某汽车部件铰孔尺寸超差分析与对策

■ 商河县工业和信息化局 （山东济南 251600） 刘秋花

■ 法雷奥汽车系统 （江苏苏州 215500） 顾 阳

铰削是孔类精加工的一种，是用来对中、小直径的孔进行半精和精加工的常用方法。也可用于磨孔或研孔前的预加工。铰削加工精度可达IT6～IT7级，表面粗糙度值Ra在0.4～1.6μm之间，机铰生产率高，劳动强度小，适合大批量生产。

实际生产应用中，铰削过程经常出现问题，比如偶发性尺寸超差、表面切屑挤入划伤表面及局部粗糙度差等。汽车零部件精度高、单件批量大，对加工过程的稳定性要求较高，但经常出现偶发性的不良，严重影响产品质量的稳定性。某企业生产的一款汽车用电动机连杆轴套，轴孔公差0～0.018mm，采用铰孔工艺，多次出现铰孔尺寸超差、孔表面划伤等质量不良问题，不良率达到0.13%，严重影响产品在客户端的质量绩效，引起客户不满。

某汽车零件产品图样要求如图1所示，材料是铝合金，工艺为压铸成型，铰孔不合格样品如图2所示。本文从铰削加工的机理出发，结合实际的加工条件（装夹方式、切削进给、切削速度及压紧力等），寻找引起质量不良的根本原因，通过刀具优化、切削参数优化，成功降低了铰孔不良率，减少了客户抱怨，降低了企业的实际损失。

图1 某汽车零部件

图2 铰孔不合格样品

1. 铰削加工机理

（1）铰刀结构 铰刀的典型结构如图3所示，分为工作部分、颈部、柄部，工作部分即铰削过程中的工作刃口部分。

改善前该产品使用的铰刀结构与图3结构类似，直槽四刃，刃口长度8 m m，刃口外径尺寸φ1 5+0.013+0.010m m，颈部直径φ13mm，前倒锥1mm，刀具前角0°，后角1°。

（2）铰刀的切削过程 铰刀倒锥切入，切削刃切削孔壁金属，形成切削金属层，随着前刀面的继续切入，被切除的金属在前刀面滑移，被切除的金属层弯曲变形，随着切削金属层变形量加大，弯曲变形超出切屑材料的弹性变形和屈服极限，进而产生断裂，断裂的金属层形成切屑，沿铰刀齿槽向后排出，同时后刀面与已加工孔壁挤压摩擦，形成光滑的加工表面。在此过程中产生的切削热（金属变形热、前刀面摩擦热、后刀面摩擦热）一部分随切屑排出，一部分传递到刀具和工件上。通过专用切削液，可以带走部分热量，降低刀具和工件的温度，防止切削过热损坏刀具和已加工的零件表面。切削过程如图4所示。

图3 铰刀的典型结构

2. 缺陷分析及对策

（1）孔加工质量超差原因分析 该零件轴向长度70mm，压铸时因内孔脱模的需要，有一定的拔模斜度，孔的中间部位直径小，两端直径大，对于铰削过程，产生中间加工余量大，两端加工余量小的非均匀余量特征：基于此，要在铰削之前增加钻孔开粗工序，以保证铰削加工时余量均匀，铰削加工参数见表1。

表1 改善前切削参数

图4 铰削过程

考虑到产品成本控制的要求，钻孔时采用手动普通台钻作业，设备精度不高，导致铰削前产品的余量均匀性较差，持续测量50件产品，其余量分布在0.25～0.35mm范围内，尤其孔的中间部位，余量变化最大。铰削时零件横向装夹，孔的中间部位切屑难以有效排出。不能及时排出的切屑挤入铰削区，划伤零件表面，导致孔加工后的表面超差。原刀具铰削刃口导锥部分采用倒圆角替代，刃口长度约8mm，此结构切削导向性较差，刃口长度过短，沿刃倾方向的切削力过于集中，加上刀杆悬伸长，刀具切削过程中抗干扰能力变差，刀尖沿产品径向圆跳动位移波动加剧，导致切除的金属层不均匀，连续性差，并留下高低起伏的切削面，同时进入后刀面挤压区，该切削面经铰刀挤压后，形成不均匀的强化、硬化金属表层，同时出现摩擦过热现象，在过度集中的切削热作用下，金属层与切削刃面间产生金属粘连，以积屑瘤的形式滞留在刃口表面，随着切削的继续，带有积屑瘤的刃口面，划伤新加工后的产品表面。影响产品加工后的表面粗糙度，同时出现尺寸超差现象。

（2）改善对策 为了解决排屑和加工余量不均匀的问题，对铰刀重新进行优化设计，加长排屑槽的长度，由40mm加长至60mm，铰刀前倒锥加长，从3mm加长至5mm，倒锥刃口与切削刃口中间增加断屑槽；同时对加工参数进行优化，优化后的切削参数见表2。

表2 改善后的切削参数

刀具转速提高，进给速度降低，减少了每转切削深度，增加了单位时间的切屑排出率，转速提高后，铰削后的表面粗糙度较以前也有明显改善。

3. 试验和生产验证

对于改进后的新刀具和加工参数，进行了加工试验，连续加工300件产品，经过对产品孔径尺寸的测量和Cpk统计分析，其内径Cpk值达到1.83以上，加工后零件内孔表面粗糙度均符合产品要求，未出现不良产品。

2019年使用改善后的方案已累计生产近8万件产品，生产稳定，未出现孔径不良的投诉。

4. 结语

从铰刀加工机理出发，发现导致某汽车零件出现铰削不良的根本原因是铰削余量不均匀及铰刀导入量不足，导致切屑集中，不能及时排出的切屑挤入切削区域划伤工件表面，以致加工尺寸超差。通过对刀具结构和加工参数的改善，克服了前期刀具的失效缺陷，取得了很好的效果。