發(fā)動(dòng)機(jī)缸體加工不合格問題研究及優(yōu)化

張祖崇　朱金輝　胡宇澄　黃朝官

摘 要：缸體作為發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件之一，其中#399缸蓋接合面作為缸蓋安裝接合面，其加工質(zhì)量直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室密封性、壓縮比、動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、燒機(jī)油等，更甚者會(huì)縮短發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性。因此，#399面的加工控制要求有輪廓度、平行度、平面度、到G-H距離、粗糙度超差、表面質(zhì)量等控制要求。近年來，缸體頻繁出現(xiàn)#399面精銑加工刀痕，存在極大的返修/報(bào)廢浪費(fèi)損失，且存在質(zhì)量缺陷流出風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)缸體 刀具 加工路徑 刀痕

Research and Optimization of Unqualified Machining of Engine Block

Zhang Zuchong，Zhu Jinhui，Hu Yucheng，Huang Chaoguan

Abstract：Cylinder block is one of the key parts of the engine. The #399-cylinder head joint surface as the cylinder head installation joint surface，? and its processing quality directly affect the engine combustion chamber sealing， compression ratio， power， fuel economy， burning oil， and so on， and even will shorten the engine durability. Therefore， the machining control requirements of #399 surface include contour， parallelism， flatness， distance to G-H， roughness aberration， surface quality and other control requirements. In recent years， surface #399 finishing milling tool marks frequently appear in the cylinder block， resulting in great loss of repair/scrap waste and quality defect leakage risk.

Key words：engine block， tool， processing path， tool marks

1 概述

寶駿缸體二期加工不合格問題發(fā)生頻次高，單月加工不合格工件數(shù)量高達(dá)337件，各月份不合格率均高于0.78%，且存在不合格率整體呈上升趨勢(shì)，其中OP190精銑#399缸蓋接合面加工刀痕，加工刀痕導(dǎo)致頻繁換刀，刀具回刀平均壽命低，刀痕回刀率為15.25%，嚴(yán)重影響制造成本，造成極大的返修、報(bào)廢浪費(fèi)，問題急需解決。

2 分析原因

運(yùn)用頭腦風(fēng)暴法，從人、機(jī)、料、法、環(huán)五個(gè)方面對(duì)問題癥結(jié)進(jìn)行分析，由于設(shè)備屬于自動(dòng)加工，加工環(huán)境封閉，因此，無人為因素影響，溫度可控，環(huán)境因素也可排除。并用關(guān)聯(lián)圖進(jìn)行分析，如圖1，最終找出10個(gè)末端因素。

3 針對(duì)10個(gè)末端因素，逐一進(jìn)行驗(yàn)證確認(rèn)

3.1 主軸拉刀力不足

主軸拉刀力是指主軸夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)刀具刀柄的夾緊力，若拉刀力不足，將會(huì)導(dǎo)致刀具夾持不穩(wěn)，加工過程中刀具振動(dòng)導(dǎo)致產(chǎn)生刀痕等質(zhì)量問題。設(shè)備要求拉刀力范圍40KN-60KN，如圖2，測(cè)量拉刀力均在范圍內(nèi)。為驗(yàn)證拉刀力是否是影響因素，在要求范圍內(nèi)逐步加大M4OP190A拉刀力驗(yàn)證，說明加大主軸拉刀力對(duì)#399面精銑刀痕無改善。

3.2 絲杠振幅大

加工中心最重要的伺服參數(shù)就是絲桿增益以及在其條件下的絲桿振幅， X軸、Y軸、Z軸絲桿增益不能超過6000，絲桿振幅不能超過40。絲杠振幅過大，加工過程有振動(dòng)，將直接影響到加工中心加工質(zhì)量表現(xiàn)。用電腦運(yùn)行軟件監(jiān)控刀具加工#399面時(shí)X、Y、Z軸絲桿振幅，各軸均正常。絲桿振幅對(duì)加工質(zhì)量的影響，將絲桿增益減小，可減小絲杠振幅，但對(duì)#399面加工刀痕回刀率影響不大。

