發(fā)動(dòng)機(jī)零部件螺紋孔的測(cè)量研究

賀 妍

（無(wú)錫凱美錫科技有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000）

螺紋聯(lián)接的形式在發(fā)動(dòng)機(jī)裝置的零件結(jié)構(gòu)中獲得了比較普遍的應(yīng)用，主要是由于相關(guān)的零部件在發(fā)動(dòng)機(jī)裝置工作過(guò)程中，容易受到各類作用的侵蝕，甚至?xí)l(fā)生斷裂等情況，這時(shí)零部件將會(huì)失效，因此在出現(xiàn)故障的情況下，需要及時(shí)對(duì)損壞的零件進(jìn)行更換。眾所周知，螺紋聯(lián)接的方式，其拆裝過(guò)程更加便捷。所以在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用相對(duì)比較廣泛。

1 螺紋孔結(jié)構(gòu)

螺紋孔結(jié)構(gòu)指的是采用絲錐進(jìn)行內(nèi)螺紋攻絲前預(yù)制的孔，通常是指被加工零件上內(nèi)置的圓孔，最底部或者是最上面的零件表面處的圓形孔洞，即為螺紋孔結(jié)構(gòu)。在實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中的螺紋孔不一定是采用鉆孔的方式鉆出來(lái)的，也可能是應(yīng)用別的加工方法制造出來(lái)的，比如沖壓或者鑄等。在后續(xù)的工藝過(guò)程中，如果底孔部位的直徑和內(nèi)螺紋部位的直徑數(shù)值保持一致的話，當(dāng)相關(guān)零件的金屬材料進(jìn)行擴(kuò)張時(shí)就很可能卡住絲錐裝置，這種情況下絲錐就非常容易發(fā)生折斷的情況；如果底孔部位的直徑比內(nèi)螺紋部位的直徑數(shù)值大得過(guò)多的話，就會(huì)發(fā)生攻出來(lái)的螺紋，其牙型高度數(shù)值不滿足實(shí)際需求進(jìn)而成為廢品的情況。螺紋部分的配合關(guān)系依據(jù)各個(gè)相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，需要具備對(duì)應(yīng)的配合用的公差，有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)設(shè)計(jì)人員可以查閱鉗工手冊(cè)。如果底孔部位屬于沉孔，則還要額外考慮攻絲過(guò)程中排屑方面的影響和制約。絲錐裝置在攻螺紋的時(shí)候，其切削刃的操作過(guò)程通常是對(duì)金屬進(jìn)行切削，不過(guò)同時(shí)還會(huì)有對(duì)金屬進(jìn)行擠壓的效果，所以在此過(guò)程中會(huì)形成金屬部位的凸起并且向牙尖部位流動(dòng)的情況，因此車(chē)間操作人員在攻螺紋之前，零件鉆削后的孔徑（也就是底孔的直徑）需要大于螺紋孔的內(nèi)徑數(shù)值[1]。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)裝置

發(fā)動(dòng)機(jī)（英文全稱是engine）指的是一種可以將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的機(jī)器設(shè)備，通常包含內(nèi)燃機(jī)（也就是指往復(fù)式活塞類型的發(fā)動(dòng)機(jī)）、外燃機(jī)（也就是常說(shuō)的斯特林類型的發(fā)動(dòng)機(jī)或者蒸汽機(jī)）、噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)等。其中的內(nèi)燃機(jī)裝置一般是將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。發(fā)動(dòng)機(jī)裝置既指的是動(dòng)力的產(chǎn)生設(shè)備，又指的是包含動(dòng)力設(shè)備和裝置的機(jī)器的整體（比如：汽油或者柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、航空用的發(fā)動(dòng)機(jī)等）。發(fā)動(dòng)機(jī)裝置最初是英國(guó)科學(xué)家發(fā)明的，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的有關(guān)概念也是英語(yǔ)中的詞匯，它本來(lái)的意義指的是一種“生成動(dòng)力源的機(jī)械設(shè)備或裝置”。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體

