汽車發(fā)動機缸體端面銑削加工技巧

摘要：缸體、缸蓋是發(fā)動機的核心零部件，端面銑削在這兩個零部件加工中占據(jù)重要位置，缸體、缸蓋的頂?shù)酌婧颓昂竺娑加休^高的粗糙度和平面度要求，達不到要求會對發(fā)動機的性能、質量造成很大的影響。

2015年我廠在端面銑削過程中接連發(fā)生工件接刀痕嚴重、工件崩邊的現(xiàn)象，工藝人員對此類現(xiàn)象了解的不夠透徹，由此引發(fā)本文對端面銑削的深入研究與探討，提出對端面銑削加工現(xiàn)象的優(yōu)化解決方案。

加工現(xiàn)象技術分析

1. 加工現(xiàn)象

銑削是非常普通的加工方式。銑削屬于斷續(xù)切削，刀齒不斷切入切出工件，切屑厚度和切削面積不斷變化，沖擊載荷較大，易發(fā)生振動，切削力在不斷變化。切削力處于穩(wěn)定狀態(tài)時接刀痕并不明顯，粗糙度、平面度都不會有太大變化。通常所指的接刀痕為痕跡明顯、肉眼可辨，導致粗糙度、平面度超過工藝技術要求的刀痕。崩邊一般發(fā)生在鑄鐵加工中，切削振動大，造成加工部位邊緣的掉渣現(xiàn)象（見圖1）。



圖 1

2. 接刀痕問題

（1）接刀痕產(chǎn)生的位置。切削力突變造成很大振動，就會產(chǎn)生明顯的接刀痕。

接刀痕產(chǎn)生位置：①兩次走刀的交接處會產(chǎn)生接刀痕。②刀具沿加工路徑進給過程中，刀具再次經(jīng)過已加工表面區(qū)域時，會產(chǎn)生微小的接刀痕跡，造成切削紋路發(fā)生些許變化，肉眼覺察不到，不影響加工質量，通常可忽略。③刀齒切入或切出工件的位置也會產(chǎn)生接刀痕。刀齒切入時，載荷突然急劇增大，產(chǎn)生較大振動；刀齒切出工件的瞬間，是一個卸載的過程，整個系統(tǒng)的彈性變形能瞬時釋放，產(chǎn)生較大振動。故切入、切出過程均會產(chǎn)生較嚴重的刀痕，切出過程產(chǎn)生的刀痕比切入過程產(chǎn)生的刀痕嚴重。

（2）接刀痕產(chǎn)生的條件主要有以下幾種：

切削參數(shù)：加工余量大、進給速度快，導致被加工表面擠壓變形大，容易產(chǎn)生接刀痕。

刀具的安裝誤差：刀片安裝誤差較大，會產(chǎn)生接刀痕。由于我廠調(diào)刀人員，從未經(jīng)過專業(yè)的調(diào)刀培訓，專業(yè)素養(yǎng)及調(diào)刀經(jīng)驗參差不齊，調(diào)刀控制手段及標準不足，控制端面跳動的一致性有差別，不是每盤刀都能達到規(guī)定的換刀頻次。例：新缸體OP210序，精銑前后面，Ra=3.2μm，平面度0.1mm，換刀頻次800臺，生產(chǎn)線反饋一盤新刀，有時加工1個班200臺，接刀痕就很明顯，而經(jīng)驗豐富的調(diào)刀人員調(diào)的端面銑刀確能達到規(guī)定的換刀頻次，得到生產(chǎn)線工人的認可，既節(jié)約了換刀時間，又降低了成本。

主軸跳動很大：機床主軸與刀具系統(tǒng)連接剛性不足，高轉速下，產(chǎn)生的巨大離心力會加速主軸軸承的磨損，同時引起機床加過過程中的急劇振動，切削表面會形成特別明顯的刀痕。例：1.3缸體OP50序，后油封面加工，粗糙度3.2，平面度0.1，2015年設備改造前，主軸跳動大導致刀痕較深，平面度不符合工藝要求，嚴重影響了工件的質量。平面度不合格，會導致發(fā)動機后油封部位滲漏機油。當時主軸維修困難，我廠為了應對生產(chǎn)，重新匹配了兩次走刀的加工余量，同時降低進給速度，暫時以犧牲刀具壽命為代價，完成了剩余的生產(chǎn)任務。

刀具磨損：毛坯硬度的不均勻會造成刀具過早磨損，刀具一旦到達急劇磨損階段（見圖2），切削力必然急劇增大，造成振動，刀痕自然明顯很多，影響工件質量及表面粗糙度。一般情況下，刀具磨損是產(chǎn)生接刀痕的主要原因。例：天內(nèi)的鑄鐵粗加工（見圖3），正態(tài)切削，刀具磨損到急劇磨損階段后，振動噪聲變大，刀痕紋路清晰，手摸較明顯。



