發(fā)動機凸輪軸蓋加工效率提升分析

徐國慶 徐飛躍 曾超鋒 周海軍 林愛綿

（①廣東鴻圖科技股份有限公司，廣東高要526108;②山特維克可樂滿大中華區(qū)廣州辦事處，廣東廣州 510063）

1 概述

圖1為筆者公司承接的某汽車公司全球供應的多款乘用車發(fā)動機使用的凸輪軸蓋（BRKT－CAMSHAFT）零件成品圖片，是安裝在發(fā)動機的汽缸蓋上，固定發(fā)動機的凸輪軸的一個零部件，有比較嚴格的加工尺寸、泄漏量和清潔度要求。該型凸輪軸蓋，主要應用于1.8 L和2.0 L的汽車發(fā)動機，除了給國內整車發(fā)動機廠供貨外，還向日本、泰國出口，通過發(fā)動機組裝，供應到全球各地。

圖2是凸輪軸蓋機加工簡圖。凸輪軸蓋和其他汽車零件相比，易變形，加工精度高，表面質量要求高。此零件是發(fā)動機總成的關鍵部件，有著嚴格的裝配尺寸要求和較高的形位公差精度。零件是典型的壓鑄件，材料牌號為YL113，年需求量為30萬件，零件最大外形尺寸440 mm×270 mm×110 mm。生產線分為CNC加工生產線和總成裝配生產線兩部分，總成零件的工藝流程為:壓鑄→除澆口及毛刺→矯形→CNC加工→清洗→壓裝鋼球→孔口壓鉚→試漏→包裝→入庫。

2 工件加工工藝分析及夾具設計方案

根據(jù)工件的結構和技術要求，經反復分析討論，確定了工件機加工分兩道工序進行加工:

OP10工序加工采用立式加工中心帶A軸回轉的加工中心橋式夾具，夾具采用典型的一面兩銷（彈性銷）定位夾緊方案，以工件毛坯背面的3－φ5 mmR1、R2、R3三處和2個M6 mm螺紋底孔，實現(xiàn)定位，OP10工序采用彈性銷定位，可以補償壓鑄毛坯孔口的誤差。加工A基準端面及端面上B基準定位銷孔的2－φ8mm、4－φ21 mm、2－φ27±0.1 mm，A軸回轉36.2°，加工 φ3 mm。

OP20工序加工采用立式加工中心帶A軸回轉的加工中心橋式夾具，夾具結構同OP10工序一樣，采用典型的一面兩銷（固定銷）定位夾緊方案，以工件A基準端面及B基準定位銷孔2－φ8mm 實現(xiàn)定位，加工背面、背端面及其上的 φ18mm、8－M6 mm、22－φ6.5 mm;A軸回轉+90°，加工端面及3－M8 mm;A軸回轉－90°，加工鋼球壓裝孔 φ7.8mm，通油孔 φ6 mm。

機床全部選用美國產HAAS VF3SS立式加工中心，機床數(shù)控操作系統(tǒng)為HAAS專用的操作系統(tǒng)，主軸采用12 000 r/min的有色金屬切削專用主軸，X/Y/Z運動行程1 016/508/735 mm，機床工作臺尺寸1 219 mm×457 mm，X/Y/Z定位精度±0.005 0 mm，重復定位精度±0.001 5 mm。夾具轉臺選用HAAS HRT210規(guī)格。

OP10工序加工工藝關鍵點:

工件外形比較大，而且基本為框架結構，形狀比較復雜，壓鑄毛坯很容易變形，剛性很差，對工件變形要求很高。為保證CNC加工前毛坯A基準端面平面度0.20 mm的技術要求，在毛坯壓鑄成型去除水口毛刺后，對毛坯矯形工序提出了很高的技術要求。為保證毛坯矯形工序的精度和質量，專門設計了帶36個測頭的數(shù)顯矯形檢具，投入到毛坯矯形工序中，實施對毛坯矯形工序質量全程在線監(jiān)測。

為控制工件裝夾和加工中產生變形，在工件毛坯外形上設置了3個φ5 mm的工藝凸臺R1/2/3，作用為軸向壓緊時工件固定在夾具中的主支撐。由于毛坯剛性很差，需要對零件進行多點的輔助壓緊，加強工件的剛性，才可以進行加工。加工A端面平面度0.10 mm，B基準定位銷孔 2 －φ8mm 尺寸及中心距390.21±0.05 mm的技術要求，為OP10工序中存在的技術難點。如何保證夾具裝夾工件時有足夠的剛性，使工件在加工過程中，不出現(xiàn)影響工件技術要求的裝夾變形，成為夾具設計和加工工藝編制的關鍵。