發(fā)動(dòng)機(jī)裝置的缸體部分屬于發(fā)動(dòng)機(jī)最為基礎(chǔ)性的零件及框架結(jié)構(gòu)，并且也是發(fā)動(dòng)機(jī)裝置進(jìn)行總體裝配過(guò)程中的基礎(chǔ)性零部件。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的主要作用是用于支撐與保證活塞部件、連桿部件、曲軸部件等內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的部件，使其能夠在運(yùn)行的時(shí)候維持非常精確的相對(duì)位置。確保發(fā)動(dòng)機(jī)裝置能夠順暢地進(jìn)行換氣、冷卻以及潤(rùn)滑等操作，為各類相關(guān)的輔助系統(tǒng)、零部件及發(fā)動(dòng)機(jī)整體的安裝提供相應(yīng)的支撐。通常來(lái)講，汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域中的發(fā)動(dòng)機(jī)裝置，其缸體與上曲軸箱會(huì)在鑄造的過(guò)程中實(shí)施一體化操作，可以稱為缸體-曲軸箱裝置。缸體上部的一系列圓柱形的空腔部位被稱為氣缸，下半部分是支撐曲軸所用的曲軸箱部分，其中腔內(nèi)是曲軸裝置進(jìn)行活動(dòng)的空間。一般在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體內(nèi)會(huì)鑄有若干的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)、冷卻用的水套結(jié)構(gòu)以及潤(rùn)滑油的油道結(jié)構(gòu)等功能性結(jié)構(gòu)[2]。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋部位

通常發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋部件安裝在缸體部件的上方，其可以在上部對(duì)氣缸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)密封的效果并且形成燃燒室結(jié)構(gòu)。該部位由于需要長(zhǎng)時(shí)間和高溫、高壓的燃?xì)獍l(fā)生接觸，為此需要承受非常大的熱量載荷與機(jī)械載荷。水冷類型的發(fā)動(dòng)機(jī)裝置，其氣缸蓋部位的內(nèi)部事先鑄有冷卻用的水套結(jié)構(gòu)，缸蓋部件的下端面處的冷卻水孔和發(fā)動(dòng)機(jī)缸體裝置內(nèi)的冷卻水孔相互連通。借助循環(huán)水的流動(dòng)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻燃燒室等高溫部件的目的。與此同時(shí)，缸蓋部件上還設(shè)置了進(jìn)氣、排氣門(mén)座部件，氣門(mén)處設(shè)置了導(dǎo)管孔，該部位是用于安裝進(jìn)氣、排氣門(mén)部件的，另外還設(shè)置了進(jìn)氣通道以及排氣通道等結(jié)構(gòu)。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋部件上配置了安裝火花塞裝置的工藝孔，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋部件上方設(shè)置了用于安裝噴油器裝置的工藝孔。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)裝置中缸體的關(guān)鍵性螺紋的研究

3.1 缸體裝置的缸蓋螺紋通常采用內(nèi)螺紋的加工方式

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體裝置中的缸蓋部件上使用的螺紋通常是采用內(nèi)螺紋的形式來(lái)進(jìn)行加工的。內(nèi)螺紋形式需要的相關(guān)測(cè)量指標(biāo)有如下若干種：鉆孔部位的深度數(shù)值、螺紋的深度以及螺紋配合的精度數(shù)值。螺紋配合的精度數(shù)值可以采用同樣精度數(shù)值的螺紋塞規(guī)或者止規(guī)來(lái)進(jìn)行測(cè)量，這樣就能控制住內(nèi)螺紋部位的中徑方面的偏差數(shù)值，最終實(shí)現(xiàn)圖紙規(guī)定的要求。螺紋的長(zhǎng)度方面的尺寸數(shù)值以及底孔部位的鉆孔深度的數(shù)值，屬于是自由類型的公差范疇，不過(guò)其也不可以對(duì)基準(zhǔn)尺寸發(fā)生過(guò)大的偏離程度，不然就會(huì)對(duì)螺拴部件的順利裝配產(chǎn)生不利影響。一般在工藝方面規(guī)定的合理的控制值為±0.575 mm。一般螺紋孔的深度方面的尺寸數(shù)值，需要采用深度尺或者游標(biāo)卡尺等工具來(lái)進(jìn)行測(cè)量，不過(guò)在實(shí)際操作過(guò)程中，此類測(cè)量工作是不能實(shí)現(xiàn)的。

