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铸造铝合金缸盖平面的高速铣削

切削技术的飞速发展使机械加工走向了高速、高效切削，而高速加工中心的使用更加速了这一进程。最近，我们在铸造铝合金缸盖平面加工上进行了高速切削，取得了较好的效果。

零件结构及精度分析

缸盖是发动机的关键基础件之一，其上表面是罩盖安装面，下表面与缸体上表面配合，左右分别是进排气面，前面是前罩盖，后面是变速器，六个表面都是配合表面，要尺寸准确，相互垂直，既要有好的平面度，更要有低的表面粗糙度。缸盖上既有进排气道，又有油路、水道，更密布有燃烧室、进排气门导管孔、座圈孔、挺柱孔、火花塞孔及凸轮轴安装孔。六个大平面的平面度允差0.05mm，相互垂直、平行允差0.08mm，尺寸公差0.1mm，表面粗糙度Ra1.6，上下平面的铣削范围Smax＝392×265.5mm2。从以上的分析可见：缸盖是结构复杂，内腔多、壁厚薄、刚性差的箱体件；六个平面精度高，形状、位置要求严格，平面加工范围大；而壁厚薄、刚性差更增加了加工难度。

缸盖的高速、高效切削涉及机床、刀具、材料等多方面，在机床、刀具、零件材料确定之后，把各方面有机地串联在一起的就是加工工艺。因此欲实现缸盖的高速、高效切削必须有科学、先进、合理的加工工艺：正确选择毛坯；合理确定工艺基准；安排精益的工艺路线；工艺参数恰当；有效而可靠地控制产品质量。

我们公司缸盖的加工设备是德国HELLER公司的高速加工中心，主轴最高转速16000r/min，X、Y、Z轴进给速度可在1～6000mm/min内随意调节，快进速度60m/min，B轴转速（360×1°旋转分度工作台）40r/min，主轴最大功率20/30k8月10日W，最大扭矩95/143Nm，X、Y、Z线性轴定位精度0.0021mm，重复定位精度0.00125mm，可见机床的功率、扭矩、加热电缆主轴转速、进给速度，以及定位精度完全可以满足产品加工的要求，图1为我们的缸盖生产线。

图1 缸盖生产线

刀具的选用

刀具是机械加工中最关键、活跃的因素，它敏感地影响到加工质量和加工效率，应慎重选择。通过现场的实际加工，缸盖平面加工刀具我们选择了肯纳公司的KSCM-AluMill高速面铣刀。KSCM-AluMill高速面铣刀由钢制刀盘和铝制刀体组成，在保证足够刚性不过它和吸水率是息息相干的的前提下减轻了重量，且双金属结构减少了振动；PCD刀片具有高硬度、高耐磨性、高导热性及低摩擦系数，非常适用于铝合金的高速切削；该刀具具有高金属去除率，低加工毛刺的特点，有利于提高加工效率。通过几个月的加工实践，KSCM-AluMill高速面铣刀加工控制阀效果良好。

毛坯、基准和加工余量

缸盖的材料是铸造铝合金，ZL107有良好的铸造性，铸件外观状态好、致密性好且精度高，适宜做复杂的零件，同时又具有良好的加工性，适于机械加工。考虑到缸盖内部既有油路又有水路，形状和结构复杂，机加工序多、周期长，且机加过程中不允许有大量的毛坯报废，因此要求铸件控制燃烧室表面不允许有任何铸造缺陷，铸件不允许有裂纹、冷格、缩孔、疏松及浇不足。为提高强度，我们增加了必要的加强筋，铸件公差按GB/T6414-CT7级。同时，我们与毛坯厂家协商，在毛坯出厂前进行预加工，渗漏检测，不合格毛坯不出厂。从而提高了进入生产线的毛坯质量和加工效率，减少了机械加工的毛坯废品，增加了成品合格率。

