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1、第七章 典型零件的加工工艺,汽车零件的种类很多，由于其结构、功能及所用材料的不同，加工方法亦各不相同。要想在有限的篇幅内对汽车所有零件的加工工艺一一进行介绍，既不可能又不现实。鉴于在学习本课程之前，同学们已具有相关专业基础，在此仅以几个最具代表的典型零件为例介绍汽车零部件的加工工艺。,第一节 箱体零件的加工,箱体类零件是机械设备和许多总成的安装基体，汽车上用到了多种不同的箱体，如发动机缸体、变速器壳体、驱动桥壳、转向器壳等。基于轻量化和便于总体布置的原因，汽车上箱体件的结构、形状都十分复杂，如图7-1和图7-2所示。尽管发动机缸体与变速器壳体的结构相差十分悬殊，但二者的加工工艺却有许多相似之处
2、，主要表现在二者的主要加工内容都是平面和孔。如此，了解了其中一种零件的加工工艺，也就知道如何去完成其他箱体的加工。下面就以发动机缸体为例介绍箱体类零件的加工工艺。 图7-1 发动机缸体 图7-2 变速器壳体,一、发动机缸体的加工工艺模式,发动机缸体加工工艺有三种不同的模式：专机流水生产、专机与加工中心相结合的自动生产、加工中心柔性生产。此三种生产模式分别是汽车发动机加工工艺技术发展过程中三个不同时期的典型代表。早期的发动机生产采用专机流水生产线，现代最先进的发动机生产采用加工中心柔性生产线；专机与加工中心相结合的生产方式处在早期和现代二种生产模式之间。我国现阶段，上述三种生产模式在汽车产业中并
3、行存在。,1、专机流水生产,专机流水生产线的特点是，生产过程缺少柔性，一条生产线生产一种产品或生产同一种结构型式不同规格型号的少数23种产品；每一个工位只完成一项或有限几项内容的加工，工序分散、生产线很长；任何一个工位出了故障，全线都停止生产；其优点是设备投资少、生产成本低。这是目前我国大、中型汽车发动机大多采用专机流水生产线的主要原因之一。,2、加工中心柔性生产,加工中心柔性生产与前述专机流水生产刚好相反，其主要特点是：可以多车型多品种发动机共线生产，具有很好的柔性；工序高度集中，少数几个工位就组成一条完整的生产线，任何一个工位出现故障只会影响产量而不会停产，扩能扩产十分方便；加工中心的技术
4、先进、切削速度高，生产效率高；其缺点是设备投资大，生产成本相对较高。,3、专机与加工中心相结合的生产,专机与加工中心相结合的生产，其特点是：前二种生产模式的优点和缺点均兼而有之，它具有一定的柔性和一个适当的生产成本，因此在我国较老的轿车生产车间仍在大量使用。,4、三种生产模式的异同点,由于此三种生产模式从生产组织到工序内容都存在本质的不同，因此其加工工艺的设计原则及加工工艺过程均存在很大的差异。如：对于专机流水生产模式，发动机缸体加工工艺的设计原则是大面的加工优先、易发现缺陷及深孔的加工工序靠前、先面后孔（先加工面后加工孔）、粗精分开（粗加工与精加工分开加工）；但加工中心柔性生产线加工发动机缸
5、体的工艺设计原则却是工序最大限度的集中、粗精一起（相对较早的加工中心，粗加工和精加工在一个工位上进行，先粗加工后精加工；近几年出产的加工中心已经有将粗加工和精加工放在一起同步进行）、先近后远、先面后孔、刀具调用次数最少、走刀路径最短。,二、发动机缸体加工工艺,尽管专机流水生产模式在我国大中型车辆发动机生产企业仍在使用，但由于：专机流水生产线的相关内容在先期的课程金属工艺学中已经涉及；在汽车产业，此生产模式已经逐渐被其他二种生产模式所取代。所以，在此以某发动机为例，简要介绍发动机缸体的专机与加工中心相结合的生产模式和加工中心柔性生产模式。,1、专机与加工中心相结合 的发动机缸体加工工艺,某发动机