3.2 缸體裝置的螺紋孔指標(biāo)的測(cè)量

在測(cè)量例如缸體裝置側(cè)面用于安裝發(fā)電機(jī)的支架的螺紋孔的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)的時(shí)候，深度尺工具的測(cè)量桿部位大于螺紋的孔直徑的時(shí)候，此時(shí)無(wú)法進(jìn)行測(cè)量操作。需要改用多用途的游標(biāo)卡尺工具來(lái)進(jìn)行操作，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)裝置的安裝平面和缸體裝置的測(cè)量基準(zhǔn)面在此時(shí)會(huì)形成一定數(shù)值的角度，游標(biāo)卡尺工具的實(shí)際測(cè)量基準(zhǔn)面和螺紋孔的深度基準(zhǔn)面之間可以用于接觸的面積過(guò)小，操作時(shí)不夠穩(wěn)定。并且此時(shí)的游標(biāo)卡尺的測(cè)量端和待測(cè)的螺紋孔尾部區(qū)域不能形成有效的接觸，也很難進(jìn)行測(cè)量操作；與此同時(shí)，通過(guò)測(cè)量操作得到的底孔部位的鉆孔深度數(shù)值具有比較大的誤差量。

3.3 有關(guān)螺紋長(zhǎng)度尺寸的加工過(guò)程研究

為確保螺紋部位具有合理、有效的旋合長(zhǎng)度數(shù)值，需要對(duì)螺紋的加工長(zhǎng)度進(jìn)行有效的控制，與螺紋部位的長(zhǎng)度數(shù)值相關(guān)聯(lián)的指標(biāo)是螺紋底孔部位的鉆孔深度數(shù)值，螺紋的底孔部位的鉆孔深度尺寸數(shù)值也需要進(jìn)行有效的控制。經(jīng)過(guò)數(shù)控加工中心高精度操控系統(tǒng)的操作，能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行2項(xiàng)尺寸的精確設(shè)置。不過(guò)因?yàn)榈毒叩哪p、機(jī)床設(shè)備的累積誤差及毛坯工件的硬度可能發(fā)生的各類不確定因素的改變，很可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)缸體裝置上的鉆孔深度數(shù)值以及加工螺紋部位的長(zhǎng)度數(shù)值出現(xiàn)不必要的改變，假如無(wú)法對(duì)其實(shí)施有效的控制，很可能導(dǎo)致相關(guān)工件出現(xiàn)批量報(bào)廢的嚴(yán)重事故，因此，車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)的檢驗(yàn)人員以及加工操作人員必須要對(duì)加工的工件實(shí)施定時(shí)的測(cè)量，盡量控制好相關(guān)加工參數(shù)指標(biāo)[3]。

4 加工現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量操作

加工車(chē)間的檢驗(yàn)站內(nèi)的檢驗(yàn)人員經(jīng)過(guò)持續(xù)的生產(chǎn)實(shí)踐，開(kāi)發(fā)出了一系列簡(jiǎn)單易用的測(cè)量工具，并且在實(shí)際操作過(guò)程中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，這樣就能比較容易地應(yīng)對(duì)鉆孔深度尺寸數(shù)值與加工螺紋深度數(shù)值在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中的困難。

