发动机缸体加工不合格问题研究及优化

张祖崇　朱金辉　胡宇澄　黄朝官

摘 要：缸体作为发动机关键零部件之一，其中#399缸盖接合面作为缸盖安装接合面，其加工质量直接影响到发动机燃烧室密封性、压缩比、动力性、燃油经济性、烧机油等，更甚者会缩短发动机耐久性。因此，#399面的加工控制要求有轮廓度、平行度、平面度、到G-H距离、粗糙度超差、表面质量等控制要求。近年来，缸体频繁出现#399面精铣加工刀痕，存在极大的返修/报废浪费损失，且存在质量缺陷流出风险。

关键词：发动机缸体 刀具 加工路径 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

宝骏缸体二期加工不合格问题发生频次高，单月加工不合格工件数量高达337件，各月份不合格率均高于0.78%，且存在不合格率整体呈上升趋势，其中OP190精铣#399缸盖接合面加工刀痕，加工刀痕导致频繁换刀，刀具回刀平均寿命低，刀痕回刀率为15.25%，严重影响制造成本，造成极大的返修、报废浪费，问题急需解决。

2 分析原因

运用头脑风暴法，从人、机、料、法、环五个方面对问题症结进行分析，由于设备属于自动加工，加工环境封闭，因此，无人为因素影响，温度可控，环境因素也可排除。并用关联图进行分析，如图1，最终找出10个末端因素。

3 针对10个末端因素，逐一进行验证确认

3.1 主轴拉刀力不足

主轴拉刀力是指主轴夹紧机构对刀具刀柄的夹紧力，若拉刀力不足，将会导致刀具夹持不稳，加工过程中刀具振动导致产生刀痕等质量问题。设备要求拉刀力范围40KN-60KN，如图2，测量拉刀力均在范围内。为验证拉刀力是否是影响因素，在要求范围内逐步加大M4OP190A拉刀力验证，说明加大主轴拉刀力对#399面精铣刀痕无改善。

3.2 丝杠振幅大

加工中心最重要的伺服参数就是丝杆增益以及在其条件下的丝杆振幅， X轴、Y轴、Z轴丝杆增益不能超过6000，丝杆振幅不能超过40。丝杠振幅过大，加工过程有振动，将直接影响到加工中心加工质量表现。用电脑运行软件监控刀具加工#399面时X、Y、Z轴丝杆振幅，各轴均正常。丝杆振幅对加工质量的影响，将丝杆增益减小，可减小丝杠振幅，但对#399面加工刀痕回刀率影响不大。

3.3 定位面不平

夹具定位面由三个小支撑圆柱组成。若定位面不平，即定位面间的高度差大，工件与定位面间存在间隙，加工过程中工件振动将导致加工刀痕等质量问题。现场测量定位面高度差，从表中可以看出，定位面高度差值均在要求范围内（≤0.02mm）。为了验证最佳状态的影响，将定位面间高度差调至最佳状态验证，各跟踪6把刀具回刀，无改善。定位面即使调整到最佳状态，依然对问题症结无改善。

3.4 夹紧力不足

工件采用一面两销的方式定位，夹爪夹紧，因此，影响夹紧异常的因素有：夹紧力不足、夹爪夹紧后有间隙、夹爪磨损、夹紧位置不对。，最有可能变异的因素是夹紧力变化，为确认夹紧力是否影响#399面加工刀痕，在夹紧力要求范围内，将夹紧力逐步加大验证，各跟踪6把回刀数据情况，#399面加工刀痕回刀率与夹紧力没有相关关系。

3.5 刀片高度差大

當精刀片之间的高度差大，如图3，将导致3颗精刀片加工余量不一样，刀具受力不均产生振动，从而导致加工产生刀痕。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检测记录，精刀片高度差要求标准为≤5u，检测结果均在要求范围内。

为确认精刀片高度差对精铣#399面加工刀痕的影响，在高度差要求范围内，调整精刀片高度差分别为1u、3u、5u的3组刀具各6把，验证跟踪加工刀痕回刀率，如表1，通过对比分析，刀痕率随着精刀片高度差的增大而增大，具体如图4所示。因此，精刀片高度差对精铣#39面加工刀痕有影响。