3.3 定位面不平

夾具定位面由三個(gè)小支撐圓柱組成。若定位面不平，即定位面間的高度差大，工件與定位面間存在間隙，加工過程中工件振動(dòng)將導(dǎo)致加工刀痕等質(zhì)量問題?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量定位面高度差，從表中可以看出，定位面高度差值均在要求范圍內(nèi)（≤0.02mm）。為了驗(yàn)證最佳狀態(tài)的影響，將定位面間高度差調(diào)至最佳狀態(tài)驗(yàn)證，各跟蹤6把刀具回刀，無改善。定位面即使調(diào)整到最佳狀態(tài)，依然對(duì)問題癥結(jié)無改善。

3.4 夾緊力不足

工件采用一面兩銷的方式定位，夾爪夾緊，因此，影響夾緊異常的因素有：夾緊力不足、夾爪夾緊后有間隙、夾爪磨損、夾緊位置不對(duì)。，最有可能變異的因素是夾緊力變化，為確認(rèn)夾緊力是否影響#399面加工刀痕，在夾緊力要求范圍內(nèi)，將夾緊力逐步加大驗(yàn)證，各跟蹤6把回刀數(shù)據(jù)情況，#399面加工刀痕回刀率與夾緊力沒有相關(guān)關(guān)系。

3.5 刀片高度差大

當(dāng)精刀片之間的高度差大，如圖3，將導(dǎo)致3顆精刀片加工余量不一樣，刀具受力不均產(chǎn)生振動(dòng)，從而導(dǎo)致加工產(chǎn)生刀痕。查看加工首件有刀痕5把刀具的精刀片高度差的出刀尺寸檢測(cè)記錄，精刀片高度差要求標(biāo)準(zhǔn)為≤5u，檢測(cè)結(jié)果均在要求范圍內(nèi)。

為確認(rèn)精刀片高度差對(duì)精銑#399面加工刀痕的影響，在高度差要求范圍內(nèi)，調(diào)整精刀片高度差分別為1u、3u、5u的3組刀具各6把，驗(yàn)證跟蹤加工刀痕回刀率，如表1，通過對(duì)比分析，刀痕率隨著精刀片高度差的增大而增大，具體如圖4所示。因此，精刀片高度差對(duì)精銑#39面加工刀痕有影響。

3.6 精刀片刃口倒棱寬度小

精刀片刃口倒棱寬度小，刀片較為鋒利，但刃口強(qiáng)度低。加工過程如出現(xiàn)振動(dòng)，刀片刃口在加工面上抖動(dòng)產(chǎn)生刀痕。甚至?xí)?dǎo)致刀片磨損速度加快、崩刀，從而加劇刀痕產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。查看精刀片刃口倒棱寬度出刀時(shí)的檢測(cè)結(jié)果，精刀片刃口倒棱寬度要求標(biāo)準(zhǔn)10u-20u，檢測(cè)結(jié)果在要求范圍內(nèi)。為確認(rèn)精刀片刃口倒棱寬度對(duì)精銑399面刀痕的影響，挑選精刀片刃口倒棱寬度分別為12u、14u、16u、18u的4組精刀片各安裝6把刀具，驗(yàn)證跟蹤刀痕回刀率，通過對(duì)比分析，不同精刀片刃口倒棱寬度對(duì)刀痕率有無明顯差異。

3.7 毛坯硬度超差

毛坯硬度對(duì)刀具的切削性能影響極其重要，若其硬度過硬必然導(dǎo)致切削力過大，造成加工振動(dòng)，以及加劇刀片磨損速度，甚至可能會(huì)導(dǎo)致刀具崩刀，進(jìn)而影響加工表面質(zhì)量。從抽檢的數(shù)據(jù)來看，缸體毛坯頂面硬度數(shù)據(jù)均在要求（要求：197-241HBW）范圍內(nèi)。

3.8 加工路徑不合理

加工路徑對(duì)刀具切削力有較大的影響，當(dāng)加工設(shè)置不合理時(shí)，刀具受切削力較大，加工過程振動(dòng)影響表面加工質(zhì)量。檢查四臺(tái)設(shè)備的走刀路徑如圖5、6所示，走刀路徑均相同，進(jìn)刀為圓弧進(jìn)刀，存在加工振動(dòng)產(chǎn)生刀痕的可能。缸體一期整體的刀痕回刀率9.26%，缸體二期為15.25%，一二期刀痕回刀率差異明顯，如圖7，因此，加工路徑對(duì)刀痕產(chǎn)生有影響。

