别的特征，需手动添加。

3.3.5 工艺规划中的其它工作

在加工生产线定义(Production Line)中，把所建立的资源库与识别出的特征进行关联，并把工件定位在工作台上。例如，把加工STEP2HOLE _THREAD的Tool Assembly、夹具Cylinder_ OP30和机床BW60HS赋予其对应的特征，并调整夹具的位置，这样就给每一个特征赋予了加工所必需的所有资源信息。

在刀具路径(Toolpath)中，可以生成每一个特征的加工APT代码，同时在视图中