OP10銑端面液壓回轉夾具如圖3所示，工件裝入夾具后，夾具的兩個浮動定位銷定位和三點工藝凸臺固定支撐實現(xiàn)工件的六點定位，三個油壓杠桿缸壓緊，實現(xiàn)工件的初始壓緊，然后在工件四周和中間布置的15個液壓浮動支撐缸動作，實現(xiàn)輔助支撐，加強工件的剛性，最后通過在工件四周布置的7個油壓旋轉缸動作，壓緊相應部位的浮動支撐缸的輔助支撐點，從而實現(xiàn)對工件的高剛性完全壓緊。液壓回轉夾具實現(xiàn)了比較復雜的工件裝夾的工藝要求，夾具的液壓元件的動作順序通過順序閥1、2實現(xiàn)。夾具設計中，油壓杠桿（旋轉）缸和浮動支撐缸的選用，需要滿足浮動支撐缸的支承力F和壓緊相應部位的浮動支撐缸的油壓缸的壓緊力f之間的F≥1.5f關系。在本夾具中，經過查閱資料計算后，系統(tǒng)壓力選用5 MPa，油壓杠桿缸選用的缸徑φ32 mm規(guī)格，油壓旋轉缸選用的缸徑φ25 mm規(guī)格，浮動支撐缸選用的缸徑φ32 mm規(guī)格，比較理想地達到了夾具的設計要求。

OP20工序加工工藝關鍵點:

OP20工序夾具采用典型的一面兩銷（固定銷）定位夾緊方案，以工件A基準端面及B基準定位銷孔2－φ8mm 實現(xiàn)定位，在工件的四周布置4個油壓杠桿缸，實現(xiàn)對工件的定位壓緊。根據(jù)工件工藝要求，OP20銑背面需要φ45 mm、φ28 mm兩把面銑刀，才能夠完成背面加工。由于工件剛性很差，為控制工件在加工中產生變形，需要對工件進行多點輔助壓緊，加強工件的剛性，才可以進行加工。加工背面平面度0.15 mm，螺栓安裝孔φ6.5 mm的位置度0.2 mm的技術要求，為OP20工序加工工序中存在的技術難點。為保證工件CNC加工后及時檢測的快捷，在OP20的CNC機床邊專門配備了檢測背面平面度0.15 mm的專用平板、塞尺和檢測螺栓安裝孔φ6.5 mm的位置度的綜合檢具，將其作為重點技術質量特性，進行控制。

OP20銑背面液壓回轉夾具如圖4所示，工件裝入夾具后，通過夾具的兩個固定定位銷定位和A端面固定支撐實現(xiàn)工件的六點定位，三個油壓杠桿缸1壓緊，實現(xiàn)工件的初始壓緊，然后在工件的中間布置的8個液壓浮動支撐缸動作，實現(xiàn)輔助支撐，加強工件的剛性，最后通過在浮動支撐缸之間布置的4個油壓雙杠桿缸2動作，壓緊相應部位的浮動支撐缸的輔助支撐點，從而實現(xiàn)對工件的高剛性的完全壓緊。液壓回轉夾具實現(xiàn)了比較復雜的工件裝夾的工藝要求，夾具的液壓元件的動作順序通過順序閥1、2實現(xiàn)。

3 生產加工過程中問題及效率提升解決方案

3.1 生產加工過程中的問題

零件加工生產線在量產加工后約半年的生產時間里，陸續(xù)出現(xiàn)了一些問題，主要體現(xiàn)在以下方面:

（1）OP10工序的A基準端面的加工平面度0.10 mm和表面粗糙度超差。

（2）OP10 工序的B基位定位銷孔 2－φ8mm鉸孔過程中出現(xiàn)刀具刃口積削瘤，導致加工孔表面粗糙度超差，以及中心距390.21±0.05 mm超差。

（3）OP20工序的加工背面平面度0.15 mm超差，加工過程中刀具刃口產生積削瘤，導致加工表面粗糙度超差，φ45 mm、φ28 mm兩把面銑刀加工結合處表面存在有明顯的臺階現(xiàn)象。

（4）22個螺栓安裝孔φ6.5 mm的位置度的超差。

3.2 問題產生的原因分析及解決方案

針對量產加工后生產線加工中出現(xiàn)的問題，公司選用了瑞典山特維克的刀具效率提升解決方案。

（1）分析OP10工序的A基準端面的加工平面度0.10 mm和表面粗糙度超差的主要原因為選擇刀具的結構不合理，原A基準端面加工的φ125 mm刀盤，一個刀盤裝8顆金剛石刀片（6顆粗加工刀片和2顆精修刀片），刀盤的金剛石刀片是用徑向拉緊方式，這種結構的刀具的受力方向在刀片的長度方向，金剛石刀片采用0°前角，刀片具有最大的剛性，刀具可以承受最大的切削力，加工剛性強的工件，可以取得比較高的效率。由于工件的剛性不足，夾具設計已經最大程度上加強了工件的剛性，如何解決工件加工過程中的變形成為刀具是否適用的關鍵。

