一種缸蓋水套鋁屑優(yōu)化方法研究

關(guān)鍵詞：鋁合金缸蓋；水套；鋁屑；刀具；工藝方案

0引言

發(fā)動機缸蓋作為發(fā)動機的關(guān)鍵零部件之一，其加工質(zhì)量對發(fā)動機的性能和可靠性有著至關(guān)重要的影響。特別是清潔度問題，發(fā)動機的清潔度是衡量發(fā)動機內(nèi)部零部件表面潔凈程度的一個重要指標，良好的清潔度對于發(fā)動機的性能、可靠性和耐久性起到關(guān)鍵作用。如果發(fā)動機內(nèi)部存在過多的雜質(zhì)、金屬碎屑等，可能會導(dǎo)致以下問題：①發(fā)動機內(nèi)部運動部件磨損加劇，縮短發(fā)動機及其零部件的使用壽命；②發(fā)動機水路、油路堵塞；③發(fā)動機散熱不好；④發(fā)動機故障率升高。因此，發(fā)動機清潔度問題成為各大汽車廠商一直攻關(guān)、亟需控制的重要問題。

作為發(fā)動機重要零部件之一的缸蓋，由于其鋁合金材質(zhì)的特殊材料延展性，使其加工過程中產(chǎn)生的切屑處理是一個難點問題，若不能對缸蓋加工進行有效斷屑或、分屑，會導(dǎo)致切屑殘留、堆積，嚴重影響發(fā)動機的清潔度，進而可能引發(fā)一系列重大質(zhì)量問題。本文深入研究刀具加工鋁合金缸蓋過程中切屑的產(chǎn)生形態(tài)，通過刀具的斷屑、分屑設(shè)計、工藝方法的優(yōu)化來減少鋁屑提升缸蓋清潔度，提升發(fā)動機清潔度質(zhì)量。

1當前缸蓋清潔度現(xiàn)狀

以某機型發(fā)動機缸蓋為例，其成品清潔度要求油道顆粒≤0.6mm，非油道顆粒≤1.0mm，清潔度重量≤7.00×10﹣3g，檢測頻次為每天每臺機床檢測1件[1]。2023年11月，整車調(diào)試反饋有一臺發(fā)動機無法長時間起動，且起動幾秒后會自動熄火，龜速燈點亮報故障（發(fā)動機冷卻液泵卡住/耽誤），測量水泵線束電流/電壓正常，更換水泵總成故障消除。調(diào)試人員拆機檢查發(fā)現(xiàn)有大量鋁屑卡滯在水泵里（圖1），鋁屑重量達2.12g，最大鋁屑長約7.0mm，最小鋁屑長約3.0mm，已不滿足成品清潔度要求。水泵總成是給發(fā)動機水路系統(tǒng)循環(huán)冷卻的，如果水套里殘留鋁屑等雜質(zhì)，會通過發(fā)動機整個水路系統(tǒng)進行傳輸，最終導(dǎo)致水路堵塞。因此分析水套被鋁屑堵塞，導(dǎo)致發(fā)動機無法起動。

1.1現(xiàn)狀調(diào)查

針對整車調(diào)試反饋的鋁屑問題，問題攻關(guān)團隊組織對缸蓋生產(chǎn)線經(jīng)過清洗工藝后的工件隨機抽樣使用內(nèi)窺鏡觀察水套內(nèi)鋁屑殘留情況，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過清洗后水套內(nèi)有鋁屑殘留（圖2），鋁屑殘留發(fā)生概率約30%。同時，在缸蓋成品下線處隨機抽檢10件缸蓋成品進行不同角度振蕩吹氣以清出水套內(nèi)鋁屑，結(jié)果一共清出3.17g鋁屑（產(chǎn)品要求≤7.00×10﹣3g）。由此可見，當前缸蓋清潔度已經(jīng)不能滿足產(chǎn)品要求，亟需攻關(guān)解決。

1.2刀具鋁屑樣本收集

結(jié)合以往的經(jīng)驗及數(shù)據(jù)分析，刀具加工鋁屑產(chǎn)生的可能原因主要有[2]。

（1）刀具加工參數(shù)不合理。例如切削速度過高，進給量過大或切深過深等，這可能導(dǎo)致材料去除過快，產(chǎn)生大量鋁屑。

（2）刀具幾何形狀設(shè)計不合理。例如刀具的刃角、前角和后角等設(shè)計無法有效切削材料，還有刀具斷屑、分屑功能設(shè)計等。

（3）冷卻潤滑不足。缺乏足夠的冷卻或潤滑會導(dǎo)致切削溫度高，增加切削阻力，從而產(chǎn)生更多鋁屑。

（4）加工工藝不合理。工藝工裝的裝夾方式，工步的布局順序等影響切削效果。

（5）刀具刃口磨損。刀具刃口隨加工數(shù)量增加，會逐漸磨損從而切削能力下降，容易導(dǎo)致鋁合金等延展性高的材質(zhì)不規(guī)則切削，產(chǎn)生碎屑。