圖 2



圖 3

工件未夾緊：如果夾緊力不足，會導致工件松動，加工中產(chǎn)生震顫，產(chǎn)生接刀痕。

3. 崩邊問題

新缸體OP50序，2015年2月設備廠家為保節(jié)拍、提高生產(chǎn)效率，對設備進行了維護，但在3月和4月刀片的換刀頻次由100臺降至40臺，40臺后繼續(xù)加工，缸體左右凸臺面發(fā)生崩邊現(xiàn)象。刀具壽命偏低，刀具單臺費用兩個月居高不下。

伊斯卡樣本表明，該刀片適用于鑄鐵加工，切削速度范圍100～400m/min，而本工序切削速度為301m/min。鑄鐵加工，刀具磨損，導致橫向切削力加大，造成銑刀盤即將切出工件的瞬間，將工件上留存的最后一點加工余量擠掉，工件表面發(fā)生崩邊現(xiàn)象。刀具磨損越早，崩邊現(xiàn)象發(fā)生的概率越大。解決辦法如下：

（1）優(yōu)化切削速度。

將切削速度由301m/min降至163m/min，為彌補節(jié)拍的不足，同時調(diào)整了進給速度。依據(jù)金屬切削原理：合理速度內(nèi)，切削速度降低20%，刀具壽命提高50%。降低切削速度后，該刀具單臺費用由12元/臺降至6元/臺，按年產(chǎn)3萬臺缸體計算，年可節(jié)約資金18萬元。此時換刀頻次達到100后，崩邊現(xiàn)象才會產(chǎn)生，保證了質量，同時也節(jié)約了頻繁換刀的時間。

（2）刀盤結構優(yōu)化。原刀盤（見圖4）主偏角為90°，刀具在離開缸體邊緣時的切削力全部為橫向切削力，過大的拉力使工件邊緣最后的加工余量剝落，造成表面崩邊情況。

為了近一步降低成本，提高刀具壽命。我廠現(xiàn)地現(xiàn)物，利用現(xiàn)有資源，轉序再利用開展降成本工作。原刀盤直徑為Φ80mm，標準刀盤。利用曲軸OP10序刀盤（見圖5）替換原刀盤。



圖 4



圖 5

兩刀盤基本參數(shù)如附表所示。



基本參數(shù)對比表

切削三要素不變的前提下，由于刀片同時使用量由10片變?yōu)?2片，每個刀片的進給量相對變小，等同于每個刀刃產(chǎn)生的切屑厚度變薄，由粗糙度簡化公式可知，小的進給量可適當?shù)奶岣吖ぜ砻娴拇植诙?，小的進給量可以減小刀具離開缸體邊緣時的切削力。同時 80°主偏角同90°主偏角比，可將切削力分解到兩個方向，弱化了橫向拉力對缸體邊緣崩邊現(xiàn)象的影響，增強了刀片壽命。

粗糙度簡化公式Ra=f2/8R，式中，f為每轉進給量(mm/min)；R為刀尖圓弧半徑(mm)。

走刀路線技術分析

數(shù)控加工過程中，刀具相對于工件的運動軌跡稱為走刀路線。走刀路線反應了工件的加工過程，確定合理的走刀路線是保證銑削加工精度和表面質量的重要工藝措施之一，走刀路線的合理關系到加工的生產(chǎn)效率及刀具壽命，因此每道工序的走刀路線都非常重要。保證產(chǎn)品質量的前提下，走刀路線盡量最短，保持刀具一直吃刀。前期的工藝設計多考慮刀盤直徑、刀盤結構、刀盤位置、銑削方式和刀具切入切出過程等因素，刀具全生命周期的70%取決于前期的工藝設計，工藝設計一旦設計完成，刀具成本也就固定了，后續(xù)改善優(yōu)化只是一些輔助措施。

1. 端面銑削方式—順銑和逆銑

如圖6所示，順銑可以理解為銑刀切入時切屑的厚度大于切出時切屑的厚度；逆銑可以理解為銑刀切入時切屑的厚度小于切出時切屑的厚度。刀片切入工件時承受壓應力，切出時承受拉應力；拉應力更容易導致刀片產(chǎn)生裂紋、蹦刃，若要提高刀片壽命，就得減小刀片切出時的拉應力。順銑，切出時切屑薄拉應力??；逆銑，切出時切屑厚拉應力大。對刀具壽命而言，順銑方式要好于逆銑方式。



圖 6

逆銑過程，端面銑刀剛剛切入時，刀片本身存在極細小的刀刃倒棱，加工余量很薄，刀片擠壓、摩擦產(chǎn)生大量的切削熱，造成工件表面硬化現(xiàn)象，切屑存在于刀片前刀面，再次切削造成工件質量變差?，F(xiàn)大多數(shù)機床采用順銑方式，優(yōu)點：順銑時，切屑由厚變薄，當端面銑刀前刀面切出工件的一瞬間，載荷突然釋放，容易產(chǎn)生振動，但此時切屑很薄，切削力很小，載荷波動不會太大，故刀具壽命增加。

