浅谈汽车发动机制造企业的刀具应用管理

陈承锐

（柳州五菱柳机动力有限公司，广西 柳州545005）

0 引言

随着汽车行业竞争的日趋激烈，发动机作为汽车的动力之源，成为各汽车厂、车型在市场角逐的核心竞争力。发动机重要零部件的制造涉及新材料、刀具和CNC机床的应用、精确检测等技术。其中，刀具选择和先进的应用管理对于提高生产效率、降低生产成本和提升产品品质有着重要影响。

如何正确合理地选择使用和应用管理刀具已成为汽车发动机制造企业非常关注的问题。本文结合柳州五菱柳机动力有限公司机加工厂缸体、缸盖加工制造中刀具应用实例，从刀具选择和应用管理来阐述刀具管理在发动机制造企业中发挥的重要作用。

1 汽车发动机制造企业刀具应用的发展趋势

开展刀具应用管理方法的最终目的是降本、增效、提质，即通过刀具全生命周期管理，逐步建立刀具管理系统数据库，实现刀具、人员、设备等资源的全面优化。国际主流汽车发动机制造企业刀具管理，首先技术部门必需具有针对产品的刀具方案规划能力；其次以强大的刀具系统数据库为基础数据，如针对产品或生产线的刀具种类、型号、寿命、消耗、质量、成本和效率分析等一系列技术数据，作为新产线刀具方案制定的依据；同时，刀具系统数据库的合理应用使整个汽车集团内的刀具数据实现互联、互通，形成有效的生产厂或生产线刀具考核机制、刀具供应商评价机制。

2 刀具的选择

2.1 标准刀具

五菱柳机机加工厂，在发动机缸体、缸盖机加工中应用的标准刀具主要是加工工件上各个面（包括顶面、底面、前面、后面、左面、右面、主轴承盖结合面、止推面和油封面等）的面铣刀类刀具和加工各种孔系（包括销孔、螺纹孔、油道孔和水道孔等）的孔加工类刀具。

对于缸体和缸盖大平面的粗、精加工和缸体、缸盖重要密封面的精加工，尽量选用大直径（如φ125 mm、φ200 mm、φ250 mm和φ315 mm或更大直径）的标准面铣刀。对于缸体、缸盖左面、右面和一些小平面的粗、精加工，则选用 φ100 mm、φ80 mm、φ63 mm和φ32 mm直径标准的面铣刀。大功率粗加工面铣刀选用大进给、疏齿结构，以提高生产效率；小功率精加工面铣刀选用小进给、密齿结构带修光刃，以提高表面粗糙度。尽量选用可转位的符合ISO标准（或是企业标准）的刀片，材质可以选用硬质合金、立方氮化硼（CBN）、陶瓷或金刚石（PCD）。在满足要求的前提下，刀片尽量选择相同的型号规格，以方便管理和储备库存。例如：五菱柳机机加工厂铣刀片的选择就充分考虑标准刀片通用性的原则，469/479缸盖线缸盖底面、顶面、左面、右面的粗铣和精铣刀片选用的是型号相同的ISO标准PCD刀片，469/479缸体的底面、顶面、前端、后端精铣刀片选用的是型号相同的ISO标准CBN刀片，469/479缸体的左侧、右侧、主轴承盖结合面精铣刀片选用的是型号相同的标准陶瓷刀片。另外，在选择面铣刀盘时，尽量选择刀具调整和测量不需要特殊工具和仪器装置的标准铣刀盘。

