在内燃机易损坏的气缸套，其背后究竟有多少凝结了多少工艺？

文|李伯陵

编辑 |李伯陵

前言

气缸套是内燃机上重要的易损件之一，它与气缸盖、活塞、活塞环组成了内燃机的燃烧室。气缸套的主要功能有三：封闭、导向和散热。

气缸套的结构形式：一般有水冷和风冷两种，水冷式气缸套又分湿式缸套和干式缸套两种。

湿式缸套的外壁直接与冷却水接触，其特点是散热效果好，但冷却水密封困难，缸套外壁腐蚀严重，其壁厚一般为5~9mm。

干式缸套的外壁不直接与冷却水接触，散热效果较差，其装配方式分压配式和滑配式两种。

压配式缸套以0.004~0.006D(D为缸套外径)的过盈量压入气缸缸孔内，压配合后进行缸套内圆的珩磨精加工，因此对缸套及缸孔二老的制造精度要求较高。

而风冷缸套依靠空气冷却，为提高散热性，缸套外表面上铸有许多散热片。

在结构方面也在常规湿式缸套、干式缸套和风冷缸套的基础上开发了钢质薄壁镀铬缸套及平顶网纹缸套。

这两种新型缸套改善了缸孔油膜分布，使其具有良好的贮油润滑、改善摩擦性能，缩短了磨合时间，具有耐磨损及节省机油耗量的优点。

新型柴油机缸套的主要技术要求见表 1，根据气缸套的技术要求，其机械加工的主要特点如下：

加工余量较大，但要求加工应力要小，几何精度保持稳定一致， 所以在整个加工过程中，多分为粗加工和精加工两步进行，以便分别从设备、刀具和夹具上采取措施，以保证加工精度。

而组成缸套的全部表面均需进行不同程度的机械加工，在这期间会造成加工中工件多次翻转装夹，则会影响加工的精度。

最终加工工序的几何形状、尺寸精度要求极高，因而需要多种高精度的工、夹、量具及机床设备。

上述特点在制订加工工艺，确定工艺参数，安排加工过程，选择设备、刀具和夹具时，均需统筹兼顾，全面考虑。

集中型：工序集中，工艺流程短，生产节拍快；生产线上多采用高性能专用多刀多工位设备，占地面积小，工件装夹次数少，安装定位误差小，加工精度高。

同时有很高的生产效率，降低了工人的劳动强度，是缸套加工技术的发展方向。但设备投资大。

分散型：工序多且工艺流程长，生产节拍慢，加工分散， 流水线上多用通用机床，设备数量多且占地面积大，生产率低，工人劳动强度大，但好处是设备简单。

定位基准类型： 以内外圆为定位基准，有利于提高内外圆的同轴度，装夹方便准确。为多数缸套生产厂采用。

以倒角为定位基准，夹具简单且操作方便，只是对倒角要求很高而且不得有磕碰、毛刺和铁屑等，否则将影响定位精度。

机床类型：

立式型：立式型机床加工操作方便，排屑快，易冷却，机床导轨磨损小，夹紧力与工件轴线方向一致，有利于定位。

夹紧时变形小，所以加工精度较高， 同时易于实现上下工件的自动化，这种类型机床是缸套加工设备的发展方向。

卧式型，多为普通标准机床、结构简单，操作方便,但加工精度较差，效率不太高，且不利于自动化。

在此类机器上，还有两种不同的刀具类型。

多刀多刃机械夹固式：此类刀具多采用新材质，硬度高而强度大，多刀多刃同时加工，冷却排屑条件好，撤卸方便，加工精度高，在大批量生产及自动化生产中，可节约大量辅助时间。

单刀焊接式：这是传统形式的刀具，刀具材料硬度低，易发生变形，工时消耗大有精度差。

以单机流水生产线为主，辅之以机群式加工方式，主要设备为自动、半自动机床，生产工序较多，一般为8~9道工序，测试技术方面，使用通用量具、仪器，手工检测占有相当比例。

