發動機缸體機油泵孔粗加工技術分析

2015-02-20 07:36:10天津一汽夏利汽車股份有限公司內燃機制造分公司300380劉崇泉

金屬加工(冷加工) 2015年18期

■天津一汽夏利汽車股份有限公司內燃機制造分公司（300380）劉崇泉

發動機缸體機油泵孔粗加工技術分析

■天津一汽夏利汽車股份有限公司內燃機制造分公司（300380）劉崇泉

摘要：為迅速降低加工成本，以本公司1.3L發動機缸體機油泵孔加工實例為基礎，通過對缸體機油泵孔加工過程的技術分析，最終找到有效應對措施，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臺設備進行升級改造，2014年初投入使用。發現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象發生。本文從該工位的加工狀況、刀具系統、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）加工現狀分析。加工部位：缸體前端面機油泵孔粗加工，缸體材質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。

加工現象：加工過程中，振動明顯，聲音很大，加工一定數量的工件加工后，機油泵孔側面有明顯的振刀痕產生，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量；機油泵孔側面加工為側銑方式，機油泵孔側面往往會出現斜度，刀具的端部側刃有讓刀現象，加工深度越深，這種現象就越明顯，φ25mm立銑刀在加工工件的內輪廓側面時，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，發生遠離工件方向的變形，致使加工出來的工件會出現上端余量小、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，加工側面與底面結合部位需要清根。

（3）刀具系統分析。現刀具系統為株洲鉆石φ25mm整體硬質合金4刃立銑刀+德國鈷領液壓刀柄（見圖3）。

圖3

增大株洲鉆石φ25mm整體硬質合金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，切削刃數量可由4刃變為6刃，增大立銑刀心部直徑，排屑槽變淺，立銑刀剛性增強，刃數增多，同時參與側面銑削的刃數變多，加工過程越平穩，刀具振顫越小；也可改變立銑刀直徑，將立銑刀直徑變為φ32mm，立銑刀剛性也會得到增強。②縮小刀具懸伸直徑比：φ25mm立銑刀在側銑加工過程中，處于懸臂狀態，刀具端部受側向力產生撓曲變形（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：現刀具為整體硬質合金刀具，是目前加工脆性金屬的通用刀具材料，現刀具基體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顆粒變為超細顆粒，直徑為0.2～0.5μm，硬質合金棒材基體顆粒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立銑刀底刃與側刃都參與切削加工，一旦修磨側刃，φ25mm立銑刀直徑變小，現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，才能繼續使用。

液壓刀柄是一種應用很廣泛的刀柄，采用這種夾緊系統，可使刀具系統徑向跳動精度和重復定位精度控制在3μm以內。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。液壓刀柄油腔內的油可增加阻尼，具有優良的減振性能，可降低切削加工中產生的振動，提高工件的表面質量，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。目前可與夾緊系統最好的熱套刀柄性能相媲美，有助于進一步提高刀具系統剛性，保證動力的平穩傳遞，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數控系統，左刀補G41），編程方式改為直接按工件輪廓軌跡編程。當刀具直徑發生變化時，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。現狀：立銑刀刀具底刃和側刃同時參與切削，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力（硬質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。整個加工過程，存在底刃和側刃同時加工的現象，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，保證工件的表面質量，需合理匹配加工參數。加工參數如表2所示，優化加工參數如表3所示。

切削三要素對刀具壽命影響。切削速度V、每轉進給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，同時調整該工序其他刀具來彌補節拍的不足，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。受工藝系統剛度和強度限制，可將加工過程分兩次走刀，為保證節拍可提高進給速度，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。