綜合以上原因，為了確定缸蓋水套內(nèi)殘留的鋁屑是具體哪個特征及相應(yīng)刀具加工出來的鋁屑[3]，問題攻關(guān)團隊對缸蓋線所有加工中心約102種刀具加工的鋁屑進行收集，并建立缸蓋鋁屑樣本庫。樣本庫包含了加工的工序、刀具號、刀具類型、刀具加工特征、刀具內(nèi)冷壓力、刀具加工參數(shù)、鋁屑長度寬度以及鋁屑的外包圖片等加工信息。樣本庫的建立能快速有效地幫助團隊識別問題點及原因分析，推動問題快速解決，也給后續(xù)問題分析解決提供經(jīng)驗參考。

根據(jù)整車調(diào)試反饋的問題鋁屑及下線缸蓋成品收集的鋁屑，經(jīng)過與缸蓋鋁屑樣本數(shù)據(jù)庫對比分析，最終鎖定整車反饋的鋁屑是加工缸蓋前后端面水堵悶蓋孔時進入水套內(nèi)，且無法通過清洗機清洗出來，導(dǎo)致水路系統(tǒng)殘留更多鋁屑，影響發(fā)動機運行。

2當前技術(shù)難點

2.1清洗難度大

缸蓋水路系統(tǒng)錯綜復(fù)雜，內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間小，支路變化多。當前清洗工藝的清洗壓力為1.0～1.5MPa，清洗液流向由排氣側(cè)流進，從進氣側(cè)流出，且水流進入水路越深，分支越多，水流的壓力就變得越小，更無法順利把鋁屑清洗出來。當前清洗前后端面水堵悶蓋孔噴嘴孔徑2.0mm，技術(shù)攻關(guān)團隊通過增大噴嘴孔徑至10.5mm，從而增大流量（清洗壓力不變）驗證是否可以把鋁屑清洗出來。結(jié)果驗證，清洗10件仍有3件無法洗出鋁屑，增大流量的方法不成功。

2.2加工過程排屑困難

當前前后端面悶蓋孔與水套相通（圖3），加工過程中由于刀具切削液噴射的方向與加工方向一致，因此加工過程中的鋁屑容易被冷切液沖進水套孔內(nèi)。圖4為水堵悶蓋孔加工工藝示意圖。

由于悶蓋孔底孔有不規(guī)則臺階，無法利用刀具內(nèi)冷切削液反向噴射排出刀具加工產(chǎn)生的鋁屑[4]，從而導(dǎo)致水套里鋁屑越積越多，影響發(fā)動機缸蓋性能。

3方案優(yōu)化及驗證分析

針對以上技術(shù)難點，團隊討論提出的問題解決思路主要是如何將鋁屑優(yōu)化得更小，使其更容易被切削液或清洗機清洗出來，或者利用刀具自排屑的方式排出鋁屑。技術(shù)團隊提出了一系列方案優(yōu)化及驗證分析。

3.1直槽鉆頭改螺旋槽鉆頭驗證

由上已知悶蓋孔底孔與水套連通，且水套孔底部有臺階無法利用刀具內(nèi)冷切削液反向噴射排出鋁屑。而且，當前工藝使用的粗加工鉆頭次槽型結(jié)構(gòu)是直槽鉆，直槽鉆直通孔口，排屑能力較差。鑒于螺旋槽鉆頭的螺旋設(shè)計有助于將切削過程中產(chǎn)生的鋁屑連續(xù)、順暢地排出鉆孔，減少鋁屑堆積堵塞可能性。因此團隊驗證粗加工鉆頭使用螺旋槽型鉆頭進行驗證、利用螺旋力帶出加工鋁屑。最終驗證結(jié)果水套內(nèi)仍有鋁屑殘留，并不能完全排出孔外，因此驗證失敗。

3.2粗加工鉆頭增加分屑槽

為了使粗加工過程中鋁屑變小，我們在粗加工鉆頭上增加了分屑槽驗證[4]。為驗證分屑槽對加工鋁屑的影響程度。分別驗證了兩種分屑槽方案：一種是4分屑槽結(jié)構(gòu)（即鉆頭2個鉆尖刃口上每個刃口各開兩個分屑槽，一共4個分屑槽）；另一種方案是6分屑槽結(jié)構(gòu)。收集并對比優(yōu)化前后鋁屑大小變化，并使用內(nèi)窺鏡檢查水套內(nèi)鋁屑殘留情況。

