發(fā)動機缸體機油泵孔粗加工技術(shù)分析

■天津一汽夏利汽車股份有限公司內(nèi)燃機制造分公司 （300380） 劉崇泉

發(fā)動機缸體機油泵孔粗加工技術(shù)分析

■天津一汽夏利汽車股份有限公司內(nèi)燃機制造分公司 （300380） 劉崇泉

摘要：為迅速降低加工成本，以本公司1.3L發(fā)動機缸體機油泵孔加工實例為基礎(chǔ)，通過對缸體機油泵孔加工過程的技術(shù)分析，最終找到有效應(yīng)對措施，達到延長刀具壽命、降低刀具單臺成本的目的。

2013年，我廠對沈陽布卡特委博公司（BW）的4臺設(shè)備進行升級改造，2014年初投入使用。發(fā)現(xiàn)粗加工機油泵孔工位的φ25mm立銑刀單臺成本急劇增加，刀具壽命降低到原來的1/2，而同序其他刀具成本沒有此現(xiàn)象發(fā)生。本文從該工位的加工狀況、刀具系統(tǒng)、切削程序及工藝過程進行深入探討，最終確定了較為合理的加工方式。

1. 加工過程工藝分析

（1）加工現(xiàn)狀分析。加工部位：缸體前端面機油泵孔粗加工，缸體材質(zhì)HT250，硬度195～235HBW，機油泵孔部位如圖1所示。加工壽命、費用對比如表1所示。

加工現(xiàn)象：加工過程中，振動明顯，聲音很大，加工一定數(shù)量的工件加工后，機油泵孔側(cè)面有明顯的振刀痕產(chǎn)生，手摸非常明顯，而且下端尺寸變小，呈喇叭形狀。如圖2所示。

圖1

圖2

表1

（2）加工部位分析。①粗加工，加工余量大，軸向端銑加工余量為2.7mm，徑向側(cè)銑加工余量為2.7mm，機油泵孔深度14.7mm。脆性金屬加工過程中切削力集中在切削刃附近，加工余量大，容易造成切削刃磨損、崩刃。②機油泵孔底面為斷續(xù)表面，加工難度較大，端銑加工過程中必須保證至少一個切削刃參與切削，否則容易造成較大的振動，引起刀具崩刃，影響刀具壽命及工件表面質(zhì)量；機油泵孔側(cè)面加工為側(cè)銑方式，機油泵孔側(cè)面往往會出現(xiàn)斜度，刀具的端部側(cè)刃有讓刀現(xiàn)象，加工深度越深，這種現(xiàn)象就越明顯，φ25mm立銑刀在加工工件的內(nèi)輪廓側(cè)面時，刀具只有一邊受力，因此它受到一個遠離工件方

向的水平分力，銑刀在該水平分力的作用下，發(fā)生遠離工件方向的變形，致使加工出來的工件會出現(xiàn)上端余量小、下端余量大的情況。③加工部位尺寸要求較高，雖然為粗加工，但有尺寸公差要求，表面粗糙度值Ra=6.3μm，加工側(cè)面與底面結(jié)合部位需要清根。

