【摘 要】在竞争日益激烈的今天，制造企业如何在保证产品生产加工质量的前提下，提高生产效率，降低制造成本，成为其主要研究方向。文章介绍了某车企B系列发动机气缸盖气门导管的加工方式、工艺要求及刀具选型，通过分析现有典型的可调式换片气门导管加工刀具的结构及其存在的缺陷，提出新型一体式刀具的优化方案，提高了刀具加工的稳定性，提升了生产效率，降低了加工成本，并实现了气门导管加工刀具的国产化。

【关键词】B系列发动机；气门导管；刀具；一体式；优化

【中图分类号】TG71 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）06-0058-03

0 引言

发动机是汽车的最核心部分，而作为整台发动机的重要箱体零部件之一，发动机气缸盖加工质量的好坏、精度的高低，是决定发动机性能的基础。气门导管孔的加工是气缸盖加工的关键点之一，特别是气缸盖气门导管孔的加工精度的好坏将直接影响发动机的性能。如果进、排气门导管孔与气门的密封配合不佳，产生泄漏，会给发动机造成以下后果：气缸压缩比不足以达到设计要求，功率降低；油耗增加，排放量增大，有产生黑烟并污染环境的风险；会造成进气管内部空气混乱，排气门的温度上升，造成积碳等。

在保证气缸盖气门导管孔的加工精度及产品的质量的情况下，如何提高刀具加工的稳定性，提升产品生产效率和降低加工成本，是各加工制造企业的主要研究方向。长久以来，发动机气缸盖气门导管孔加工一直是一个难以攻克的技术难点。

某车企B系列发动机铝合金气缸盖在气门导管加工中，设计工艺为使用直径为φ6.90 mm的粗铰刀具（刀具编号T 21206/T 21209）进行预铰孔加工，之后由直径为φ7.00 mm的精铰刀具（刀具编号T21207/T21210）完成最终加工。在日常加工生产过程中，精铰刀具（刀具编号T 21207/T 21210）在刀片的使用前期，其加工寿命很短，刀刃磨损较快，加工约10件零件时，导气门管尺寸就接近下差，需要多次换刀进行调整，影响生产效率和节拍。

1 气门导管加工工艺简述

发动机气缸盖气门导管的工艺要求包括导管孔的直径尺寸、导管孔的圆柱度（包括上、下截面直径差值）、导管孔的直线度、导管孔与气缸盖底面形成的角度、导管孔壁的粗超度、导管孔的位置度等，而由刀具进行精度保证且稳定性较差的是导管的孔径尺寸。该车企B系列发动机气缸盖气门导管的直径要求为φ7.0 mm（公差为0，+0.015 mm），其加工尺寸如图1所示。

加工气缸盖气门导管时，先使用直径为φ6.90 mm的粗铰刀具（刀具编号T 21206/T 21209）对导管进行预加工，留出0.10 mm左右的余量，再由直径为φ7.00 mm的精铰刀具（刀具编号T 21207/T 21210，如图2所示）进行最终加工，以保证产品气缸盖气门导管的最终尺寸精度达到要求（公差为0，+0.015 mm）。

2 加工刀具的结构分析

从工艺方面分析，气缸盖气门导管孔的孔径很小且深，以B系列发动机为例，孔径只有φ7.00 mm，这属于深孔加工，加工刀具的精铰刀杆，其悬伸之长，对刀杆的刚性要求非常高，目前导管孔精铰刀具的配备一般选用世界上主流的刚性复合刀具。目前，该车企B系列发动机气缸盖气门导管加工一直采用国外进口可调式换片刀具，此款刀具组成部分为刀片（1个）、导向块（2个）、压板、调整螺钉、压紧螺钉、液压刀柄及刀体等，为机夹刀片形式，可通过调刀仪进行微调处理以确保刀片的尺寸精度。刀具切削刃由锁紧螺母固定，并且由调整螺母调节刃高，当刀片加工磨损到一定程度后，可更换新刀片继续使用。此类刀具设计的原理为用支撑导条来吸收切削产生的振动和阻力，传导至刀杆上，利用刀杆的刚性来确保加工中的稳定性，以避免加工中造成直径、圆度、跳动等超差。导管加工部分采用精密超硬材料（PCD）刀片，并在其后方有2块PCD导条，导条在刀具进入导管孔加工表面之后，起到支撑和挤压修光的作用，使气门孔内部表面粗糙度达到要求。刀具结构如图3所示。