3.6 精刀片刃口倒棱宽度小

精刀片刃口倒棱宽度小，刀片较为锋利，但刃口强度低。加工过程如出现振动，刀片刃口在加工面上抖动产生刀痕。甚至会导致刀片磨损速度加快、崩刀，从而加剧刀痕产生的风险。查看精刀片刃口倒棱宽度出刀时的检测结果，精刀片刃口倒棱宽度要求标准10u-20u，检测结果在要求范围内。为确认精刀片刃口倒棱宽度对精铣399面刀痕的影响，挑选精刀片刃口倒棱宽度分别为12u、14u、16u、18u的4组精刀片各安装6把刀具，验证跟踪刀痕回刀率，通过对比分析，不同精刀片刃口倒棱宽度对刀痕率有无明显差异。

3.7 毛坯硬度超差

毛坯硬度对刀具的切削性能影响极其重要，若其硬度过硬必然导致切削力过大，造成加工振動，以及加剧刀片磨损速度，甚至可能会导致刀具崩刀，进而影响加工表面质量。从抽检的数据来看，缸体毛坯顶面硬度数据均在要求（要求：197-241HBW）范围内。

3.8 加工路径不合理

加工路径对刀具切削力有较大的影响，当加工设置不合理时，刀具受切削力较大，加工过程振动影响表面加工质量。检查四台设备的走刀路径如图5、6所示，走刀路径均相同，进刀为圆弧进刀，存在加工振动产生刀痕的可能。缸体一期整体的刀痕回刀率9.26%，缸体二期为15.25%，一二期刀痕回刀率差异明显，如图7，因此，加工路径对刀痕产生有影响。

3.9 刀具寿命设置不合理

刀具寿命寿命设置不合理，加工过程中刀片磨损大甚至崩刀，将导致加工面产生刀痕问题。目前精铣#399面刀具分3次出刀，每次出刀预设寿命220，累计总预设寿命660，统计三次出刀的回刀数据。为确认刀片磨损是否对精铣#399面加工刀痕问题造成影响，调整出刀方式，刀具出刀从3次变更为2次，单次出刀预设寿命从220调整为300，累计寿命从660降低至600，验证12把刀具回刀，跟踪刀具刀痕回刀率有显著降低。

3.10 刀具寿命设置不合理

刀具的转速和进给对工件表面加工质量的影响也尤其重要，转速慢、进给大，刀具每齿进给大，刀片易崩刀，进而导致加工刀痕；转速快、进给小，刀具每齿进给小，刀片易磨损，刀具同样会变得不锋利，同样影响表面加工质量。现场调查加工参数：转速和进给，（要求：线速度450-900，每齿进给：0.45-1.30），线速度和每齿进给均在要求范围内。

4 制定对策

针对刀片高度差大、加工路径不合格、刀具寿命不合理进行相对应对策制定。

4.1 刀片高度差大

针对刀片高度差大，将参与加工的精刀片数量从3颗减少到1颗（将2颗精刀片高度调低，使其高度低于所有的半精刀片，即2颗精刀片不参与加工，如图8），只有一颗精刀片参与加工，即不存在精刀片间存在高度差的问题，由于精刀片数量减少，使用寿命只使用一次出刀220件，将加工参数S1300F3000更改为S1300F2000，措施实施后，刀痕回刀率从15.25%降低到7.69%。

4.2 加工路径不合理

由于缸体二期的#399面精铣加工路径更改为直线进刀、直线出刀加工时，刀具与工装夹具有干涉，且前期有验证过直线进刀、圆弧出刀的方案刀痕回刀率较现用加工路径高；该工位节拍有富余，经小组讨论计划按原加工路径反向铣削，使用工件加工后材料反弹的原理，反向铣削可去除第一刀加工产生的刀痕。在原加工路径基础上，新增沿原加工路径的反向铣削路径，如图9，使用工件加工后材料反弹原理，反向铣削时去除第一次加工产生的刀痕，刀痕回刀率从15.25%降低到5.88%。

4.3 刀具寿命设置不合理

将刀具预设寿命从660调整为600，同时调整半精刀片、精刀片更换标准，如图13和图14，出刀次数从3次调整为2次，单次出刀寿命从220调整为300。措施实施后，刀痕回刀率从15.25%降低到9.09%。

5 结语

通过优化刀片高度差大、加工路径、刀具寿命设置，缸体加工不合格率显著下降，精铣#399面刀痕问题得到显著改善。

参考文献：

[1]许伟达.《刀具调整尺寸范围的合理设定》. 工具技术.

[2]刘虹.《高速数控加工刀具路径的优化》.煤炭技术.

[3]何桢，张敏，董延峰.《基于过程能力指数的刀具寿命研究》.中国机械工程.