为了方便管理、便于铁屑回收、减少往返运输量以及净化车间环境，一般车间都会将粗加工和精加工分开组织生产。

而在加工时普遍采用以内外圆互为基准、交替加工的原则，这样有利于提高内外圆的同轴度及其它几何精度和尺寸精度。

在实际生产中一般多采用缸套内孔作加工定位基准，粗、精铰孔后的尺寸和几何精度对最终工序（珩磨）的几何精度有决定性的影响。

因为珩磨只能提高尺寸精度和表面粗糙度，而对于形状位置的偏差则无法纠正，所以必须尽量提高该工序的几何精度，以满足珩磨工序的要求。

在此过程中，粗铰孔采用自制专机或大连机床厂DGT521立式双轴镗床。

精铰孔采用大连机床厂 DGT524立式双轴镗床，夹具为上压环式液压夹具，刀具为硬质合金镶齿刀具，其中粗铰一般为6个刀齿，精铰为6~12个刀齿。

切削用量：粗铰孔：V=20m/min，f=1.5mm/r，t=3.5mm，精铰孔：V=16m/min，f=2.0mm/r， t=0.5mm。

缸套内孔精铰后，圆柱度可达到0.02mm，粗糙度Ra1.6，但难以达到内孔0.0125mm的圆度和圆柱度要求。

随着新型主机的技术进行和发展，对气缸套的尺寸精度、形位精度提出了更高的要求，而国内现行气缸套机加工工艺和设备难以稳定达到要求的精度，特别是一些关键工序，如精铰内孔工序。

由于所用立式双轴镗床的精度及刚度较差，加工后缸套孔的圆度只能达到0.02mm，留的珩磨余量太大，使珩磨时间长，废品率高，珩磨精度只能达到IT7级。

现行机加工工艺存在工序分散，所用设备多，机床和工夹具调整困难，每更换一次产品，全线重新调整时间需4~5个班，不能适应多品种生产。

还有工件在加工中装夹频繁，影响定位精度，难以保证缸套下端面对内孔中心线或外圆表面的跳动≤0.02mm。

随着市场经济的发展以及主机的多样化，对多品种中小批量气缸套需求量较多，因此应改造或新建部分应变能力强的多品种中批量缸套机加工线，以适应市场需要。

因此我们研究了机加工工艺方案：将部分工序合并，缩短工艺流程，减小定位误差，采用部分 CNC车床，提高生产线柔性及适应性。

在精铰孔后增加一道精镗工序，提高内孔珩磨前的加工精度，其加工工艺流程如下：

将半精车外圆、切支承肩与车空档合并，采用高精度及高刚性的CNC车床加工。

将精车外圆、精切支承肩、切水封槽、车总长倒角合并，采用高强度高精度的CNC车床，刀具采用机夹不重磨硬质合金刀片或陶瓷刀片，进行高转速。

同时精车外圆和支承肩，以保证支承肩下端面对外圆表面或内圆表面中心线的跳动≤0.02mm。

而精镗内孔工序采用高精度立式双轴精镗床，将传统的多刀铰孔改为高速单刀镗孔，以提高缸孔的加工精度和表面粗糙度，设备具有高刚性、高强度、大功率。

还有珩磨内孔工序：由于精镗孔工序加工精度提高了一个档次，其尺寸精度和形状公差已达到产品要求，珩磨工序只是为了提高表面粗糙度，对普通网纹缸套，只需珩磨一道即可。

对平顶深网纹缸套则需进行拉网纹和抛光两道工序。

对于生产批量较大，产品品种较单一固定的湿式缸套，采用自动线加工，可提高生产效率，降低工人劳动强度，改善劳动条件。

一、自动线的设计能力应满足年产20万只缸套成品，二班五天工作制生产，设备负荷率80%，废品率<2%。

由于毛坯质量问题，为了使上线更加可靠，毛坯在上线前应先切车两头和大端一段定位直径。

二、自动线由加工设备及送料滚道、液压站、控制柜、冷却站、终端铁屑收集输送装置、安全防护装置等组成。

除产品入线退线外，在加工过程中可实现自动送料、自动装夹、自动传送，各加工机床间可储存25~30 只零件，实现机床之间的柔性连接，整线可自动运行，也可单机操作运行。

三、自动线电气系统采用进口 PLC(可编程序控制器)控制，单机应有独立电控柜。 采用空中走线，操纵台应有故障显示、报警，各主机有单独操纵台及计数装置。

自动线液压系统采用集中供油，分散控制，采用空中走管。

四、自动线车镗工序的冷却系统采用集中供水，分散控制，并在相应的易存铁屑处设置冲屑头，采用大流量冷却、冲屑，冷却后的水和冲下的铁屑由机床下面地沟流到主回道。

在终端的铁屑收集系统进行排屑，另外珩磨机和外圆磨床应设专用冷却箱，采用磁性及无纺布过滤装置。

自动线工艺流程和设备组成详情见表3。

设备说明：立式双轴粗镗床和粗镗床：可采用大连机 床厂DGT521 和DGT522 改 进， 将DGT521的主电机功率加大，增加自动上下料装置和排屑通道。

立式专用组合车床：按工序分成标准型和轻型两种类型，标准型用于粗车外圆，可满足重切削要求。

主轴箱选用德国通用铣头部件为基础，主轴结构按车削加工要求进行修改，采用国产变频主电机和进口变频器。

全自动切入式双磨头专用数控外圆磨床：采用进口伺服驱动装置，带有自动检测和自动补偿装置，砂轮线速度≥35m/s，并带有恒线速装置。

双轴立式珩磨机：仿德国 NAGEL 2VS10-60双轴立式珩磨机，主轴传动改为变频电机，实现无级调速，并且停机制动。

零点设定自动检测，实现往复速度调整功能，涨缩压力实现动态调整。

主轴转速80~160rpm无级调速，主轴最大往复速度28m/min，工件夹紧方式为径向夹紧，珩磨头为多镶条珩磨头，珩磨余量：粗珩磨 0.03~0.05mm，半精珩磨 0.03~0.05mm。

