基于数学逻辑的刀具补偿技术研究与应用

王维震 郑世魁 杨国涛 高子一

摘要：气缸体是发动机重要组成部分，也是发动机中较难加工的零部件，其止口加工精度要求高，且直接影响发动机的性能及使用寿命。在生产制造中，因止口深度超差报废的气缸体在气缸体报废总数中占了很大比例，鉴于此，对基于数学逻辑的刀具补偿技术进行了研究和介绍，为止口加工精度控制提供了参考。

关键词：气缸体；止口；刀具

中图分类号：TG71    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）17-0077-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.17.021

0    引言

止口深度是气缸体加工精度中最难控制的加工尺寸，不仅要保证深度公差0.03 mm，还要将止口面与缸孔的垂直度控制在0.01 mm以内，深度一旦超差，容易导致发动机漏水，而垂直度超差容易引起活塞偏磨，从而导致发动机漏气量大、烧机油等故障。因此，研究一种能够精准控制止口加工精度的方法非常重要[1-3]。

本文介绍的采用数学逻辑的刀具补偿技术不仅能够降低止口深度加工不合格率，同时还能够延长刀具寿命，降低刀具使用成本，提高加工效率。

1    止口深度超差分析

1.1    止口上平面位置公差影响

如图1所示，止口深度由气缸体上平面及止口面组成，A即为止口深度，气缸体上平面由止口加工上道工序加工，由于加工误差，每一台气缸体上平面随着刀具磨损，其位置一直在变化，如图2所示，普通加工方法加工止口时，假设止口刀具不磨损，Z轴丝杠不磨损，刀具每次进给深度都相同，就会导致止口深度一直在变化，可能深，可能浅，非常难控制。

1.2    气缸体上平面倾斜

如图3所示，由于上工序来料气缸体上平面存在倾斜风险，虽然倾斜不大，但因止口深度公差过小，止口刀具加工面为唯一平面，这就可能导致止口圆周范围内部分区域深度超差，即同一缸内止口深度不一致，所以止口深度与气缸体上平面加工最好在同一道工序进行，但对于不在同一道工序加工的，需要采用较为复杂的工艺进行控制，方能达到产品设计要求。

1.3    刀具磨损影响

所有刀具加工过程中都会出现磨损，一旦磨损，将直接影响加工精度。假设气缸体上平面位置固定不变，Z轴丝杠不磨损，则刀具每次进给深度不变，但随着刀具的磨损，如图4所示，刀具长度发生了变化，会直接导致止口深度加工浅。

1.4    Z轴丝杠磨损

随着机床的不断使用，所有运动部件都会发生一定程度的磨损，而丝杠的磨损将直接导致机床加工精度下降。假定气缸体上平面固定不变，止口加工刀具不磨损，如果丝杠出现磨损，则刀具实际进给深度将与机床显示深度不同，虽然丝杠有光栅尺计算其实际位置，其对止口加工深度影响没有气缸体上平面位置公差、刀具磨损影响大，但因为止口深度公差过小，所以丝杠的磨损也会对止口深度造成一定影响。

综上所述，以上四者均会对止口深度造成影响，实际加工过程中四者的变化是同时的，而且刀具是易耗品，气缸体上平面位置及倾斜度则受本工序刀具磨损、定位系统及其他因素影响，因此四者之间的变化关系毫无规律可言，共同变化起来，如果不采用相对先进的加工方法，加工成本会成倍增加，而且加工质量也不稳定[4]。

2    工艺系统的选择

为保证加工节拍，本工艺系统首先将气缸体上平面加工与止口加工分为两道工序，虽然可能造成止口深度不好控制，但加工效率可提高100%；气缸体的定位选择一面两销定位方式；夹紧系统为了避免气缸体变形影响加工精度及已加工面表面质量，选择夹紧气缸体下平面上方毛坯面。

3    刀具及测量系统方案

为降低刀具磨损及加工成本，本方案采用两片CBN耐磨刀具，刀夹及镗杆可外胀收缩。测量系统选择马波斯双测量系统，即加工前检测及加工后检测。为保证能够精准测量气缸体上平面质量，加工前及加工后检测均选择双探头，并在测头增加吹风装置，如图5所示，防止加工过程中铁屑影响测量结果。加工取双探头数据平均值作为最终测量值，并将数据反馈给机床[5]。