6、缸体在专机与加工中心相结合的生产线上的主要加工工艺过程与各工位的加工内容见表7-1。 发动机缸体加工工艺 表7-1,发动机缸体加工工艺 续表7-1,2、加工中心柔性生产线 发动机缸体加工工艺,加工中心的英文名是machining center，简称CNC，别名自动换刀数控机床，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，是对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改变主轴转速与进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，
7、因而大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。,加工中心的诞生与发展,加工中心最初是从数控铣床发展而来，第一台加工中心是1958年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。这是制造技术发展过程中的一个重大突破。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。 二十世纪70年代以来，加工中心得到迅
8、速发展，出现了可换主轴箱加工中心，它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。,加工中心的种类,加工中心的种类很多，分类方法各异。按控制轴数量分，加工中心有三轴加工中心、四轴加工中心和五轴加工中心三类；按主轴与工作台相对位置分类，加工中心可分为卧式加工中心和立式加工中心、带立卧两个主轴的复合式加工中心、主轴能调整成卧轴或立轴的立卧可调式加工中心和万能加工中心（又称多轴联动型加工中心）五类；按加工工件类型分，加工中心可分为镗铣加工中心、车削加工中心、五面加工中心、车铣复合加工中心四类。 在众多的分类方法中按控制轴数量分类的方法最为常见，因为控制轴数的多少，反映了加工中
9、心功能的强弱。,1）三轴加工中心,三轴加工中心有三个控制轴，分别是X、Y和Z三轴，其中X、Y两轴组成工件的工作平台。对于立式加工中心，工件可以在XY平面内联续运动，Z轴是立轴，控制加工深度，因此其有效的加工面仅为工件的顶面。,2）四轴加工中心,四轴加工中心，除X、Y和Z三个控制轴外，还有一个旋转轴即第四轴。卧式加工中心的第四轴是B轴；立式加工中心的第四轴是A轴或者是C轴。A轴是指旋转轴的轴线与X轴平行的旋转轴； B轴是指旋转轴的轴线与Y轴平行的旋转轴； C轴是指旋转轴的轴线与Z轴平行的旋转轴。,3）五轴加工中心,五轴加工中心有五个控制轴，配上五轴联动的高档数控系统，可以对任意复杂的空间曲面进行
10、高精度加工。五轴加工中心有二种，即： 五轴立式加工中心 五轴卧式加工中心,五轴立式加工中心,五轴立式加工中心的回转轴有两种方式，即： 工作台回转轴方式 主轴头回转轴方式,工作台回转轴方式,设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围+30度至-120度。工作台的中间还设有一个回转台，绕Z轴回转，定义为C轴，可回转360度。通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0.001度，这样又可以把工件细分成任意角度，即加工任意角度的倾斜面和倾斜孔。A轴和C轴与XYZ三直线轴实现联动，就可加工任意复杂的空间
11、曲面。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转大于等于90度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。,主轴头回转轴方式,主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达90度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计的优点是：使用球面铣刀加工曲面，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回