发动机缸体和缸盖上的孔系主要包括三大类，即螺纹孔系、销孔系、水道孔和油道孔系。其中，螺纹孔的加工工艺是先钻螺纹底孔再攻螺纹；销孔的工艺是先钻底孔再铰或镗销孔；水道孔和油道孔大多是深孔，对于深孔加工一般要先预钻引孔再钻深孔。对于粗加工的钻头、小直径的扩刀和立铣刀，如果加工铸铁件，应尽量选用带内冷和涂层并且可重磨的整体硬质合金刀具；如果加工铝合金件，则尽量选用带内冷、可重磨的整体式或焊接式硬质合金刀具。对于精加工铰刀或镗刀，如果加工铸铁件，应尽量选用带内冷和涂层并且可重新修磨的整体式硬质合金铰刀或可转位的焊接CBN刀片；如果加工铝合金件，则尽量选择带内冷的焊接PCD铰刀或采用可转位的焊接PCD刀片。对于丝锥，如果加工铸铁件，应选用带内冷和涂层的硬质合金切削丝锥；如果加工铝合金件，M8以下的螺纹孔尽量选择挤压丝锥，M8以上的螺纹孔尽量选择切削丝锥[1]。

2.2 非标刀具

对于现代化的发动机缸体、缸盖加工生产线都会采用多种机型的柔性生产线，为了提高通用性，刀体应尽可能选用分体式或是模块式快换结构，刀片尽可能采用符合ISO标准（或企业标准）的刀片。除个别精加工刀具首次调整需在机床上完成外，尽量选择能够实现线外调整和测量，且无需特殊工具和仪器装置的刀具结构。精加工非标镗刀类刀具结构的选择要从长期使用调整的方便性、稳定性及加工成本等方面考虑，一般初期投入都较高，但加工稳定性好。

下面以五菱柳机机加工厂发动机缸体的主轴承孔和缸盖的气门阀座导管孔加工为例，来阐述非标精加工刀具的选择原则。

（1）缸体主轴承孔加工

主轴承孔的加工工艺分三步：粗镗（装主轴承盖前）—半粗镗（装主轴承盖后）—精镗。主轴承盖合装前的主轴承孔粗镗刀选用刀杆和模块式镗头（如图1），刀片选用标准硬质合金刀片，因5个主轴承孔的镗孔距离长，采用同时两头镗的方式进行。在主轴承孔直径相差不大的前提下，更换镗头，可满足不同机型的加工。

图1 粗镗主轴承孔镗刀

主轴承盖合装后的主轴承孔半精镗选用了工件不能旋转180°的数控专机设备，5个主轴承孔的镗孔距离长，采用镗模座（中心架）支承[2]，选用“拉镗”式刀具镗削（如图2），用5个镗刀头同时镗削，提高生产效率。主轴承盖合装后的半精加工要注意控制好镗刀头寿命，刀头磨损太严重容易导致后面主轴承孔的精镗刀加工不稳定，引起曲轴孔同轴度、位置度等超差和孔起线。

图2 半精镗主轴承孔“拉镗”刀

主轴承孔的精镗通常由导条镗刀（粗镗2刃、半精镗1刃、精镗1刃）来完成，一长一短配合使用，短刀加工4、5档，长刀加工1、2和3档（如图3）。刀柄和刀体通过凸缘连接保证刀具相对主轴的最佳跳动控制，刀体上的导条起到导向和修光的作用，通过调整刀片相对导条的直径（OH）来保证主轴承孔的尺寸精度，调整刀片相对导条的斜度(背锥)保证表面粗糙度。

图3 精镗主轴承孔导条镗刀

（2）缸盖气门阀座导管孔加工

缸盖气门阀座底孔喉口处的粗加工刀具是焊接式成型刀，气门阀座导管底孔的精铰采用整体焊接式硬质合金复合铰刀。座圈非气门密封角度的精镗和导管的精铰引孔通常复合在一把刀具上（一般引孔小Φ0.07～0.08 mm），座圈气门密封角度的精镗和导管的精铰也通常复合在一把刀具上。以479进气侧气门阀座加工为例，气门阀座座圈的第一次精镗包括2个角度120°/60°（单刀片）和导管引孔，气门阀座座圈的这2个角度靠刀具本身的修磨角度来保证，刀片正常磨损后可刃磨重复使用，导管引孔精铰采用焊接式PCD单刃铰刀（如图4），焊接式铰刀正常磨损后可进行刃磨重复使用，降低了刀具成本。气门阀座座圈的第二次精镗气门密封角度90°（单刀片）和导管孔，导管精铰采用可调式PCD单刃铰刀（如图5），可调整工件的孔径，更好地保证孔径和密封面/导管孔同轴度工艺要求。