（3）刀具系統(tǒng)分析。現(xiàn)刀具系統(tǒng)為株洲鉆石φ25mm整體硬質(zhì)合金4刃立銑刀+德國鈷領(lǐng)液壓刀柄（見圖3）。

圖3

增大株洲鉆石φ25mm整體硬質(zhì)合金4刃立銑刀的剛性，減少振動，可提高工件加工精度、增加刀具壽命且降低刀具成本。

增大剛性的措施：①橫截面積增大：不改變φ25mm立銑刀直徑，切削刃數(shù)量可由4刃變?yōu)?刃，增大立銑刀心部直徑，排屑槽變淺，立銑刀剛性增強，刃數(shù)增多，同時參與側(cè)面銑削的刃數(shù)變多，加工過程越平穩(wěn)，刀具振顫越小；也可改變立銑刀直徑，將立銑刀直徑變?yōu)棣?2mm，立銑刀剛性也會得到增強。②縮小刀具懸伸直徑比：φ25mm立銑刀在側(cè)銑加工過程中，處于懸臂狀態(tài)，刀具端部受側(cè)向力產(chǎn)生撓曲變形（撓度δ與懸伸L的3次方成正比）；懸伸越小，剛性越大，撓曲變形越小，加工過程中振動越小，尺寸精度越高，振刀痕越輕；φ25mm立銑刀懸伸與直徑之比為65mm/25mm=2.6，硬質(zhì)合金刀體最大懸伸直徑比可達6，所以該工位刀具懸伸直徑比沒有問題。③更改刀具材料：現(xiàn)刀具為整體硬質(zhì)合金刀具，是目前加工脆性金屬的通用刀具材料，現(xiàn)刀具基體WC顆粒直徑為0.8～1.3μm，為增強刀具的整體硬度和切削刃的強度，可要求廠家將刀具基體WC顆粒變?yōu)槌氼w粒，直徑為0.2～0.5μm，硬質(zhì)合金棒材基體顆粒WC直徑越小，刀具的強度、硬度越高，但成本相對增加。

外委修磨立銑刀，而且只能修磨一次，造成刀具成本增加。此立銑刀本廠無法修磨，只能外委修磨。φ25mm立銑刀底刃與側(cè)刃都參與切削加工，一旦修磨側(cè)刃，φ25mm立銑刀直徑變小，現(xiàn)加工程序按立銑刀刀心為刀位點編制，不具備刀具半徑補償功能，為保證工件尺寸精度，若想修磨該刀具，必須用電火花將使用部位鋸斷，重新開刃，才能繼續(xù)使用。

液壓刀柄是一種應(yīng)用很廣泛的刀柄，采用這種夾緊系統(tǒng)，可使刀具系統(tǒng)徑向跳動精度和重復(fù)定位精度控制在3μm以內(nèi)。大量實踐證明，使用液壓刀柄的刀具壽命都得到很大的提升。液壓刀柄油腔內(nèi)的油可增加阻尼，具有優(yōu)良的減振性能，可降低切削加工中產(chǎn)生的振動，提高工件的表面質(zhì)量，但普通的液壓刀柄大多用于半精、精加工。本工位采用的是普通液壓刀柄，若是采用強力液壓刀柄（見圖4），減振效果會更好些。強力液壓刀柄采用高強度合金鋼制造，轉(zhuǎn)矩傳遞是普通液壓刀柄的2倍，剛性好、不易變形且能提高機床主軸壽命。目前可與夾緊系統(tǒng)最好的熱套刀柄性能相媲美，有助于進一步提高刀具系統(tǒng)剛性，保證動力的平穩(wěn)傳遞，提高刀具壽命，降低加工成本。

圖4

（4）切削程序及工藝分析。此加工程序不帶刀具半徑補償功能。增加刀具半徑補償功能（FANUC數(shù)控系統(tǒng)，左刀補G41），編程方式改為直接按工件輪廓軌跡編程。當?shù)毒咧睆桨l(fā)生變化時，可利用刀具半徑補償功能，用手動方式在控制面板上輸入新的刀具半徑，不必修改加工程序。此優(yōu)化使修磨刀具利用率增加2倍以上，降低加工成本。

圖5

工藝路線。現(xiàn)狀：立銑刀刀具底刃和側(cè)刃同時參與切削，粗加工加工余量較大，切削條件惡劣。刀具切入工件加工路線（見圖5），從B點插銑至軸向深度尺寸14.7mm，沿BO直線繼續(xù)加工至所需輪廓，沿圓A逆時針加工輪廓與底面，銑削整圓后，移動到B點退刀。BO加工階段，

φ25mm立銑刀切入切出工件輪廓時，一半順銑一半逆銑，每刃承受的余量較大，尤其是切出階段承受拉應(yīng)力（硬質(zhì)合金的抗壓程度是抗拉強度的4倍），對刀齒壽命有很大影響；沿圓A加工階段，此加工方式為順銑加工方式，很合理，刀具切出時的薄切屑保證了刀具壽命，但脆性金屬加工，以減輕刀具振顫為主。

