缸蓋噴油孔加工圓度及其穩(wěn)定性分析

彭存遠(yuǎn)，金鐳，朱子健

北京奔馳汽車(chē)有限公司

1 引言

缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)零件中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的箱體類(lèi)零件，也是發(fā)動(dòng)機(jī)最為重要的三大核心部件之一。缸蓋的加工工藝較復(fù)雜，對(duì)加工精度要求很高，其加工精度直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能[1]。其中，噴油孔加工是關(guān)鍵加工工序之一，其加工精度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有著重要影響。

噴油孔的圓度超差主要影響燃油軌的塑膠密封圈的密封性。自M282缸蓋投產(chǎn)以來(lái)，噴油孔的圓度經(jīng)常出現(xiàn)超差的現(xiàn)象，其加工穩(wěn)定性及刀具壽命無(wú)法達(dá)到要求(刀具壽命目標(biāo)6000件，實(shí)際500件左右)。因此，在保證各項(xiàng)公差要求的情況下，優(yōu)化加工工藝，對(duì)加工方式、切削刀具、刀具材料以及切削參數(shù)等進(jìn)行改進(jìn)，從而不斷提高刀具壽命、減少換刀頻次和降低加工成本成為新的研究重點(diǎn)。

本文針對(duì)噴油孔圓度超差問(wèn)題開(kāi)展研究，提出工藝優(yōu)化方案，并驗(yàn)證了方案的可行性，旨在確保圓度穩(wěn)定性、提升刀具壽命、降低換刀頻次和降低加工成本基礎(chǔ)上提高生產(chǎn)效率。

2 噴油孔工藝分析

2.1 刀具選擇

M282缸蓋毛坯材料為AlSi10Mg合金。鋁合金導(dǎo)熱性能較好，有利于適當(dāng)提高壓縮比，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和降低噪聲，使發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗下降[2]。常見(jiàn)的鋁合金缸蓋加工工藝包括鉆、銑、鏜、鉸及攻絲等[3]，要求滿足各部位的尺寸精度、位置精度、形狀精度及表面粗糙度?？准庸?duì)位置精度和同軸度要求很高，噴油孔圓度超差主要由鉸孔產(chǎn)生。由于加工噴油孔的切削余量較大，所以分為粗鉸和精鉸兩步完成，本文選用PCD鉸刀。

2.2 工藝要求及分析

M282缸蓋加工工藝如圖1所示，在OP90工位，噴油孔加工工藝共涉及粗加工(加工刀具為T(mén)9001，見(jiàn)圖1a)及精加工(加工刀具為T(mén)9027，見(jiàn)圖1b)兩個(gè)工序。采用T9001粗鉸孔，加工完臺(tái)階1～3后，采用T9027刀具繼續(xù)精鉸臺(tái)階1～2區(qū)域。

(a)粗加工工藝(采用T9001刀具)

在OP90機(jī)床上采用兩家進(jìn)口刀具供應(yīng)商的加工方案進(jìn)行試生產(chǎn)。生產(chǎn)結(jié)果顯示，圓度超差問(wèn)題基本發(fā)生在甲廠商的刀具和加工方案中，通過(guò)對(duì)比圖紙發(fā)現(xiàn)刀具存在差異。

如表1所示，對(duì)于臺(tái)階1，均先用鉸刀粗加工至7.25mm后再精加工至7.75mm，此工序無(wú)差異。對(duì)于臺(tái)階2，B方案是粗加工孔至17.9mm；A方案則先粗加工鉸至17.4mm，再精加工擴(kuò)大0.5mm。對(duì)于臺(tái)階3，B方案直接對(duì)孔徑粗加工到22.6mm；而A方案分兩步，先粗加工至20.5mm再擴(kuò)大至22.6mm。由于圓度超差主要出現(xiàn)在甲廠商方案中，因此本文主要對(duì)甲廠商方案的加工工藝進(jìn)行分析。

表1 刀具刀刃半徑對(duì)比 (mm)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

排除干擾因素后設(shè)計(jì)交叉實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。在B方案中，分別找出一套噴油孔圓度合格(包括1把單獨(dú)粗加工圓度合格的T9001刀具和組合加工后圓度合格的T9027刀具)的組合刀具以及一套圓度不合格的組合刀具(包括1把單獨(dú)粗加工圓度超差的T9001刀具和組合加工后圓度超差的T9027刀具)，分別定義為樣本A(CH9001- 33和CH9027- 29)和樣本B(CH9001- 27和CH9027- 34)，將兩組刀具樣本中的粗精加工鉸刀進(jìn)行交叉混合實(shí)驗(yàn)，并測(cè)量噴油孔圓度，繪制曲線圖。

測(cè)量結(jié)果如圖2所示，其中縱坐標(biāo)表示圓度(μm)，橫坐標(biāo)表示切削實(shí)驗(yàn)序號(hào)。由數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，樣本A組合加工后的圓度公差為3μm左右；樣本B組合加工后的圓度公差為11μm左右，超過(guò)控制線。在T9001刀具與T9027刀具組合交叉實(shí)驗(yàn)情況下，樣本A中的T9001刀具與樣本B中的T9027刀具結(jié)合，命名為樣本C，其圓度在公差范圍內(nèi)，且圓度變差跡象不明顯；樣本A中的T9027刀具與樣本B中的T9001刀具結(jié)合后，命名為樣本D，可以明顯看出，樣本D的圓度變差。

