发动机进气门数控加工工艺设计及编程毕业设计.docx

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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

1绪论1

1.1课程设计的目的和意义1

1.2　国内外研究现状3

1.2.1国外研究现状3

1.2.2国内研究现状3

2零件的分析4

2.1　零件的作用4

2.2零件的结构特点4

2.3零件的工艺分析6

3数控加工工艺规程设计8

3.1毛坯的确定8

3.1.1毛坯的选择8

3.1.2毛坯外形尺寸及加工余量8

3.2　基准的选择10

3.2.1定位基准的选择10

3.2.2粗基准的选择方法10

3.2.3精基准的选择方法11

3.3数控加工工艺路线的拟定11

3.3.1零件表面数控加工方法的确定11

3.3.2加工阶段的划分及工序的集中与分散14

3.3.3工序顺序的安排14

3.3.4加工设备及工艺装备的选用16

3.4加工余量、工序尺寸、公差及基本时间的确定18

3.4.1加工余量的确定18

3.4.2切削用量及基本时间确定19

3.5数控加工及编程33

3.5.1数控加工的走刀路线的确定33

3.5.2数控加工的定位与夹紧方案的确定33

3.5.3数控加工刀具与工件相对位置的确定34

3.5.4　数控加工的切削用量的确定34

3.5.5数控编程35

4三维实体造型36

5总结40

参考文献42

致谢44

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　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300～400°。

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（0.35～0.45C；1.90～2.60Si；≤0.035P；≤0.030S；9.0～10.05Cr；≤0.60Ni；0.70～0.90Mo；≤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，,，HB266～325。

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；

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