驗證結(jié)果鋁屑的形態(tài)較優(yōu)化前有所變小（表1），但用內(nèi)窺鏡檢查水套內(nèi)仍殘留大量鋁屑。對比鋁屑樣本庫發(fā)現(xiàn)水套里的鋁屑是加工水套孔側(cè)壁產(chǎn)生的鋁屑，無底孔鋁屑，說明分屑槽對底孔鋁屑的變小起關(guān)鍵作用，因此要解決鋁屑問題還需要優(yōu)化側(cè)壁加工產(chǎn)生的鋁屑過長問題。

3.3側(cè)壁分屑法

為解決側(cè)壁鋁屑無法斷屑，參考底孔加工分屑槽的方式在擴孔的刀具側(cè)刃上增加了分屑槽，形成波紋刃形式。為保證側(cè)刃分屑槽能參與加工，因此刀具設(shè)計改用小直徑波紋立銑刀進行繞銑加工（圖5）。最終驗證結(jié)果加工側(cè)壁鋁屑比之前長度、寬度都大大減小（表2）。

最后使用內(nèi)窺鏡檢查，在水套孔內(nèi)發(fā)現(xiàn)還殘留了另一種鋁屑，鋁屑卷曲細長，通過對比發(fā)現(xiàn)是精鏜悶蓋孔鏜刀的鋁屑（圖6），對比之前水套孔內(nèi)未發(fā)現(xiàn)過精鏜悶蓋孔鏜刀的鋁屑，可能原因是之前粗加工鋁屑堆積較多堵在水套孔把精鏜悶蓋孔鋁屑阻擋在外，無法進入水套孔；現(xiàn)在把粗加工鋁屑解決完后就殘留精鏜悶蓋孔鋁屑了，因此還需要解決精鏜門該孔鋁屑問題。

3.4精鏜鋁屑優(yōu)化

當前精鏜悶蓋孔刀具為單刃鏜刀結(jié)構(gòu)，刀片型號CCGT060204是標準的刀片型號，刀片刃口材質(zhì)采用PCD材質(zhì)，由于刃口無斷屑槽設(shè)計因此該刀片對鋁屑斷屑效果并不好，才會產(chǎn)生卷曲細長鋁屑。針對精鏜這種長鋁屑，只要在刀片上設(shè)計斷屑槽即可解決[5]。因此團隊驗證了CCGT060204型號帶斷屑槽刀片達到了很好的斷屑效果（圖7）。鋁屑長度、寬度較非斷屑槽刀片大大減小（表3），使用內(nèi)窺鏡檢查水套孔內(nèi)已無鋁屑殘留，驗證成功。

5結(jié)論

綜合以上驗證結(jié)果，最終對缸蓋水套孔加工工藝進行調(diào)整，粗加工采用硬質(zhì)合金鉆頭更改為波紋刃立銑刀加工，加工方式由鉆孔改為圓弧繞銑加工。精加工由普通槽型PCD刀片精鏜悶蓋孔更改為斷屑槽型刀片精鏜悶蓋孔。兩種工藝優(yōu)化，最終使水套孔鋁屑大大減少，經(jīng)過清洗機后已無鋁屑殘留水套孔內(nèi)。由于粗加工加工方式的更改，該孔的粗加工繞銑的加工方式節(jié)拍比之前鉆孔增加了約1.0s，鏜孔節(jié)拍不變，總節(jié)拍變化較少仍可滿足當前產(chǎn)線節(jié)拍要求。精鏜刀片材質(zhì)由PCD刀片變更為硬質(zhì)合金刀片也使精加工刀具單件成本較優(yōu)化前降低了0.14元/件。綜合考慮，優(yōu)化后的加工工藝可以滿足生產(chǎn)要求（表4）。

6結(jié)束語

通過對刀具加工產(chǎn)生的鋁屑進行收集研究，并匯總形成經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫分析，可以有效地提升我們在發(fā)動機缸蓋的清潔度問題解決的效率。這不僅有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，也為發(fā)動機的可靠運行提供了重要保障。在未來的研究和實踐中，還需要不斷探索更先進的技術(shù)和方法，持續(xù)改進刀具斷屑、分屑能力及加工工藝方案，以適應(yīng)不斷提高的缸蓋加工要求。