3.9 刀具壽命設(shè)置不合理

刀具壽命壽命設(shè)置不合理，加工過程中刀片磨損大甚至崩刀，將導(dǎo)致加工面產(chǎn)生刀痕問題。目前精銑#399面刀具分3次出刀，每次出刀預(yù)設(shè)壽命220，累計(jì)總預(yù)設(shè)壽命660，統(tǒng)計(jì)三次出刀的回刀數(shù)據(jù)。為確認(rèn)刀片磨損是否對(duì)精銑#399面加工刀痕問題造成影響，調(diào)整出刀方式，刀具出刀從3次變更為2次，單次出刀預(yù)設(shè)壽命從220調(diào)整為300，累計(jì)壽命從660降低至600，驗(yàn)證12把刀具回刀，跟蹤刀具刀痕回刀率有顯著降低。

3.10 刀具壽命設(shè)置不合理

刀具的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給對(duì)工件表面加工質(zhì)量的影響也尤其重要，轉(zhuǎn)速慢、進(jìn)給大，刀具每齒進(jìn)給大，刀片易崩刀，進(jìn)而導(dǎo)致加工刀痕；轉(zhuǎn)速快、進(jìn)給小，刀具每齒進(jìn)給小，刀片易磨損，刀具同樣會(huì)變得不鋒利，同樣影響表面加工質(zhì)量?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查加工參數(shù)：轉(zhuǎn)速和進(jìn)給，（要求：線速度450-900，每齒進(jìn)給：0.45-1.30），線速度和每齒進(jìn)給均在要求范圍內(nèi)。

4 制定對(duì)策

針對(duì)刀片高度差大、加工路徑不合格、刀具壽命不合理進(jìn)行相對(duì)應(yīng)對(duì)策制定。

4.1 刀片高度差大

針對(duì)刀片高度差大，將參與加工的精刀片數(shù)量從3顆減少到1顆（將2顆精刀片高度調(diào)低，使其高度低于所有的半精刀片，即2顆精刀片不參與加工，如圖8），只有一顆精刀片參與加工，即不存在精刀片間存在高度差的問題，由于精刀片數(shù)量減少，使用壽命只使用一次出刀220件，將加工參數(shù)S1300F3000更改為S1300F2000，措施實(shí)施后，刀痕回刀率從15.25%降低到7.69%。

4.2 加工路徑不合理

由于缸體二期的#399面精銑加工路徑更改為直線進(jìn)刀、直線出刀加工時(shí)，刀具與工裝夾具有干涉，且前期有驗(yàn)證過直線進(jìn)刀、圓弧出刀的方案刀痕回刀率較現(xiàn)用加工路徑高；該工位節(jié)拍有富余，經(jīng)小組討論計(jì)劃按原加工路徑反向銑削，使用工件加工后材料反彈的原理，反向銑削可去除第一刀加工產(chǎn)生的刀痕。在原加工路徑基礎(chǔ)上，新增沿原加工路徑的反向銑削路徑，如圖9，使用工件加工后材料反彈原理，反向銑削時(shí)去除第一次加工產(chǎn)生的刀痕，刀痕回刀率從15.25%降低到5.88%。

4.3 刀具壽命設(shè)置不合理

將刀具預(yù)設(shè)壽命從660調(diào)整為600，同時(shí)調(diào)整半精刀片、精刀片更換標(biāo)準(zhǔn)，如圖13和圖14，出刀次數(shù)從3次調(diào)整為2次，單次出刀壽命從220調(diào)整為300。措施實(shí)施后，刀痕回刀率從15.25%降低到9.09%。

5 結(jié)語(yǔ)

通過優(yōu)化刀片高度差大、加工路徑、刀具壽命設(shè)置，缸體加工不合格率顯著下降，精銑#399面刀痕問題得到顯著改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]許偉達(dá).《刀具調(diào)整尺寸范圍的合理設(shè)定》. 工具技術(shù).

[2]劉虹.《高速數(shù)控加工刀具路徑的優(yōu)化》.煤炭技術(shù).

[3]何楨，張敏，董延峰.《基于過程能力指數(shù)的刀具壽命研究》.中國(guó)機(jī)械工程.