发动机零部件螺纹孔的测量研究

贺 妍

（无锡凯美锡科技有限公司，江苏 无锡 214000）

螺纹联接的形式在发动机装置的零件结构中获得了比较普遍的应用，主要是由于相关的零部件在发动机装置工作过程中，容易受到各类作用的侵蚀，甚至会发生断裂等情况，这时零部件将会失效，因此在出现故障的情况下，需要及时对损坏的零件进行更换。众所周知，螺纹联接的方式，其拆装过程更加便捷。所以在发动机零部件的结构中，应用相对比较广泛。

1 螺纹孔结构

螺纹孔结构指的是采用丝锥进行内螺纹攻丝前预制的孔，通常是指被加工零件上内置的圆孔，最底部或者是最上面的零件表面处的圆形孔洞，即为螺纹孔结构。在实际生产加工过程中的螺纹孔不一定是采用钻孔的方式钻出来的，也可能是应用别的加工方法制造出来的，比如冲压或者铸等。在后续的工艺过程中，如果底孔部位的直径和内螺纹部位的直径数值保持一致的话，当相关零件的金属材料进行扩张时就很可能卡住丝锥装置，这种情况下丝锥就非常容易发生折断的情况；如果底孔部位的直径比内螺纹部位的直径数值大得过多的话，就会发生攻出来的螺纹，其牙型高度数值不满足实际需求进而成为废品的情况。螺纹部分的配合关系依据各个相关的国际标准的规定，需要具备对应的配合用的公差，有关的标准相关设计人员可以查阅钳工手册。如果底孔部位属于沉孔，则还要额外考虑攻丝过程中排屑方面的影响和制约。丝锥装置在攻螺纹的时候，其切削刃的操作过程通常是对金属进行切削，不过同时还会有对金属进行挤压的效果，所以在此过程中会形成金属部位的凸起并且向牙尖部位流动的情况，因此车间操作人员在攻螺纹之前，零件钻削后的孔径（也就是底孔的直径）需要大于螺纹孔的内径数值[1]。

2 发动机装置

发动机（英文全称是engine）指的是一种可以将其他形式的能量转换成机械能的机器设备，通常包含内燃机（也就是指往复式活塞类型的发动机）、外燃机（也就是常说的斯特林类型的发动机或者蒸汽机）、喷气式发动机、电动发动机等。其中的内燃机装置一般是将化学能转换成机械能。发动机装置既指的是动力的产生设备，又指的是包含动力设备和装置的机器的整体（比如：汽油或者柴油发动机、航空用的发动机等）。发动机装置最初是英国科学家发明的，因此，发动机的有关概念也是英语中的词汇，它本来的意义指的是一种“生成动力源的机械设备或装置”。

2.1 发动机的缸体

发动机装置的缸体部分属于发动机最为基础性的零件及框架结构，并且也是发动机装置进行总体装配过程中的基础性零部件。发动机缸体的主要作用是用于支撑与保证活塞部件、连杆部件、曲轴部件等内部运动的部件，使其能够在运行的时候维持非常精确的相对位置。确保发动机装置能够顺畅地进行换气、冷却以及润滑等操作，为各类相关的辅助系统、零部件及发动机整体的安装提供相应的支撑。通常来讲，汽车工业领域中的发动机装置，其缸体与上曲轴箱会在铸造的过程中实施一体化操作，可以称为缸体-曲轴箱装置。缸体上部的一系列圆柱形的空腔部位被称为气缸，下半部分是支撑曲轴所用的曲轴箱部分，其中腔内是曲轴装置进行活动的空间。一般在汽车发动机的缸体内会铸有若干的加强筋结构、冷却用的水套结构以及润滑油的油道结构等功能性结构[2]。

2.2 发动机的缸盖部位

通常发动机的缸盖部件安装在缸体部件的上方，其可以在上部对气缸结构实现密封的效果并且形成燃烧室结构。该部位由于需要长时间和高温、高压的燃气发生接触，为此需要承受非常大的热量载荷与机械载荷。水冷类型的发动机装置，其气缸盖部位的内部事先铸有冷却用的水套结构，缸盖部件的下端面处的冷却水孔和发动机缸体装置内的冷却水孔相互连通。借助循环水的流动作用来实现冷却燃烧室等高温部件的目的。与此同时，缸盖部件上还设置了进气、排气门座部件，气门处设置了导管孔，该部位是用于安装进气、排气门部件的，另外还设置了进气通道以及排气通道等结构。汽油发动机的气缸盖部件上配置了安装火花塞装置的工艺孔，柴油发动机的气缸盖部件上方设置了用于安装喷油器装置的工艺孔。