4    数学逻辑刀具自动补偿方法原理

首先根据加工过程中可能的影响因素，一是气缸体上平面位置，二是刀具磨损，利用西门子高级编程建立加工控制方程式：

Z=（LV_Z_S5000-B+GV_Z_DIFF_S1）D7

GV_Z_DIFF_S1=（$A_DBD[752]/1000）

D7：$TC_DP13[LV_T_SP1，7]=

（$TC_DP13[LV_T_SP1，7]+（$A_DBD[772]/1000））

其中，Z表示刀具进给深度；LV_Z_S5000表示气缸体理论上平面位置尺寸；B表示止口深度中值；GV_Z_DIFF_S1表示实际气缸体上平面与气缸体理论差值，为变量，该数值为测量仪测得的数据转化而来，测量仪测得数据为$A_DBD[752]/1000；D7表示刀具实际刀长，该值为变量，具体如下：

$TC_DP13[LV_T_SP1，7]（当前气缸体刀补值）=

（$TC_DP13[LV_T_SP1，7]（上一气缸体刀补值）+（$A_DBD[772]/1000））（刀具磨损值）

其中，$A_DBD[772]/1000表示上一气缸体止口实际深度与理论止口深度中值的差值。

如图6所示，加工前首先使用双测头测量上面平位置，得出数值M1、M2，取其平均值，计入参数$A_DBD[752]/1000，平均值可以同時解决气缸体上平面实际位置及上平面倾斜度不唯一的问题。得出的平均值通过PLC传输到数控系统，得出数值GV_Z_

DIFF_S1，代入公式Z=（LV_Z_S5000-B+GV_Z_DIFF_

S1）D7，结合当前实际刀长D7，计算的值即为机床Z值进刀深度。该值为变量，每一个气缸体根据加工前测量的结果，该值都不一样，每一次加工都会带来刀具的磨损，刀具的磨损会带来刀长的变化，为保证每一刀长的变化都能代入公式，數控程序中设置刀长变量，该变量由加工后的测量控制，即加工后测量双测头测得数据B1、B2，取其平均值，并将该值与止口深度中差值相减得$A_DBD[772]/1000，该值与上一次加工气缸体实际刀长相加，得到的数据即为刀具磨损值，并将该数值反馈到机床系统，通过PLC改变该变量，机床刀具系统按公式$TC_DP13[LV_T_SP1，7]=（$TC_DP13[LV_T_SP1，7]+（$A_DBD[772]/1000））使刀具刀长发生变化，该刀长能够真实体现刀具磨损后真实的刀长，从而保证下一台气缸体止口深度在深度中差上，因该测量系统100%自动测量，保证了每一台气缸体止口深度都在中差上，同时刀具寿命也得到了最大化利用，降低了加工成本，提高了止口深度加工一致性。

5    结束语

气缸体加工采用的是一个复杂的工艺系统，各项加工指标都较难控制，基于数学逻辑的刀具补偿技术是一种能够同时解决多种因素共同影响止口加工深度的技术，不仅解决了止口加工不稳定问题，同时也提高了止口深度加工一致性，加工合格率达到99.99%。该方法不仅适用于止口加工，同样也适用于缸孔等加工精度较高的部位，可为行业其他零部件的加工提供参考。

[参考文献]

[1] 王国伟.现代机械制造工艺及精密加工技术研究[J].现代制造技术与装备，2022，58（11）：167-169.

[2] 周瑜.高速切削加工技术及其加工工艺[J].当代农机，2022（8）：53-54.

[3] 佟逸辉.影响机械加工表面质量的因素及改进措施[J].工程机械与维修，2022（3）：42-44.

[4] 陈小刚.机械加工工艺对汽车零部件加工精度的影响分析[J].造纸装备及材料，2022，51（5）：132-134.

[5] 吴义荣.数控车床在线检测及偏差自动补偿的实现方法[J].金属加工（冷加工），2022（3）：74-78.

收稿日期：2023-05-20

作者简介：王维震（1987—），男，山东人，工程师，研究方向：内燃机制造技术。