按六点定位原理，缸盖底面上的三个凸台为毛坯定位基准，三凸台上表面和侧面为高度和宽度方向的基准；进气侧2～3进气道中隔的对称中线为长度方向基准（实际定位面是2～3进气道侧面）；为确保定位基准的精度，铸件要控制三个凸台定位表面的平面度和共面性消火栓箱，同时以此三个基准控制毛坯的孔系和面系的铸造位置；精基准为一面两销，实现了加工中的基准统一。提高毛坯精度，减小加工余量，是实现高速、高效切削的措施之一，在缸盖的面系加工中，我们将加工余量（单面）控制在3mm之内。

工艺路线

工艺路线不仅会影响产品质量，而且对生产效率和生产成本也会产生影响，因此必须合理安排。确定工艺路线的原则为：1. 保证产品符合设计图样要求，且质量稳定。2. 有利于发挥设备与工艺系统的效能，方便操作，物流合理。3. 尽量做到生产周期短、效率高、成本低。缸盖平面加工的具体工艺路线安排如下：

1. 以毛坯基准定位，完成顶面及二定位销孔的加工，形成顶面的一面二销的工艺基准；同时完成前后面及前后面上的孔系加工；最后以较小的余量对顶面进行精加工，以确保顶面有高的平面度和低的表面粗糙度；前、后面和顶面一次加工完成，提高了相互间的垂直精度。尤其要注意的是，由于缸盖内腔多、壁厚薄、刚性差，且是毛坯定位，因此要避免出现安装、定位变形；压紧点要合理，压紧力要适当，避免压紧变形。

2. 以顶面及其上的二销孔定位，加工底面及二定位销孔，形成底面的定位基准，同时加工底面孔系。本工序结束前以较小加工余量对底面及定位销孔进行精度高一次精加工，确保底面的平面度、与顶面的平行度，以及较好的尺寸精度和较低的粗糙度吸塑包装。

3. 以底面及其上的二定位销孔为基准，加工两侧面，控制两侧面的平面度、垂直度、位置度和表面粗糙度，加工两侧面的孔系。

工艺参数、加工精度

缸盖六个平面，粗铣及精铣，切削速度V＝2500～3000m/min，每齿进给量Fz＝0.12～0.15mm/z、进给速度Vf＝11.5～15m/min。加工后对零件进行检测，平面度误差最大不大于0.02mm，最小仅0.0034mm，上下面平行误差最大为0.05mm，上下面、前后面相互垂直误差仅为0.03mm，表面粗糙度Ra0.8。可以说，缸盖的平面加工完全满足产品的精度要求，平面度最大误差仅为公差的40%，上下平面的平行度误差较大也仅是公差的62.5%。

欲确保平面加工质量，刀具必须锋利，且切削角度合适，尽量减少轴向加工抗力，否则将产生振动，加工表面会出现振纹，破坏加工精度，使表面粗糙度变坏。其次，要切削适当余量，尤其是修光刃修光余量，应能保证充分修掉精铣刀痕，使加工表面的平面度更好，粗糙度更低。为确保平面加工的质量，还应着眼于影响加工的整个系统。例该复合材料是由氧化铝陶瓷纳米层与石墨烯组合如，我们在缸盖加工中，曾发生第一凸轮轴孔在锁瓦槽位置有较深划痕（见图2），检查刀具，既没有切削瘤，切削刃也没有豁口，最后发现切削液的滤纸变了，新滤纸薄且滤孔较大，滤过的切削液出现了很多以前没有的颗粒，从而说明换滤纸使切削液过滤效果变差，刀具挤压切削液中的颗粒将孔划伤。划痕之所以出现在锁瓦槽处，是因为该处切削液有回流积存了较多颗粒。更换滤纸后，切削液中的颗粒没有了，凸轮轴的内孔划痕也不见了，如图3所示。

图2 内孔有一环形划伤

图3 换滤纸后划伤消失

结语

目前，长城汽车已经实现了缸盖的平面高速、高效加工，但这仅仅是第一步，就缸盖加工而言，还有凸轮轴孔加工，气门座圈孔、导管孔加工等，要解决的问题还有很多，要学习的东西更多。接受新事物，学习新知识，是我们一贯的态度。让我们着眼全局，注重细节，切实搞好高速、高效加工，降低成本，努力为企业创造更大的效益。