浅析数控铣削4A9全铝发动机缸体顶面质量

杨志丰 陈晨

摘 要：发动机缸体终检的主要工作内容为目视检查发动机缸体的加工缺陷与毛坯缺陷，首先，要检查缸体最重要部位就是缸体的上表面（原因为与缸盖连接），但终检工作反馈，检查发动机上表面时会出现周期性的网状花纹（与正常加工方向相反的刃型痕迹），与正常切削方向产生的刃型痕迹重叠相交形成无高点的网状花纹（交叉网纹）。网状花纹增大了目视检查的工作难度，且造成毛坯缺陷（砂眼、裂纹、缺肉等）和加工缺陷（压伤等）由于反光并不易被发现。所以，通过理论学习与实际工作相结合，对上述现象来进行浅显的分析。

关键词：4A9 发动机缸体；精加工；平面铣削；花纹；网纹；面铣刀

中图分类号：TG659 文献标志码：A

0 引言

发动机是汽车的心脏，缸体是发动机的关键基础件之一，发动机缸体最主要的两个工作的部件就是缸体和缸盖，但是缸体与缸盖之间并不是直接连接使用的，而是要隔着一层钢制或者是铜制的垫片，所以缸体表面的制造精度，包括尺寸精度、形状和位置公差、表面粗糙度等，对发动机的性能至关重要。缸体的铣削加工逐渐采用数控高速加工中心代替传统专用机床的生产线，这就对机床特性、刀具材料、工具系统、加工程序、切削液使用、测量工具的专用性提出了越来越严格的要求。

缸体的各个面的加工非常重要，因此选择合适的刀具对加工效率和成本控制起关键的作用。重要的面有上下大面、前后端面、瓦盖结合面和安装曲轴用的止推面等等，这些加工面的质量直接影响缸体的质量，有很严格的公差要求，一般粗加工甚至精加工，可在加工中心上以及專用机床上加工。缸体作为发动机的一个重要部件材料可以大致分为灰铸铁、球墨铸铁（CGI）和铸铝。随着汽车行业的发展，对这些零部件的加工提出了更高的要求。

沈阳航天三菱汽车发动机制造有限公司（以下简称为“航天三菱”）4A9缸体2线精加工缸体上面是由进口三菱重工业的卧式镗铣加工中心完成，数控系统采用专门加工汽车零部件的C70系统。此机床选用加工平面的刀具类型为数控面铣刀，工具系统中刀柄为HSK63刀柄、夹具为定位销加动力卡爪，切削液在主轴处及夹具上方，相互配合使用来进行缸体的精加工。

在缸体顶面的加工过程中，在顶面表面粗糙度符合规定要求，但是加工后有视觉刀纹，如图1所示，刀纹的出现给终检人员带来了工作上的烦恼和检查时间的增加，影响了生产进度。可是送检测量班用三坐标测量机床测量反馈后，并没有测量出高点，即平面度是在公差范围内的。对此要进行一系列的分析来找出产生网状花纹的产生原因。

1 机床精度方面

在机床方面，采用三菱重工业进口的卧式镗铣加工中心，影响加工结果的原因很多，传动导轨、线性传动机构、主轴导轨，机床本体的刚性，工作台的安装精度与刚度等等。

主轴的回运动转误差是指主轴的实际回转轴线与平均回转轴线相偏离的程度，其符合程度是主轴回转精度。主轴回转误差可分解为3种形式，纯轴向窜动、纯径向窜动和纯角度摆动。卧式加工中心安装好铣刀后，由于加工路径是从下往上切削，刀具体连接主轴直接受力，产生主轴的轴向摆角。但此走刀路径克服了主轴径向摆角，即：在加工中主轴轴线和工件平面的夹角为90°。

对于精加工铣削平面来讲，纯轴向窜动和纯径向窜动这两个对平面度误差并不是很重要，所以可以忽略，所以要单独分析纯角度摆动；但从加工表面的质量来分析主轴对于工件的影响，重点使用主轴装配的刚性与刀具在工作时的突出量是关键，如果没有仔细考虑就进行加工就可能产生问题。

假设不假思索就让主轴和刀具突出很长，错误装配后会造成主轴与刀柄、刀柄与铣刀体的装配刚度下降。这会使加工面受到较大的阻力刀具刀尖上翘后，切削刃后半圆侧朝下接触工件的已加工表面造成二次加工，产生振纹，同时也极有可能使面铣刀切削刃发生缺口。