使用可调式换片刀具的优点为刀具可调至固定的尺寸，可稳定、精确地获得需要的尺寸要求；采用单刃加工，不会受到双向挤压，加工出来的气门导管孔几何形状精度较高；自行导向增加的刀具的刚性，保证了孔型的圆度和直线性；调刀时使用调刀仪、千分表等工具，保证仪器精确，操作可靠。

此刀具的缺点为由于是可调式换片结构，调整螺钉存在间隙，新刀片在加工时，刀刃会有一定的回缩量，会有气门导管孔径急速缩小、刀杆断裂等风险；新刀片前期加工壽命低，换刀频次高，平均每天约换6次刀，生产效率较低；刀杆较为昂贵，刀片前期磨损较快，生产成本比较高；加工的气门导管表面粗糙度较低；更换刀片时调刀工作比较繁琐，刀具回刀调整时间比较久，浪费人力成本。

3 刀具一体式优化

为提高缸盖气门导管的加工效率，降低加工成本，气门导管加工采用新设计的焊接PCD一体式刀具，通过焊接处理的方式，将切削刀刃直接焊接在刀杆上，即刀刃与刀杆结合为一体，无需锁紧螺钉，无需调整螺钉，无需调节刃高，气门导管孔的最终尺寸精度通过刀具制造精度保证（如图4所示）。

一体式刀具的特点为由于刀具采用的是刀刃刀杆焊接一体式结构，制造时可考虑其加工中的形变量，进而保证刀具的切削精度，刀刃可直接加工至寿命结束，无需在加工过程中进行调整；可选择采用多刃切削方式，在相同转速时，多刃铰刀的进给是单刃铰刀的2倍以上，加工效率高；加工过程中，切削刀刃所受的径向力和切向力均由铰刀杆承载，而刀杆的强度足以承受切削加工中所产生的综合力；新设计刀具的切削刀刃不存在松动情况，则避免了刀具寿命过低、刀刃回缩或者螺母松动等问题造成的换刀频繁现象，提高生产效率，同时降低了刀具的加工成本，减少了调刀工作量。

4 优化成果及经济效益

将优化设计的气缸盖气门导管一体式焊接刀具于该公司二期、三期生产现场展开测试加工，测试合格后，进行批量验证。验证加工过程中，气缸盖气门导管孔加工合格，且直径分布与可调式换片刀具加工没有明显差异，对比2种类型刀具的加工数据、结构差异、稳定性、成本等方面（见表1）。

此优化成果的創新性体现为气缸盖气门导管刀具一体式优化属创新型，在目前刀具结构的基础之上进行改造设计，新刀具的使用可减少换刀频率及调刀时间；简化了刀具的制造工艺，降低了刀具的制造成本；采用国内刀具供应商进行刀具制造，实现了刀具国产化优化；将刀具刀刃由可调式优化为不可调试，减少了繁琐的调刀工作，降低了人力成本；刀具结构的改变，可满足该公司原有的机床设备的加工要求，无需调整加工工艺及对设备进行改造。

根据该公司《节约效益换算标准》，经济效益计算如下：使用一体式优化后的刀具CPU（单台制造成本）节约1.26-0.68=0.58元，该公司发动机年产量为75万台；经济效益为0.58×75×10 000=510 000元；一体式刀具使用不需要换刀，可调式换片刀具按照每天换刀6次计算，每次换刀约花费时间10 min，即使用优化后的一体式刀具可节约时间60 min，该企业发动机工厂缸盖生产线共有104人；经济效益为10×21×6×12×26.77×104/60×10 000=702 000元；总共节约费用为510 000+702 000=1 212 000元。

5 结语

综上所述，通过对B系列发动机铝合金气缸盖气门导管加工工艺及主流的可调换片式精铰刀具结构的分析，明确了刀具的优化改进方向，采用一体式精铰刀具代替传统的可调换片式精铰刀具。该刀具优化方案在柳州某汽车发动机工厂缸盖生产线使用，成功地解决了气缸盖气门导管加工过程中存在的加工稳定性较差、换刀频繁、生产效率较低、生产成本较高等问题，优化方案实施后，生产线运行状况良好，取得了可观的经济效益。

参 考 文 献

[1]耿雪宵，刘志英.汽车发动机导管孔的加工刀具改进研究[J].组合机床与自动化加工技术，2016（4）：127-131.

[2]刘伟达.汽缸盖座圈导管加工刀具结构与加工质量的分析[J].工具技术，2017（5）.

[3]史胜祥，黄建松.气缸盖导管孔枪铰刀具优化试验研究[J].汽车工艺与材料，2008（5）.

[责任编辑：钟声贤]