提升缸体主轴承结合面宽度加工能力案例浅析

吴勇

摘 要 本文针对缸体某条生产线部分机型主轴承盖结合面宽度加工能力低的问题提出相关解决方案，以实际生产数据为研究基础，然后通过关联图解法，寻找到各个潜在的末端因素，逐一验证，分析出问题的症结之处。以缸体主轴承盖结合面的加工工艺为起点，提出适用于大批量柔性生产线上工艺优化的方案，第一步利用锥度补偿原理解决结合面宽度倾斜问题，第二步优化刀具切削路径解决宽度波动范围大问题，最终提升缸体主轴承结合面宽度的加工能力，获得更稳定的加工质量，降低发动机运行过程中故障率的风险。

关键词 缸体 主轴承盖结合面 锥度补偿 切削路径 加工能力

中图分类号：TH16 文献标识码：A

0绪论

众所周知，发动机缸体曲轴孔是发动机缸体制造加工过程中较为关键和复杂的工艺之一，然而在加工缸体曲轴孔的前提是作为轴瓦载体的主轴承盖子与缸体主轴承盖结合面之间能够保证精密的配合。由于主轴承盖结构承载着曲柄连杆机构往复运动所施加的交变载荷，主轴承盖结构的疲劳强度直接影响着缸体的使用寿命，主轴承盖与缸体良好的配合能实现曲轴回转运动过程中平稳性，使曲轴运转时不会存在串动、跳动等不利于发动机正常运行的现象。

如图1为某型号缸体与五档主轴承盖装配图，图2为单个盖子与缸体装配示意图，（1）发动机缸体；（2）主轴承盖子；（3）连接螺栓；（4）曲轴孔；L为主轴承盖结合面宽度。为了保证装配轴承盖后曲轴孔质量，采用缸体与轴承盖两侧过盈配合的设计，配合尺寸和公差为100h8/h6。这种配合方式能减小在曲轴孔加工过程中轴承盖的振动，能提高在重复装配时曲轴孔质量的稳定性。

现有的发动机缸体与曲轴装配顺序为，在机加工线内缸体加工完主轴承盖结合面后安装主轴承盖子，用螺栓拧紧，然后通过精密设备完成曲轴孔的加工。然后在装配线内以缸体为基体，将主轴承盖子拆下后再装入轴瓦和加工好的曲轴，最后再将之前拆下的主轴承盖子重新装上。从这个装配过程中不难发现，如果缸体与主轴承子之间不能保证正确的过盈配合，盖子经过重复拆装后很可能因为盖子与缸体结合面之间存在台阶导致曲轴抱死等现象。

缸体主轴承盖结合面宽度的加工质量是保证缸体与主轴承盖子过盈配合的基础，本文从提高主轴承盖结合面宽度加工质量的稳定性和可靠性出发，寻找主轴承盖宽度加工能力不稳定的工艺原因，分析出适用于柔性生产线上大批量制造稳定的发动机缸体主轴承盖结合面宽度质量控制的工艺优化策略。

1加工现状描述

1.1工艺要求

对于缸体主轴承盖结合面的加工，现有生产线上采用德国进口的全自动卧式数控加工中心加工，与其他专机方案相比相比，具有加工成本低、效率高、易维护等优势。

现有加工工艺分为两步，第一步在粗加工單元粗铣，第二步在精加工单元进行精铣，并利用在线marposs测头对精铣后宽度进行补偿加工和调整。由于粗铣余量分配多，公差范围较大，加工均能满足要求，不存在质量问题，故在此对粗铣加工不做详述。

1.2生产质量现状

在现有大批量柔性生产线上本工厂主要利用统计质量控制（SPC）法监控制造过程质量，根据要求按规定的抽检频次进行测量，生成相应数据，然后工程师分析数据后采取相应的控制和预防措施。

根据GM制造系统要求，为保证产品的质量，在进入批量生产制造前，需要对设备的固有加工能力进行分析，确认设备本身能力可达到预期的加工稳定性，机床各阶段能力如图3所示。只有当Ppk值达到预期才能保证后期运行时质量的稳定性，在Ppk值达标后通过后期人为干预和系统修正保证Cgk值≥1.33时则产品合格率方可≥99.9937%。

工厂现场实际抽检QDAS数据统计时，其中超出公差范围后现场会立即复检决定是否是批量问题，复检数据未正常生成数据，仅供分析用。现有缸体主轴承盖结合面宽度加工能力值Ppk仅为0.54，按照分布计算合格品率仅为95.45%，存在很大的质量风险。

2问题分析

2.1分析数据

对于现场加工能力低的问题，现场的直接质量表现应为CMM测量超差次数频繁。为了找到问题根源，对现场测量数据进行归类分析，找到问题症结所在。统计缸体生产线主轴承盖宽度测量超差次数，对测量超差情况进行分析，发现缸体主轴承盖结合面宽度过程能力低的主要症结体现为两类问题：（1）宽度倾斜；（2）宽度过大/过小（宽度值波动大）。