2 刀柄方面

由于加工工艺采用高速铣削平面，高速切削加工是集成材料科学、工程力学、机械动力学和制造科学于一体的高新加工技术，在汽车制造、航天航空和机械、模具加工多个行业得到了越来越广泛的应用。高速铣削在高速加工中扮演了非常重要的角色，在高速加工中有近40%来自于高速铣加工，而高速铣削工具系统是高速铣削机床的重要组成部分，其性能将影响到加工质量和加工效率。

本工序的机床所使用的高速刀柄是由三菱重工业生产提供的进口HSK63刀柄，这种刀柄是由德国阿亨工业大学机床研究所研究的一种新型的高速短锥形刀柄，特点是空心、中空薄壁结构、短锥、锥度为1∶10；双定位（锥面和端面同时定位、夹紧），刀柄在主轴中的定位为过定位；使用由内向外的外胀式夹紧机构，造成锥面严格的过盈配合来保证连接刚度。

实际加工时切削力会产生弯矩和扭矩，承载弯矩的力与拉紧力有关。实际上，刀柄上承受的弯矩是由横向作用在刀具上的力产生的，拉紧力会增加作用在刀柄锥面上的总载荷，在切削加工处所产生动态激振的持续作用下，刀柄承受能力明显下降，在载荷的作用下，刀柄开始处于弹性变形阶段，之后进入装夹的承载阶段，刀柄和主轴配合的结合面产生摩擦力，形成很高的扭转刚性。在克服这个摩擦扭矩之后，刚性随之下降，继续增加载荷并随着转速的增加，径向刚度将有所降低，同时产生主轴刀具的轴向摆角。相对于最主要的主运动执行机构机床主轴来说，它的影响是最大的，但从主轴的稳定性来说，它涉及的产生加工表面质量的好坏是由主轴回转运动误差所影响。

3 面铣刀刀具结构方面

面铣刀的刀具结构选用因素：加工上表面面铣刀类型有：疏齿、细齿、密齿。

本工序选取的类型为密齿。密齿面铣刀应用工序是精加工铣削，但从“密齿”两个字可以看出：每个刀齿配备的容屑槽非常小，刀片的数量选择必须使得切屑适当卷曲并且要离开切削区域，切屑容屑空间不当将导致憋屑，损坏刀刃并影响表面不光洁会有挤压类型的刃型痕迹，即：第三切削变形区域产生无高点“刀花”。

分析刀片几何角度参数：使用的刀片是磨制的，精加工刀刃十分锋利、平直（刀具刃口已经用磨条精磨过），刀尖角度中背前角（轴向前角）与侧前角（径向前角）选取后从加工结果看应该是侧前角>初始接触角、背前角<余偏角。

此种刀具刀尖角度的选用极大地抑制了切削力矩的产生，并使剪切角度变大，切屑变得很薄。宏观上来讲就是主轴和刀具不产生轴向摆角，刀具后半圆接触工件与冷却液浇注效果不良一起提供了导致加工出网纹的不良条件。这也是出现网状花纹的主要原因之一。

4 切削液方面

4.1 喷射方式

切削液的喷出主要喷射工作方式有主轴内外直接喷洒式和天花板喷洒式。

面铣刀安装好后是呈倒锥形，面铣刀刀片的切削刃被刀具体所盖住（即使是内冷），主轴上的冷却液垂直喷出后，切削刃有被刀具体阻挡冲不到的可能，或经过加工表面与待加工表面反射到刀片上。冷却液作用大打折扣。天花板喷洒式只是能浇注到加工工作半圆，由于主轴处于高速旋转加工状态，并因旋转产生离心力作用，后半圆可能完全浇注不到，后半圆刀刃没有受到切削液作用，和已加工表面发生了干涉，产生了网纹。

4.2 切削液本身的问题

黏度不够，刀具表面粗糙度过大，刀具表面与加工面之间不起困液现象（困油现象），也就达不到润滑的作用。切削液本身经过高压流动，产生气泡经过内冷流道喷出后，冲洗面铣的刀片前刀面时，会因为流体冲击产生气泡（消泡剂效果不好）导致前刀面瞬间接触不到切削液，造成刀刃和过渡表面、切屑和前刀面产生干摩擦切削磨损并随着切削温度急剧上升，即前刀面“过烧”，前刀面产生月牙洼磨损，后刀面同时提前到达刀具平均磨损宽度VB（这就是网纹无高点的主要原因），就会在第三切削区域产生挤压修光痕迹，即网状花纹。

结语

本文提出的4个方面對于产生网状花纹的原因的主要原因，如能在生产中克服这4个方面中的任何几点，都能减轻或完全解决产生网状花纹的情况，改善发动机的生产质量，提高发动机终检的效率，以此提高生产效率。

参考文献

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