3 发动机装置中缸体的关键性螺纹的研究

3.1 缸体装置的缸盖螺纹通常采用内螺纹的加工方式

发动机缸体装置中的缸盖部件上使用的螺纹通常是采用内螺纹的形式来进行加工的。内螺纹形式需要的相关测量指标有如下若干种：钻孔部位的深度数值、螺纹的深度以及螺纹配合的精度数值。螺纹配合的精度数值可以采用同样精度数值的螺纹塞规或者止规来进行测量，这样就能控制住内螺纹部位的中径方面的偏差数值，最终实现图纸规定的要求。螺纹的长度方面的尺寸数值以及底孔部位的钻孔深度的数值，属于是自由类型的公差范畴，不过其也不可以对基准尺寸发生过大的偏离程度，不然就会对螺拴部件的顺利装配产生不利影响。一般在工艺方面规定的合理的控制值为±0.575 mm。一般螺纹孔的深度方面的尺寸数值，需要采用深度尺或者游标卡尺等工具来进行测量，不过在实际操作过程中，此类测量工作是不能实现的。

3.2 缸体装置的螺纹孔指标的测量

在测量例如缸体装置侧面用于安装发电机的支架的螺纹孔的相关参数指标的时候，深度尺工具的测量杆部位大于螺纹的孔直径的时候，此时无法进行测量操作。需要改用多用途的游标卡尺工具来进行操作，因为发电机装置的安装平面和缸体装置的测量基准面在此时会形成一定数值的角度，游标卡尺工具的实际测量基准面和螺纹孔的深度基准面之间可以用于接触的面积过小，操作时不够稳定。并且此时的游标卡尺的测量端和待测的螺纹孔尾部区域不能形成有效的接触，也很难进行测量操作；与此同时，通过测量操作得到的底孔部位的钻孔深度数值具有比较大的误差量。

3.3 有关螺纹长度尺寸的加工过程研究

为确保螺纹部位具有合理、有效的旋合长度数值，需要对螺纹的加工长度进行有效的控制，与螺纹部位的长度数值相关联的指标是螺纹底孔部位的钻孔深度数值，螺纹的底孔部位的钻孔深度尺寸数值也需要进行有效的控制。经过数控加工中心高精度操控系统的操作，能够准确地进行2项尺寸的精确设置。不过因为刀具的磨损、机床设备的累积误差及毛坯工件的硬度可能发生的各类不确定因素的改变，很可能造成发动机缸体装置上的钻孔深度数值以及加工螺纹部位的长度数值出现不必要的改变，假如无法对其实施有效的控制，很可能导致相关工件出现批量报废的严重事故，因此，车间现场的检验人员以及加工操作人员必须要对加工的工件实施定时的测量，尽量控制好相关加工参数指标[3]。

4 加工现场的测量操作

加工车间的检验站内的检验人员经过持续的生产实践，开发出了一系列简单易用的测量工具，并且在实际操作过程中进行现场验证，这样就能比较容易地应对钻孔深度尺寸数值与加工螺纹深度数值在实际测量过程中的困难。

通常来讲，用于螺纹深度数值与钻孔深度数值测量的工具，其结构相对比较简单，方便进行加工制造。图1（a）即为螺纹孔部位的剖面图，尺寸A即为螺纹孔的深度尺寸，尺寸B即为螺纹底孔的深度。图l（b）是用于测量螺纹深度以及钻孔深度数值所使用的工具。同样标注出了和图l（a）相互对应的尺寸A以及尺寸B，相应的检验工具两端的斜面为118°，这个角度和钻孔部位的底部的斜面保持相同（也就是钻头工具顶部角度的数值），该测量工具使用1 mm厚的弹簧薄钢板材料进行制造，主要使用线切割机装置进行切割操作，也可以采用报废的锯条在砂轮机装置上进行手工操作，通过仔细地打磨得到。需要注意的一点是，此类测量工具的宽度需要小于螺纹底孔部位的直径数值，不然该工具就不能和被测量的部位相互接触。因为锯条的材质具有一定程度的强度与弹性，因此该类型的测量工具在车间现场的实际应用会相对方便一些。