(a)樣本A、B與樣本C、D對(duì)比

綜合對(duì)比上述四組樣本結(jié)果，可以初步判斷T9001刀具對(duì)加工結(jié)果圓度的影響較大。因此，設(shè)計(jì)了第二組實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)驗(yàn)證T9001刀具對(duì)加工圓度的影響情況。

將粗加工時(shí)圓度合格的T9001刀具命名為樣本E，粗加工圓度不合格的T9001刀具命名為樣本F。將樣本E和樣本F與之前組合的樣本C和樣本D進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)为?dú)粗加工時(shí)，樣本E只能將圓度加工至12μm，穩(wěn)定性較好；樣本F的圓度不穩(wěn)定，且圓度僅控制在16μm左右。

交叉對(duì)比樣本C、D與樣本E、F可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論T9027刀具是否合格，對(duì)T9001刀具粗加工的圓度都有改善作用。在使用效果不好的T9027刀具進(jìn)行精加工(樣本C)時(shí)，圓度完全符合公差；反之，若采用合格的T9027刀具搭配合格的T9001刀具進(jìn)行精加工(樣本D)，雖然圓度有所改善，但穩(wěn)定性較差。因此可以進(jìn)一步說(shuō)明，粗加工時(shí)T9001鉸刀對(duì)于整體圓度控制起主導(dǎo)作用。

普通鉸刀的前角一般為0°，刀刃不鋒利，在鉸削過(guò)程中產(chǎn)生擠壓作用，故所留鉸削余量不宜過(guò)大，否則會(huì)增大刀齒的負(fù)荷，增加切削熱和破壞鉸孔的穩(wěn)定性，甚至?xí)霈F(xiàn)孔徑增大和切屑呈撕裂狀態(tài)，抑或會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度增大等現(xiàn)象[4]。

綜上分析后初步得出以下結(jié)論：①T9001刀具在粗加工鉸孔時(shí)，因切削任務(wù)過(guò)大，階梯3的切削長(zhǎng)度、深度以及切削余量都很大，過(guò)大的切削壓力容易導(dǎo)致崩刃；②對(duì)于臺(tái)階2的位置，在粗加工時(shí)已加工完成了17.9mm的半徑，精加工同樣位置時(shí)對(duì)工件無(wú)支撐力，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工件不穩(wěn)定且易晃動(dòng)，從而可能導(dǎo)致圓度超差。

4 工藝改進(jìn)方案及效果

4.1 改進(jìn)方案

如圖3所示，針對(duì)粗加工刀具T9001加工任務(wù)過(guò)大的問(wèn)題，參考成熟產(chǎn)品M264缸蓋的切削用量，新增一把預(yù)加工鉆頭T9020，以分擔(dān)其切削任務(wù)。對(duì)于階梯3，初始切削深度為0.55mm，T9020切削0.25mm(T9001切削深度減少至0.3mm)，切削量為1995mm3(T9001刀具的切削量減少至2393mm3)。

(a)新增預(yù)加工鉆頭T9020的工藝方案

對(duì)于粗精加工臺(tái)階2相同半徑的問(wèn)題，參考甲公司的刀具(見(jiàn)表1)，將粗加工半徑減少0.5mm，同時(shí)在精加工臺(tái)階2時(shí)，切削深度也從0mm增至0.25mm，從而增大精鉸過(guò)程中工件與刀具的支撐力。

4.2 方案驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述改進(jìn)方案的有效性，將新增的T9020與之前出現(xiàn)問(wèn)題的T9001和T9027(圓度在14μm，刀具壽命在100件)刀具放在同一臺(tái)機(jī)床上組合加工3000件左右后，測(cè)量結(jié)果顯示，T9027刀具壽命提升至2400件左右，圓度超差0件。

在小批量單機(jī)床驗(yàn)證成功后，在五臺(tái)OP90機(jī)床進(jìn)行大批量驗(yàn)證，所得數(shù)據(jù)如表2和表3所示?？梢钥闯?，自增加了T9020刀具和改變了T9001刀具的切削半徑后，基本不再發(fā)生圓度超差問(wèn)題，不合格率從9.55%降至0%；且T9027刀具的最終加工壽命從之前的約500件提升至5000件左右，驗(yàn)證了改善措施的有效性。

表2 大批量驗(yàn)證時(shí)的圓度超差對(duì)比

表3 大批量驗(yàn)證時(shí)的刀具壽命對(duì)比

數(shù)據(jù)表明，部分機(jī)床距離刀具目標(biāo)壽命(6000件)仍有一定差距，并且目視檢查發(fā)現(xiàn)，刀具存在異常劃傷現(xiàn)象，后續(xù)還需針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)分析。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)公司M282缸蓋新產(chǎn)品的現(xiàn)有噴油孔加工工藝缺陷，探討了改進(jìn)方案，并引入了座圈粗精加工的工藝，通過(guò)增加鉸刀以及優(yōu)化粗加工工藝參數(shù)等措施，實(shí)現(xiàn)了噴油孔加工工藝過(guò)程的優(yōu)化。該方案有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

(1)刀具壽命從原來(lái)約500件提升至5000件左右，減少了工位換刀頻次，提高了工位節(jié)拍，降低了生產(chǎn)成本。

(2)對(duì)于加工過(guò)程中出現(xiàn)的圓度超差問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化加工工藝，成功將不合格率從9.55%降低至0%，保障了加工穩(wěn)定性，減小了質(zhì)量控制風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)驗(yàn)證明，該粗、精加方案切實(shí)可行，可以節(jié)約成本，并且高效可靠。