图4 气门阀座导管引孔铰刀

图5 气门阀座导管铰刀

3 刀具的应用管理

3.1 刀具的使用寿命管理

刀具的全寿命周期包括采购期、使用期和报废期，刀具的全寿命周期管理是指满足生产制造需求的前提下，以刀具成本为主线，结合生产经营效益分析，包括刀具的选用和组合、采购、入库、出库、使用、回收、修磨和报废[3]。本文谈论的是刀具使用期，在刀具使用期主要进行刀具库存管理、刀具工艺管理、基础数据管理、刀具现场管理等。刀具库存管理主要对刀具的出入库和回收进行管理，以保证生产现场刀具使用的安全库存量，并及时将库存信息反馈给工艺技术员，辅助工艺技术员决策；反馈给采购人员，及时采购刀具。刀具工艺管理主要面向工艺技术员，通过提供刀具参数信息，辅助现场编程人员制定走刀路线和切削参数的加工编程；与刀具供应商保持技术交流、沟通，支持现场使用刀具优化选用，并对刀具图纸进行管理。刀具基础数据管理是刀具全寿命周期管理中最基础的一个环节，它通过对刀具基础数据的管理和维护，来推动其他环节的有效运行，刀具的基础数据主要包括：刀具型号、刀具基本参数、刀具几何参数、刀具组件参数、设备参数和使用寿命等。刀具现场管理主要通过生产计划、工作时间、产线生产节拍来制定刀具需求量，配刀室进行备货，调刀工提前配刀备用（一用一备：设备加工使用1套，现场刀具柜备用1套），减少刀具准备时间，提高生产效率；通过现场操作工对刀具的使用信息、设备加工信息、工件加工信息的反馈，分析刀具加工性能，并完善刀具使用寿命信息，更精确及时更换刀具，保证产品质量和避免刀具磨损受力断裂。

3.2 刀具切削程序的管理和参数标准

工件的加工程序，因个人的思维习惯不同，编写的加工程序会有较大差异，为了便于管理，对加工程序进行统一管理，由工艺程序员专人负责。熟悉零件图纸，清楚机床特性和夹具定位、夹紧要求，制定合理的工艺路线，选择合适的刀柄、刀具、切削参数、切削用量，形成一套标准的刀具加工切削程序，同时对切削程序进行备份。日常加工中由专人进行切削程序的优化，新刀具、新材料、新工艺、新设备、新工装的试加工验证，减少过多人员调整切削程序而造成的质量问题、刀具损坏等不良情况。生产班组只负责在更换刀具时，进行刀补的微调，并锁定调整范围，避免撞刀。

工艺程序员对各工序刀具切削程序的机械坐标系、工件坐标系、刀具编号、加工位置、刀补号、刀补值等参数进行规定（详见表1工件坐标系和刀具明细表），并目视现场，让员工清楚各工序加工程序和刀具切削信息。

工件坐标系和刀具明细表

4 刀具的刃磨管理

由于刀具材料很硬，一般只能采用磨削来改变其外形。在刀具刃磨中常见的刀具磨床有以下几种：（1）磨槽机：磨钻头、立铣刀等刀具的槽或背；（2）磨顶角机：磨钻头的锥形顶角（或称偏心后角）；（3）修横刃机：修正钻头的横刃；（4）万能刀具磨床：磨外圆、槽、背、顶角、横刃、平面、前刀面等，常用于数量少、形状复杂的刀具；（5）CNC磨床：一般是五轴联动，功能由软件确定。一般用于修磨数量大、精度要求高，但不复杂的刀具，如钻头、立铣刀、铰刀等。各个企业可根据自身的需求选用合理的磨床，五菱柳机选用的是台湾品牌的万能刀具磨床。磨床砂轮：（1）磨粒，不同材质的砂轮磨粒适合于磨削不同材质的刀具。刀具的不同部位需要使用的磨粒大小也不同，以确保刃口保护和加工效率的最佳结合。氧化铝：用于磨高速钢（HSS）刀具，砂轮价廉，易修正成不同的外形用于修磨复杂的刀具；CBN（立方碳化硼）：用于磨HSS刀具，价高，但耐用。金刚石：用于磨硬质合金（HM）刀具，价高，但耐用。（2）形状，为了方便磨削刀具的不同部位，砂轮有不同的形状。最常用的有：平行砂轮（磨顶角、外径、背等）；碟形砂轮（磨螺旋槽、铣刀的主/副切削刃、修横刃等）。砂轮经过一段时间的使用后需要修正其外形（包括平面、角度及圆角R），砂轮用清理石把填充在磨粒间的切屑清理掉，可以提高砂轮的磨削能力。