单轴立式珩磨机：仿德国 NAGEL VS10-60单轴立式珩磨机，主轴传速 80~160rpm无级调速，主轴最大往复速度28m/min。

工件夹紧方向为径向夹紧（橡胶涨套），珩磨头为双进给珩磨头，珩磨进给采用双进给方式，可以进行平顶网纹珩磨，珩磨余量0.03mm。

专用清洗机：采用喷淋式大流量的清洗方式，清洗后用压缩空气吹净残留煤油。

国外缸套机械加工工艺先进，工序集中，工艺流程短，多品种成批生产一般采用高效单机自动、成组加工及柔性加工，大量生产多采用流水线及自动线。

国外干式缸套加工一般为4~5序，湿式缸套为5~6序，采用多刀多刃多工位加工，由于采用高转速、小进给量(车削加工一般为0.3min/r)，大流量冷却液，所以加工质量稳定。

3缸套加工设备质量大，刚性好，而且对悬臂芯轴夹紧的粗车外圆机床还装有灵活移动的尾座顶尖，以增加工艺系统的刚性。

一般粗加工尺寸精度公差在0.1mm以内，可直接进行无心磨削，精车外圆，精镗内孔尺寸及几何精度均小于 0.02mm，尺寸稳定，分散性小。

国外缸套珩磨前均采用精镗工艺，机床为双轴镗削主轴，工件成对地压紧在定位元件上，主轴由下向上采用三刀分层镗削，主轴转速为 300rpm，走刀量为 0.2mm/r，镗孔尺寸及几何精度在0.01mm以内。

珩磨采用带主动测量装置的双轴珩磨机，平顶网纹缸套采用平顶网纹磨机床，应用铜基金飓石砂条粗珩，再用软木砂条或细粒碳化硅砂条抛光。

英国威尔沃斯厂湿式缸套加工流水线简介

粗车外圆，粗镗内孔：切总长及切毛槽至支承肩厚度，毛坯为端部有锥形台阶的圆筒，其锥形台阶供机床夹持之用。

机床为专用仿形车床：备有前后刀架及镗孔尾架，前刀架为液压仿形刀架，对工件外圆进行单刀仿形车削，镗孔尾架上装有带导向块的专用镗刀对内孔进行加工，主轴转速 118rpm，进刀量 0.5mm/r。

精车外圆、支承肩厚度：工件装在芯轴上前后顶紧，在多刀自动车床上加工，机床前刀架进行各档外圆车削，后刀架对支承肩进行精加工。

切槽、倒角：对缸套内孔及外圆进行倒角加工，并切出水封槽。

磨外圆：在无心磨床上对工件上下腰带进行磨削，磨削的尺寸公差控制在0.025mm以内。

精镗内孔：使用专用的四轴精镗床进行加工。

工件用上下腰带外圆定位，由上端顶部压板压紧。机床镗杆自下而上对内孔进行镗销。采用机夹不重磨陶瓷刀片。

珩磨，采用双轴珩磨机加工，工件大头向下以大端外圆定位，通过一个压紧环压紧。

机床装有刚性主动测量塞规，由于部伸入工件内孔进行测量，当珩磨加工达到要求尺寸后，触动微动开关停止加工。

珩磨分两次进行，第一次用碳化硅砂条（粒度 SC60~80），半径余量 0.015~0.02mm，第二次珩磨砂条粒度 SCG320，半径余量 0.005mm。

该自动线由七道工序8台设备组成(不包括珩磨)，全部采用立式双轴机床，上主轴为工作主轴，自动线分前后两段，前段为粗加工段，包括粗镗、粗车、仿形车三道工序。

后段为精加工段，包括半精镗、切槽倒角、精镗、精车四道工序。

料道为直通式，工件传送由步进杆实现，加工缸径∅100产品时，效率为30万件/年，自动线占地面积28000×6000。

整个自动线分为两段即粗加工段和精加工段，便于生产的组织管理，如粗加工后往往暴露出毛坯缺陷，及时发现后加以排除，不致流入精加工。

也可粗加工段安排三班生产而精加工段安排两班，另外粗加工段用乳化液而精加工段要用煤油或其代用品作冷却剂，从而为集中冷却、统一排屑创造了条件。