12、转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量；主轴头回转轴方式立式加工中心的主轴重力向下，轴承高速空运转的径向受力是均等的，回转特性很好，因此可提高转速，以提高加工效率。目前，这类加工中心的实用最高转速已达到40000r/min。,五轴卧式加工中心,五轴卧式加工中心的回转轴也有两种方式，即： 主轴回转轴方式 工作台回转轴方式,主轴回转轴方式,卧式主轴的摆动作为一个回转轴，再加上工作台的一个回转轴，实现五轴联动加工。这种设置方式简便灵活，如需要主轴立、卧转换，工作台只需分度定位，即可简单地配置为立、卧转换的三轴加工中心。由主轴立、卧转换配合
13、工作台分度，对工件实现五面体加工，制造成本降低，非常实用。也可对工作台设置数控轴，最小分度值0.001度，但不作联动，成为立、卧转换的四轴加工中心。,工作台回转轴方式,设置在床身上的工作台A轴一般工作范围+20度至-100度。工作台的中间也设有一个回转台 B轴，B轴可双向360度回转。这种卧式五轴加工中心的联动特性比上一种方式好，常用于加工大型叶轮的复杂曲面。回转轴也可配置圆光栅尺反馈，分度精度达到几秒，当然这种回转轴结构比较复杂，价格也昂贵。,加工中心组成的加工模块,发动机缸体的加工通常采用将24台加工中心组成一个加工模块，一条发动机缸体生产线由35个加工模块组成，由交换工作台将工件送入加工
14、中心。如某轿车发动机缸体的生产线就有三个加工中心模块和上下体合装、清洗、检测等辅助工位组成，其主要工艺过程与工艺内容见图7-3和表7-2。 图7-3 发动机缸体加工工艺过程,发动机缸体加工工艺内容 表7-2,3、发动机缸体加工工艺 过程中的先进工艺方法,近些年，汽车发动机的性能几乎年年都有一定的提升，其中就有先进加工工艺的贡献。在发动机缸体的加工中用到了二项较先进的加工工艺，分别是： 铰珩工艺 平顶珩磨工艺,1）铰珩工艺,铰珩工艺的主要特点在于其铰珩珩磨头和实际铰珩过程。与传统珩磨工艺相比，铰珩珩磨头事先设定到工件所要求的最终加工尺寸。因此铰珩的切削过程只需要13个往复行程即告完成。珩磨头每一
15、个往复行程可去除金属层的厚度为220m。经过铰珩后可提高孔的形状和尺寸精度一级，表面粗糙度值可达到Ra0.32，尺寸精度可达到IT1。铰珩工艺最重要的特点是可以在一定程度上提高孔的位置精度。经过铰珩后的曲轴座孔可以显著地改善曲轴座孔与轴瓦钢背的贴合性。,1）铰珩工艺,铰珩工艺主要应用于内孔加工。按照珩磨轴的布置方式，铰珩亦可分为立式和卧式两种。珩磨条的涨开方式一般不采用液压方式，而采用机械方式，同时根据珩磨条充分冷却的需要，珩磨头一般采用内冷方式。 珩磨条的材料一般采用金刚石和氮化硼（CBN）材料，这两种材料的特性保证了珩磨质量和效率的提高，其特点如下：长寿命保证了完全自动化；良好的尺寸稳定性
16、能够获得极好的几何精度；可采用大磨削量，珩磨可代替精镗。,1）铰珩工艺,珩磨头的旋转和往复运动是珩磨的主要参数，其旋转的圆周速度为3050m/min，与传统珩磨的速度相近，但其往复速度为0.56m/min，比传统珩磨的速度要低很多。珩入和珩出长度对铰珩加工工艺过程中加工孔的圆柱度影响不大。 珩磨液的要求要比传统珩磨要求的适应性要强，但亦可以采用水剂珩磨液。珩磨过滤装置要求较高的过滤精度和充分的流量。,2）平顶珩磨工艺,平顶珩磨又称平台珩磨，是近些年在对已磨合完的发动机缸孔表面进行微观分析和研究的基础上发展起来的新工艺，由于其磨出的气缸孔表面的网纹呈光滑的平台状（微观形貌）而不是尖峰，气缸孔的表面就像是经过了磨合行驶一样，因此可以减少磨合时间(几乎可省掉磨合时间)。,平台珩磨的三个工序阶段,平台珩磨一般分为三个阶段（或称三个工序），即粗珩、精珩（表面基本结构加工）和平台珩，从而形成理想的缸孔表面。粗珩是修正和稳定精镗后的形状