2. 銑削過程分析

銑削過程分為四個階段：非切入階段、切入階段、切削階段和切出階段。

（1）端面銑刀切入策略：圓弧切入好于直接切入，斜著切入好于直接切入。切入策略原因分析：

直接切入方式（見圖7）。未滿刀切削與滿刀切削相比，未滿刀切出處產(chǎn)生厚的切屑，導致刀具加工過程中振動較大，刀具刃口容易失效、刀具壽命變差。若要采用此種方式直接切入，則在滿刀切之前，為降低刀痕的影響，可將每轉進給降為正常進給的50%。我廠的缸體、缸蓋頂?shù)酌婕扒昂竺婕庸ぃ际遣捎弥苯忧腥敕绞?，并且每轉進給沒有降低，這是需要注意的。

圓弧切入方式（見圖8）。切出處切屑很薄，降低了切削力，振動降低，提高了刀具壽命。



圖 7



圖 8

斜切方式。刀盤與工件成一定角度切入，目的是對刀盤切出處切屑厚度進行控制，間接提高銑刀片壽命。平滑切入工件是必要的，剛切入時進給應該降至50%，滿刀切時恢復到正常的每轉進給。

（2）端面銑刀切出策略。定義：切出角=銑刀切出點和刀盤中心點的連線與銑刀盤中心線的夾角。

經(jīng)過世界第一刀具集團公司試驗驗證，切出角在（30°～90°與-90°～-30°）之間時刀片壽命較高，切出角范圍在±30°時，刀片壽命偏低（見圖9），故刀盤與工件位置關系影響刀片壽命。刀盤寬度為工件寬度2倍時，采用對稱銑削方式（見圖10），此時切出角為30°，刀盤布置是否合理，以此位置為基準，透徹全面的了解刀盤布置原理，迅速解決刀盤布置不合理，引發(fā)的刀片壽命偏低問題。



圖 9



圖 10

3. 刀盤直徑與走刀路線

（1）刀盤直徑。刀盤直徑的選擇主要由加工工件寬度決定。當加工平面面積不大時，刀盤直徑一般為切削寬度的（1.3～1.6）倍，可有效保證切屑的形成和排出。精銑加工條件允許的情況下，可采用較大面銑刀一次走刀加工完成。

選擇刀盤直徑時盡量選擇通用的標準刀盤。目前行業(yè)內(nèi)標準刀盤直徑已經(jīng)固化，刀盤直徑大致為Ф50mm、Ф63 mm、Ф80 mm、Ф100 mm、Ф125 mm、Ф160 mm、Ф200 mm、Ф250 mm和Ф315 mm等。標準刀盤通用性強，價格便宜，可替換。

刀盤直徑的確定。刀盤直徑D的大小與切入角A、切出角B及工件寬度E有關系，不管刀盤相對于工件如何布置，采用什么樣的銑削方式，確定刀盤直徑的原理是相同的。例：按如圖11方式布置刀盤。

E=（D/2）sinB－（D/2）sinA
D=2E/（sinB－sinA）



圖 11

由上述公式可看出，只要選定刀盤徑向切入深度、切入角和切出角，則銑刀盤直徑就已確定。

（2）走刀路線。當加工平面面積較大時，可選擇刀盤直徑合適的銑刀，分多次走刀。多次走刀必然面臨切削方向改變的情況，切削方向改變時產(chǎn)生的加工現(xiàn)象可理解為直接切入工件的情況。加工過程中，銑刀換向時，應變?yōu)閳A角路線加工（見圖12），可保證銑刀切出時鐵屑厚度較薄，降低切削力，降低振動，增強刀具壽命，推遲了接刀痕產(chǎn)生的時間，提高了工件質量；圖12切入時，采用的是斜切切入方式有助于刀片壽命的提高。我廠所有的面銑加工，走刀路線有切削方向變化的，都采用如圖13所示方式。



圖 12



圖 13

例如。我廠缸體加工兩條生產(chǎn)線，后油封面加工兩種不同的走刀路線。圖14為1.3缸體線后油封面加工走刀路線。刀盤為非標刀盤，價格昂貴；切入方式為直接切入方式，現(xiàn)狀：剛切入時每轉進給沒有優(yōu)化，容易產(chǎn)生振紋；一次走刀完成加工，但刀盤布置方式為對稱方式布置，對稱銑削，加工過程中順銑和逆銑同時存在，雖不是最佳方案，但也算合理。



圖 14

圖15為1.5缸體線后油封面加工走刀路線。刀盤為標準刀盤，價格便宜；銑削方式為不對稱順銑方式，刀盤換向時采用圓弧加工路線過渡，非常合理，刀片壽命比圖14的銑削方式高。加工過程需重點關注后油封面中間部位的粗糙度，兩刀盤交接處容易產(chǎn)生刀痕。



圖 15

結語

本文在理論與實踐的基礎上，對加工過程中產(chǎn)生的接刀痕與崩邊現(xiàn)象進行了大量的闡述，并提出了一系列的具體優(yōu)化方案，多方位全角度的拓展了工作思路，可指引工藝人員迅速解決、消除生產(chǎn)中遇到的不良加工現(xiàn)象。本文對提升產(chǎn)品質量，提高工作效率，降本增效有一定的借鑒意義，值得引起重視與推廣。

本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2016年第19期8-11頁
作者：天津一汽夏利汽車股份有限公司內(nèi)燃機制造分公司劉崇泉