4.1 刃磨标准的建立和效果确认

拥有一套好的刀具刃磨标准是衡量一个刃磨中心是否专业的标准。刃磨标准一般规定了不同刀具在切削不同材质时其切削刃的技术参数，包括刃倾角、顶角、前角、后角、倒刃、倒棱等参数，工艺工程师把刃磨刀具的图纸打印装订成册，放置在刃磨中心，给予指导刃磨人员操作。例如：高速钢（HSS）钻头与硬质合金（HM）钻头的区别。HSS钻头：顶角一般是118°，有时大于 130°，刀刃锋利，对精度（刃高差、对称度、周向跳动）要求相对低，横刃有多种修法。HM钻头：顶角一般为140°，直槽钻常常为130°，三刃钻一般为150°，刀刃和刀尖（棱边上）不锋利，往往被钝化（或称倒刃和倒棱），对精度要求高，横刃常被修成S形，以利于断屑、排屑。

刃磨效果的确认通常采用刀具检测仪进行，刀具检测仪一般分三类：对刀仪、投影仪和万能刀具测量仪。对刀仪主要用于加工中心等数控设备的对刀准备，用来检测长度、角度、半径、阶梯长等参数；投影仪的功能也是用来检测角度、半径、阶梯长等参数，但上述二者一般不能测量刀具的后角。而万能刀具测量仪则可以测量刀具的绝大部分几何参数，包括后角。所以，一般汽车发动机制造企业用于刀具的刃磨配备对刀仪或者投影仪可满足使用，刀具专业修磨中心（刀具制造商）则必须配备万能刀具测量仪。

4.2 刃磨刀具的管理

为了降低刀具消耗，提高刀具使用寿命，必须推广实施刀具强制更换（刀具更换周期），生产班组更换下来的刀具（存放在生产现场旧刀具柜）由刃磨中心管理人员收回，送至刃磨中心进行刃磨，同时将新的或刃磨合格的刀具装配调试合格放置生产现场备用刀具柜中。刀具刃磨中心管理人员需做好旧刀具回收，新刀具领用，刃磨合格/报废的型号规格、数量、使用工序、时间、更换原因等记录，同时将生产现场刀具使用情况、刃磨质量及其他有关刀具信息及时反馈给工艺工程师。工具室人员必须按照“以旧换新”的管理原则进行管理，同时将磨损刀具、断裂刀具进行分类存放，工艺工程师和刀具刃磨人员不定期（每周、一个月）对工具室的磨损刀具再进一步分类，将可刃磨使用的刀具进行重新刃磨再回用。如：长钻头留给短钻头工序使用，粗铣工序使用精铣工序磨损刀片。工艺工程师依据收集的刀具使用情况进行完善刀具更换周期、刃磨图纸标准和刀具存货量等信息。

5 结束语

综上所述，刀具的应用和管理对现代汽车发动机生产制造十分重要，其对生产效率和制造成本的重大影响引起越来越多的企业重视和思考。选择合理的刀具使用和刀具刃磨再利用旨在提高生产效率、提升加工质量并降低刀具成本。刀具技术应用和管理是一个动态的过程，目前推行的芯片采集信息、MES系统互联和超硬材料应用等，需要工艺技术人员能够及时更新业务知识，为生产过程优化和持续改进打好基础，为企业的发展作出应有贡献。