解決方案:采用了山特維克的R590φ125 mm刀盤刀具加工A基準端面，刀盤為高強度鋁合金刀盤，刀片在刀盤中的固定方式和原刀盤不同，是采用直接用螺釘壓緊方式，且刀盤的固定座上和刀片的固定面都有齒狀固定槽，使刀盤可以承受更高的轉速，同樣在壓緊刀片的同時，減小刀片的徑向跳動，也提高刀盤的加工精度，金剛石刀片采用5°前角，從而使刀片受力減小。在控制刀盤軸向跳動方面，刀盤內有螺紋調整機構，能保證刀盤的軸向跳動，在對刀儀上將6片粗加工刀片的高度差控制在0.01 mm以內，而2片精刀片對稱安裝，與粗刀片間的高度差為0.03～0.04 mm以內，這樣比以前用的刀盤、刀片耐磨、壽命長、表面質量粗糙度好，圓滿地解決了A基準端面的存在的技術問題。

（2）分析造成B基準定位銷孔 2－φ8mm，中心距390.21±0.05 mm超差的原因主要包括:B基準定位銷孔2－φ8mm 加工刀具為硬質合金鉸刀，加工工藝過程中為復合底孔刀加工出底孔和孔口倒角，然后鉸孔，硬質合金鉸刀的加工特點導致了在加工過程中出現(xiàn)排屑不良，加工孔表面粗糙度超差和中心距超差的現(xiàn)象。

解決方案:定位銷孔加工加工方案改鉸孔為鏜孔，由于鏜孔的孔徑比較小，刀體選用了山特維克的帶微調功能的鏜刀柄，刀片使用硬質合金刀片，更換成本很低。改善后，生產線經過多年的運轉，工件定位銷孔的表面質量和位置度，很少出現(xiàn)超差的現(xiàn)象，取得了比較好的效果。

（3）分析造成OP20工序的加工背面平面度0.15 mm超差，φ45 mm、φ28 mm兩把面銑刀的原因主要為φ45 mm、φ28 mm兩把面銑刀的法向切削力過大，造成加工面平面度超差。銑面時由于刀片角度不夠鋒利，刀片刃口粘鋁產生的積屑瘤劃花工件表面，

解決方案:φ45 mm、φ28 mm兩把面銑刀改用山特維克的R390面銑刀及刀片，在鋁材料加工中，由于材料較軟，很容易產生積屑瘤，要求刀具具有更大的前角及更高的切削速度。R390刀片采用大正前角，正后角設計，讓切削刃更鋒利，切削更輕快，從而徹底避免積屑瘤的產生以及所造成的加工表面的粗糙度超差。由于鋁的加工切削力相對較小，所以小楔角設計亦有足夠的刀具強度。前角越大，切削力越小，切削越輕快，楔角越大，刀具強度越好，后角越大，后刀面與工件摩擦力越小，減少刀具磨損。R390刀片的鋒利的PL槽型可以改善切削力，控制切屑成型與走向及斷屑，克服工件加工切削過程中剛性不足導致的 φ45 mm、φ28 mm兩把面銑刀加工結合處表面存在的臺階現(xiàn)象。

（4）分析造成螺栓安裝孔φ6.5 mm的位置度的超差的主要原因為:φ6.5 mm孔加工刀具采用的是鉆尖120°的直槽鉆，刀具的前角為0°，為減少壓鑄缺陷，工件毛坯有預鑄孔，導致在鉆孔時刀具刀刃的切削力不均勻，孔位置坐標偏移。鉆孔程序的孔位置坐標是按圖紙值進行編程的，加工出來的孔的位置就決定于刀具刀刃部位的切削力的大小和工件的工況，造成加工出來的孔位置度時有超差，綜合檢具檢查時有干涉的情況發(fā)生，需要不斷對加工程序坐標進行修正，進行調機，嚴重地影響了生產的進行。由于刀具的前角為0°，在切削中鉆尖刀刃前會產生積屑瘤，導致切削加工阻力變大，也會造成加工孔表面粗糙度超差。

解決方案:φ6.5 mm孔加工刀具更改為螺旋槽的平底鉆，由于鉆尖為180°，糾正了毛坯預鑄孔的坐標和加工孔坐標的不一致，基本消除了綜合檢具檢查時干涉情況的發(fā)生，刀具的15°正前角，大大減小了刀具軸向切削力，使刀具的剛性得到了加強，使加工效率得到了很大提升，同時也消除了刀刃產生積屑瘤的現(xiàn)象，圓滿地解決了加工中遇到的問題。

4 結語

總結量產初期CNC加工生產線生產中出現(xiàn)的問題，進行了效率提升解決方案，對刀具和加工工藝進行了比較大的技術改進，整個過程約半年時間，對改善前后的品質和生產效率進行了專門統(tǒng)計，產品的機加工工廢率由改善前的3%降低到0.7%，生產加工效率提高了約30%，取得了明顯的效果。此次效率提升方案獲得了成功，對公司存在的類似技術問題的解決也起到了很好借鑒作用。

［1］成大先.機械設計手冊［M］.4版.北京:化學工業(yè)出版社，2002.

［2］楊叔子.機械加工工藝師手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002.