2.2原因分析

如图4为问题原因分析关联图，针对问题的两大症结，分析所有可能的潜在相关原因。此处采用关联图法是考虑到机床的实际加工年龄影响，排除了环境等外因的干扰，结合现场各部门资深员工的分析，得出9个末端因素：（1）坐标系补偿调整不及时；（2）程序补偿方式不合理；（3）测头重复性精度不好；（4）主轴拉刀力不足；（5）传动丝杠磨损；（6）夹具主夹紧力不足；（7）定位孔直径小/位置度超；（8）#299定位面加工倾斜；（9）刀具加工路径不合理。

2.3要因确认

在确认问题要因时均采用数据收集和前后对比等直观的方法来判断。坐标系补偿不及时方面，利用现场CMM员工描绘的趋势图来判断现场员工的执行力；程序补偿方式不合理方面，通过更改测头补偿方式前后对比验证；测头重复精度不好方面，利用不同测头对不同机床的零环进行重复性测量精度对比验证，分析测头精度数据；主轴拉刀力可以通过维修部门定期检查的数据判断；传动丝杠磨损方面直接通过更换新丝杠对比前后效果；夹具主夹紧力直接通过现场实际测量确认结果；前工序定位销孔的直径和位置度通过抽检QDAS数据分析有无异常；定位面是否倾斜也可通过大量QDAS数据分析判断；刀具加工路径是否合理，通过更改不同的加工路径对比前后效果验证。经过长时间生产数据和设备部件检查，最终找到2个要因，即程序补偿方式不合理和刀具加工路径不合理。其他非要因确认过程不在此进行赘述。endprint

3工艺优化分析

3.1程序补偿方式优化

现有程序里存在测头补偿参数，直接弥补宽度上的整体差异，同时利用锥度补偿参数调整五档整体宽度成比例变化。但此种补偿方式并不能从根本上解决五档之间的锥度，由于机床其他系统因素的影响，会存在五档轴承盖中某一档或多档与整体不成比例，此时便无法完全满足五档主轴承盖宽度均在公差要求中值。

针对现有程序补偿方式的缺陷，对现有的CNC补偿程序进行修改验证，取消锥度补偿，增加五个独立变量分别控制五个档的宽度。更改补偿方式后验证跟踪一个月主轴承盖五档宽度的锥度，五档之间锥度得到消除，至此主轴承盖结合面宽度倾斜的问题得到解决。

3.2刀具加工路径优化

分析主轴承盖的刀具加工方式，该铣刀设计于同时加工主轴承盖安装结合面#961和宽度#962，采用 76铣刀，从上至下先加工一侧，再从下至上再加工另一侧，而由于现有刀具存在左右旋向差异，即同样的路径会存在顺铣和逆铣两种方式，现场由于为节省刀具管理成本，在生产线模块一使用左旋刀具，模块二使用右旋刀具，再根据刀具路径分析出模块一加工方式为逆铣加工，而模块二为顺铣加工。

根据多种刀具路径验证数据发现，多台机床对顺铣方式加工出来质量表现更稳定，更改刀具加工路徑验证。根据本厂实际生产数据来看，现有刀具在目前机床加工精度的情况下，顺铣加工对于零件表面加工质量更好，宽度也更稳定，最终将各台机床刀具方式路径优化成顺铣方式解决波动大问题。同时跟踪刀具磨损方面没有变化，表面加工质量改善良好，达到验证效果。

4效果跟踪

各有效措施逐步开展并完成，措施实施后缸体线主轴承盖宽度加工频繁超差问题得到解决，主轴承盖宽度过大、宽度过小、宽度倾斜等问题的超差问题大幅度减少，测量合格率显著提升。从加工能力的角度来看，缸体主轴承盖结合面宽度的过程能力逐步提高。措施全部实施以后主轴承盖宽度的过程能力Ppk稳定在1.33以上，如图5所示，达到批量制造阶段的加工能力要求。

5总结

本文针对关键特征发动机缸体主轴承盖结合面宽度加工能力低的问题提供一种清晰的解决思路，对于设备本身制造的能力未考虑在内，例如机床导轨磨损、伺服反馈精度等的影响都不可忽略，此文并未展开阐述。这里仅从工艺方面进行部分优化，达到一种较为理想的效果，可行性高，实施成本低，且效果显著。对于发动机机加工线制造过程中其他复杂的问题解决具有一定的指导意义。

参考文献

[1] 刘洪德.主轴承盖结构优化设计[J].机械工业出版社，1977.

[2] 赵同铭.基于统计质量控制的发动机缸体曲轴孔加工优化策略[J].装备制造技术，2012.endprint