優(yōu)化加工路線（見圖6）。可將原加工路線B點插銑和直線BO銑削（見圖5）優(yōu)化為螺旋插補銑（刀具作圓弧插補的同時Z軸同步作軸向運動），加工路線沿圓弧BC（見圖6），采用圓滑切入方式。此圓弧BC段保證了φ25mm立銑刀從機油泵孔側(cè)面切出時，切屑厚度為零，減輕了φ25mm立銑刀切入、切出輪廓時產(chǎn)生大的切削振動，可以允許較高的進給速度及提高刀具壽命。

切削參數(shù)。整個加工過程，存在底刃和側(cè)刃同時加工的現(xiàn)象，加工過程噪聲很大，機床振動嚴重，正常加工立銑刀振動越小越好，為提高刀具壽命，保證工件的表面質(zhì)量，需合理匹配加工參數(shù)。加工參數(shù)如表2所示，優(yōu)化加工參數(shù)如表3所示。

切削三要素對刀具壽命影響。切削速度V、每轉(zhuǎn)進給f及背吃刀量ap。只變化其中一個要素，若切削速度提高20%，則刀具壽命下降50%；若每轉(zhuǎn)進給提高20%，則刀具壽命降低20%；若背吃刀量提高50%，則刀具壽命降低20%。

按表3更改切削速度及每轉(zhuǎn)進給量，減輕了刀具加工過程中的磨損，延長了刀具壽命，同時調(diào)整該工序其他刀具來彌補節(jié)拍的不足，達到降低成本之目的。

背吃刀量。如果降低切削速度與每轉(zhuǎn)進給量，改變不了φ25mm立銑刀加工過程中的振動問題，則可進一步改善背吃刀量。受工藝系統(tǒng)剛度和強度限制，可將加工過程分兩次走刀，為保證節(jié)拍可提高進給速度，因大量試驗表明，加工余量越小，切削速度和進給速度可以越高。第一刀讓φ25mm立銑刀側(cè)刃參與切削；第二刀讓φ25mm立銑刀底刃參與切削，如圖7所示。

對走刀方式進行優(yōu)化，背吃刀量與切削力大小成正比，減小背吃刀量，降低加工過程中的切削力，提高刀具壽命，降低加工成本。

圖6

圖7

2. 制定改善措施

通過以上調(diào)查與分析，為降低刀具成本，本廠采取應(yīng)急式措施，解決機加工刀具成本問題。現(xiàn)制定了由快到慢的刀具改善計劃：

（1）對刀具加工參數(shù)進行優(yōu)化。原切削速度太高，降低33%，為保節(jié)拍調(diào)整同工序其他刀具參數(shù)。

（2）對刀具加工路線進行優(yōu)化。采用圓弧切入方式圓滑切入加工部位，同時采用螺旋插補銑方式。

（3）著手對加工程序進行改進：①采用新的編程方法，增加刀具半徑補償功能，增加修磨刀具的使用次數(shù)，降低刀具成本。

表2

表3

3. 實施效果

根據(jù)以上多方面的技術(shù)分析，現(xiàn)對刀具的加工參數(shù)及切削程序進行了優(yōu)化。優(yōu)化后加工過程平穩(wěn)，噪聲明顯降低，刀具成本從11月份起大幅降低，工件質(zhì)量得到了改善。換刀頻次、修磨次數(shù)及單臺費用如表4所示。該刀具原外委修磨，現(xiàn)用廠內(nèi)德國瓦爾特五軸數(shù)控工具磨床修磨，進一步節(jié)約了刀具成本。

4. 結(jié)語

本文從理論與實踐的基礎(chǔ)上，針對生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，采取由快到慢的解決方式，制定了可行的刀具改善計劃，使刀具成本由單臺費用5元降到1.5元，該刀具單臺費用降幅70%，若按全年10萬臺產(chǎn)量計算，該刀具可節(jié)約資金35萬元，達到了預(yù)期的效果，解決了該刀具成本過高的問題。

表4

收稿日期：（20150705）