图1 螺纹孔部位剖面示意图

4.1 对于螺纹部位长度的测量

如图2所示的测量过程，把相应的测量工具顺着螺纹的底孔孔壁向上进行运动，直到相关的测量刀口与螺牙部位出现接触为止，测量人员通过垂直方向目视相应的工具下刻线部位和刀口的距离是否在A±0.515 mm区间之内，假如发生超差现象，需要调整丝锥工具工作的行程参数。

图2 螺纹部位长度的测量

4.2 螺纹底孔部位的钻孔深度数值的测量

如图3所示的测量过程，把检验用的工具轻放到钻孔部位的底部，工具端口成118°的情况下（也就是钻头工具顶部角度的数值），此时两斜面和孔底部的斜面部位处于完全接触的状态，需要注意上刻线和测量刀口距离数值是否在B±0.585 mm区间之内，假如发生超差现象，需要调整钻头工作的行程参数。发生接触时，观测者垂直观察测量工具上刻线相对螺纹孔对于基面发生的偏移量。

图3 螺纹底孔部位的钻孔深度数值的测量

需要重点说明的一点是：每种螺纹孔部位仅仅可以对应单一规格的测量螺纹部位深度以及钻孔深度的特定操作工具，这是因为每种螺纹孔具有的参数各不相同，因此相关的测量工具只能是专用的。

5 测量方案的进一步优化

对于螺纹孔位置度精确测绘工作的关键问题即为螺纹孔内部中心线部位测量过程需要保证采集点处的偏差数值保持相对较小，如果可能，最好保证采集点位置处中心线与螺纹内孔的加工中心线位置保持重合的状态，还要注意，操作过程中需要保证螺纹孔测绘的位置度指标的过程中，测绘点位置尽量选取在相同截面之内。

从事测量的工程技术人员可以进一步开发更为新颖的测绘模式和方案，以此降低螺纹孔位置度指标在测量过程中出现的偏差，达到高效测绘以及较高的精度。下面是经过优化之后，相关螺纹孔位置度指标的测绘工作解决方案，此种测绘方法得到的结果，其偏差数值明显低于传统的测绘方法所得的结果。

优化之后的测量方法的主要原理为：采用三坐标类型测量仪器的触头部位直接进行内孔中3个整数倍螺距部位“模拟圆柱体”处的各类参数，应用这3个模拟的圆柱体部位中心点来创建螺纹孔部位的几何中心线。之后从这个模拟圆柱体中截取出3个平面，这3个平面上分别采集出5个点的参数，各个面和面间的距离数据保持为螺距数值的整数倍。应用这个测量方案进行操作之后，螺纹孔结构的中心线偏差数值将会明显小于传统的测量模式，之后测量螺纹内孔部位的中心线和丝锥截面部位发生重合位置的各类参数指标，随后对于重合处位置和测量过程基准指标间位置偏差数值进行计算，进而在达成待测量工件上内孔位置度指标的过程中，保持测绘点位置始终处于同一平面之中。

6 现场使用情况简述

为了进一步验证此优化方案的便捷性以及最终测量结果是否满足有关的要求，将这个测量办法用于某工具顶部螺纹内孔中位置度指标的相关测量工作中。操作过程中应用了2种不同的测量方法，之后还进行了相应结果的比对，根据不同的测量方法，制订出了2种测量的工艺方案执行过程，分别对于该待测工具顶部螺纹孔部位进行6次的测量操作。

经过2种测量方法的对比，得到如下结果：根据优化之后的测绘方法对于相同部位的位置度指标进行测量，6次操作中有5次偏离程度明显小于常规方法的测量结果。

7 结论

通过上述分析，可得出如下结论。

（1）优化后工件螺纹内孔位置度的三坐标测量机测绘方案，确保了孔中心线建模的精准性，实现了工件内孔位置度“计算点”维持于相同圆面，此测绘方案实现了工件内孔位置测绘误差＜0.03。

（2）相同工件上对应工件内孔，多次重复测量的便捷程度高；大批量相同工件上相同位置工件内孔，测量工艺便捷程度高；相同刀具钻削的不同工件内孔，其位置度测绘分析数据结果离散性较小。

8 结束语

综上所述，在实际生产加工的过程中，某些工艺人员思路中相对复杂的工程实际难题，很可能被某些一线工作的操作人员或者检验人员采用比较简单并且实用的方法化解。因此车间的工艺人员需要多多深入到实际加工过程中，进行思路的扩展，这样有助于解决加工实践过程中发生的难题。