通常來(lái)講，用于螺紋深度數(shù)值與鉆孔深度數(shù)值測(cè)量的工具，其結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，方便進(jìn)行加工制造。圖1（a）即為螺紋孔部位的剖面圖，尺寸A即為螺紋孔的深度尺寸，尺寸B即為螺紋底孔的深度。圖l（b）是用于測(cè)量螺紋深度以及鉆孔深度數(shù)值所使用的工具。同樣標(biāo)注出了和圖l（a）相互對(duì)應(yīng)的尺寸A以及尺寸B，相應(yīng)的檢驗(yàn)工具兩端的斜面為118°，這個(gè)角度和鉆孔部位的底部的斜面保持相同（也就是鉆頭工具頂部角度的數(shù)值），該測(cè)量工具使用1 mm厚的彈簧薄鋼板材料進(jìn)行制造，主要使用線切割機(jī)裝置進(jìn)行切割操作，也可以采用報(bào)廢的鋸條在砂輪機(jī)裝置上進(jìn)行手工操作，通過(guò)仔細(xì)地打磨得到。需要注意的一點(diǎn)是，此類測(cè)量工具的寬度需要小于螺紋底孔部位的直徑數(shù)值，不然該工具就不能和被測(cè)量的部位相互接觸。因?yàn)殇彈l的材質(zhì)具有一定程度的強(qiáng)度與彈性，因此該類型的測(cè)量工具在車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用會(huì)相對(duì)方便一些。

圖1 螺紋孔部位剖面示意圖

4.1 對(duì)于螺紋部位長(zhǎng)度的測(cè)量

如圖2所示的測(cè)量過(guò)程，把相應(yīng)的測(cè)量工具順著螺紋的底孔孔壁向上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，直到相關(guān)的測(cè)量刀口與螺牙部位出現(xiàn)接觸為止，測(cè)量人員通過(guò)垂直方向目視相應(yīng)的工具下刻線部位和刀口的距離是否在A±0.515 mm區(qū)間之內(nèi)，假如發(fā)生超差現(xiàn)象，需要調(diào)整絲錐工具工作的行程參數(shù)。

圖2 螺紋部位長(zhǎng)度的測(cè)量

4.2 螺紋底孔部位的鉆孔深度數(shù)值的測(cè)量

如圖3所示的測(cè)量過(guò)程，把檢驗(yàn)用的工具輕放到鉆孔部位的底部，工具端口成118°的情況下（也就是鉆頭工具頂部角度的數(shù)值），此時(shí)兩斜面和孔底部的斜面部位處于完全接觸的狀態(tài)，需要注意上刻線和測(cè)量刀口距離數(shù)值是否在B±0.585 mm區(qū)間之內(nèi)，假如發(fā)生超差現(xiàn)象，需要調(diào)整鉆頭工作的行程參數(shù)。發(fā)生接觸時(shí)，觀測(cè)者垂直觀察測(cè)量工具上刻線相對(duì)螺紋孔對(duì)于基面發(fā)生的偏移量。

圖3 螺紋底孔部位的鉆孔深度數(shù)值的測(cè)量

需要重點(diǎn)說(shuō)明的一點(diǎn)是：每種螺紋孔部位僅僅可以對(duì)應(yīng)單一規(guī)格的測(cè)量螺紋部位深度以及鉆孔深度的特定操作工具，這是因?yàn)槊糠N螺紋孔具有的參數(shù)各不相同，因此相關(guān)的測(cè)量工具只能是專用的。

5 測(cè)量方案的進(jìn)一步優(yōu)化

對(duì)于螺紋孔位置度精確測(cè)繪工作的關(guān)鍵問(wèn)題即為螺紋孔內(nèi)部中心線部位測(cè)量過(guò)程需要保證采集點(diǎn)處的偏差數(shù)值保持相對(duì)較小，如果可能，最好保證采集點(diǎn)位置處中心線與螺紋內(nèi)孔的加工中心線位置保持重合的狀態(tài)，還要注意，操作過(guò)程中需要保證螺紋孔測(cè)繪的位置度指標(biāo)的過(guò)程中，測(cè)繪點(diǎn)位置盡量選取在相同截面之內(nèi)。

從事測(cè)量的工程技術(shù)人員可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)更為新穎的測(cè)繪模式和方案，以此降低螺紋孔位置度指標(biāo)在測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的偏差，達(dá)到高效測(cè)繪以及較高的精度。下面是經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后，相關(guān)螺紋孔位置度指標(biāo)的測(cè)繪工作解決方案，此種測(cè)繪方法得到的結(jié)果，其偏差數(shù)值明顯低于傳統(tǒng)的測(cè)繪方法所得的結(jié)果。

優(yōu)化之后的測(cè)量方法的主要原理為：采用三坐標(biāo)類型測(cè)量?jī)x器的觸頭部位直接進(jìn)行內(nèi)孔中3個(gè)整數(shù)倍螺距部位“模擬圓柱體”處的各類參數(shù)，應(yīng)用這3個(gè)模擬的圓柱體部位中心點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建螺紋孔部位的幾何中心線。之后從這個(gè)模擬圓柱體中截取出3個(gè)平面，這3個(gè)平面上分別采集出5個(gè)點(diǎn)的參數(shù)，各個(gè)面和面間的距離數(shù)據(jù)保持為螺距數(shù)值的整數(shù)倍。應(yīng)用這個(gè)測(cè)量方案進(jìn)行操作之后，螺紋孔結(jié)構(gòu)的中心線偏差數(shù)值將會(huì)明顯小于傳統(tǒng)的測(cè)量模式，之后測(cè)量螺紋內(nèi)孔部位的中心線和絲錐截面部位發(fā)生重合位置的各類參數(shù)指標(biāo)，隨后對(duì)于重合處位置和測(cè)量過(guò)程基準(zhǔn)指標(biāo)間位置偏差數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而在達(dá)成待測(cè)量工件上內(nèi)孔位置度指標(biāo)的過(guò)程中，保持測(cè)繪點(diǎn)位置始終處于同一平面之中。

6 現(xiàn)場(chǎng)使用情況簡(jiǎn)述

為了進(jìn)一步驗(yàn)證此優(yōu)化方案的便捷性以及最終測(cè)量結(jié)果是否滿足有關(guān)的要求，將這個(gè)測(cè)量辦法用于某工具頂部螺紋內(nèi)孔中位置度指標(biāo)的相關(guān)測(cè)量工作中。操作過(guò)程中應(yīng)用了2種不同的測(cè)量方法，之后還進(jìn)行了相應(yīng)結(jié)果的比對(duì)，根據(jù)不同的測(cè)量方法，制訂出了2種測(cè)量的工藝方案執(zhí)行過(guò)程，分別對(duì)于該待測(cè)工具頂部螺紋孔部位進(jìn)行6次的測(cè)量操作。

經(jīng)過(guò)2種測(cè)量方法的對(duì)比，得到如下結(jié)果：根據(jù)優(yōu)化之后的測(cè)繪方法對(duì)于相同部位的位置度指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，6次操作中有5次偏離程度明顯小于常規(guī)方法的測(cè)量結(jié)果。

7 結(jié)論

通過(guò)上述分析，可得出如下結(jié)論。

（1）優(yōu)化后工件螺紋內(nèi)孔位置度的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)繪方案，確保了孔中心線建模的精準(zhǔn)性，實(shí)現(xiàn)了工件內(nèi)孔位置度“計(jì)算點(diǎn)”維持于相同圓面，此測(cè)繪方案實(shí)現(xiàn)了工件內(nèi)孔位置測(cè)繪誤差＜0.03。

（2）相同工件上對(duì)應(yīng)工件內(nèi)孔，多次重復(fù)測(cè)量的便捷程度高；大批量相同工件上相同位置工件內(nèi)孔，測(cè)量工藝便捷程度高；相同刀具鉆削的不同工件內(nèi)孔，其位置度測(cè)繪分析數(shù)據(jù)結(jié)果離散性較小。

8 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在實(shí)際生產(chǎn)加工的過(guò)程中，某些工藝人員思路中相對(duì)復(fù)雜的工程實(shí)際難題，很可能被某些一線工作的操作人員或者檢驗(yàn)人員采用比較簡(jiǎn)單并且實(shí)用的方法化解。因此車(chē)間的工藝人員需要多多深入到實(shí)際加工過(guò)程中，進(jìn)行思路的擴(kuò)展，這樣有助于解決加工實(shí)踐過(guò)程中發(fā)生的難題。