缸体止推面加工方式选择及优化

银佳和

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州545007）

0 引言

发动机缸体作为发动机核心部件之一，其加工质量直接影响着发动机的性能。缸体止推面，顾名思义是用于止推片的安装[1]。而缸体止推面的加工质量直接影响着曲轴的装配，对发动机的工况、排放及其性能有着紧密的关系。缸体止推面加工工艺一般经粗加工、精加工两次加工后最终达到图纸要求[2]。本文主要介绍了缸体止推面的工艺过程、刀具及加工参数选择，以及两种止推面加工质量问题和解决方法。

1 缸体止推面加工工艺简介

1.1 缸体止推面结构

以直列四缸发动机为例，缸体止推面一般位于缸体五档曲轴孔的中间一档上，如下图1所示。代号为#990和#991的止推面位于中间档曲轴孔的两侧，安装止推片后，用于限制曲轴的轴向窜动。止推面主要的加工控制尺寸为面轮廓度、与曲轴孔连线的垂直度、半径和肩部位置度（肩部轮廓度）、到基准的距离及两侧止推面的宽度等。

图1 缸体止推面结构

1.2 加工方式选择

以所在的工厂为例，所有CNC均为B轴夹具的四轴加工中心，如图2所示。故加工止推面时只能从前后端面进刀，再径向加工。采用传统的单面铣刀加工时，需要加工完单面后旋转B轴再从另一端面进刀加工另一面，加工节拍长。使用长悬空刀具加工面易产生震纹，难达到0.06 mm的图纸要求轮廓度，并且两侧止推面宽度和肩部位置度存在调整困难，不对称等问题。

图2 缸体夹具示意图

故需选择一把可以一次进刀后即可完成两侧止推面加工的刀具，保证两侧止推面肩部位置度一致性，减少一半的加工时间。刀具设计及加工余量设计需注意：

（1）选择一把长悬空对称布置刀片的刀具，并配备减震棒，如下图3所示。

图3 止推面加工方式

（2）这两侧刀片的宽度比止推面宽度大3 mm，单边加工以减小加工负载，并方便现场按需补偿止推面宽度。

（3）减震棒的尺寸需比曲轴孔直径小3mm避免干涉，根据加工质量、负载及刀具的悬长，按刀具供应商推荐选择。

（4）刀杆的尺寸需要比曲轴孔直径小2 mm，避免干涉影响加工。

（5）两侧止推面的单边加工余量为2 mm，分为粗铣和精铣两次加工。粗铣刀片半径比精铣半径小0.2mm，即精加工的单面加工余量为0.3mm，肩部加工余量为0.2 mm。

粗铣和精铣两次加工使用的刀具类似，粗铣加工面及倒角，精铣继续加工面及肩部。止推面倒角由粗铣控制，止推面面尺寸及肩部要求由精铣控制，如图4所示。

图4 止推面粗铣和精铣过程

1.3 止推面加工工艺过程

如图3所示，该U型刀具对缸体止推面加工过程有以下几个步骤：

（1）将待加工工件推进机床到位（或机器人上料），工件通过一面两销定位（保证设计、加工及测量基准一致）。

（2）两侧止推面分开铣，工件Z向向主轴移动，刀具从曲轴孔半圆下端进刀到U型刀的远端刀片到位，然后Y向竖直向上进刀加工#990面，如图3上图箭头所示。

（3）#990面加工完成后，Y向退刀下来。

（4）工件Z向向远离主轴移动，U型刀的近端刀片到位，然后Y向竖直向上进刀加工#991面。

（5）#991面加工完成后，Y向退刀下来。

（6）工件Z向移动回原位，刀具退出工件，收刀。

2 缸体止推面常见加工问题及解决方法

2.1 加工止推面倒角及肩部震纹问题

缸体止推面位于曲轴孔中间，需采用悬臂刀具进行加工，刀具长度长无支撑，受力会易产生震动，从而产生震纹，这种加工方式对设备的硬件精度要求较高。可疑原因及解决方案如表1。

表1 止推面倒角及肩部震纹分析

在考虑主机厂维修设备能力与成本投入的前提下，可以通过优化工艺分配和加工参数的方式来匹配老化的设备，从而降低主轴的负载，避免大量维修时间及备件更换的成本投入。通常是重新分配粗铣和精铣加工余量，或者降低主轴的转速，提高进给，以达到降低每齿进给来降低主轴负载及震动的目的，使表面光滑无震纹。

例如某设备出现止推面倒角震纹，如图5（a）（b），检查刀具、主轴跳动、拉刀力及反向间隙等指标均合格，参数未变更的情况下，可以确认是设备出现问题，但问题查找需要停机较长时间或者更换备件验证，成本投入较大，所以通过优化加工工艺以达到解决震纹的目的。在粗铣和精铣加工参数不变的情况下，重新分配多组加工余量验证，但改善效果不明显。受加工节拍要求，先以原加工参数加工至距离最后0.2mm的位置，暂停0.5 s以降低快速进给时主轴的震动。最后0.2mm的距离再以较低的参数加工，再暂停0.5 s完成加工，解决震纹问题，如图5（c）。

图5 震纹优化前后示意图

2.2 精铣止推面肩部位置度波动大导致超差问题

这种无支撑的长刀具加工肩部，尺寸控制困难，且肩部加工面小，不利于测量位置度。可疑原因及解决方案如表2。

表2 精铣止推面肩部位置度波动大分析

以#991面为例，查看精铣止推面抽检Q-Das数据，肩部位置度如下图 6（a）（b）（c）所示，Ppk 仅为0.43，要求Ppk≥1.33。止推面肩部位置度数据波动大，存在超差情况，主要表现为位置度Y向（加工进给方向）波动大，导致整个位置度过程能力低。

图6 止推面肩部位置度

从数据上看，位置度X向数据较为稳定，Y向有突跳波动大，即加工进给方向数据突跳波动大。检查刀具，观察CMM测量肩部过程中是否存在干涉，输出图形查看肩部加工是否椭圆，再检查主轴跳动和拉刀力、工件夹紧力等。以上检查均符合要求。为节约成本，快速解决问题，从加工参数上优化。精铣#990#991最后的0.2 mm进给距离的进给转速由F12S30提高至F24S60、F120S300，进给F12不变转速提高至S60、S120、S400时均有震纹，当F12不变转速由S30提至S610无震纹，肩部位置度有明显改善，如图6（d）所示。当最后0.2 mm距离的加工参数为S610F12，即转速不变仅降低进给，可以避开共振区，使肩部位置度Y向距离稳定可控。说明在加工参数优化时，不仅从降低进给转速上优化，还可以保持进给不变提高转速优化。

3 结束语

本文主要介绍缸体止推面的工艺过程、刀具及加工参数选择，以及止推面倒角震纹及肩部位置度波动大的解决方法。对于类似特征的加工提供一些参考，均可借鉴这种加工方式及参数优化。所采用的U型刀具一次进刀后即可完成两侧止推面的加工，保证两侧止推面肩部位置度一致性，减少一半的加工时间。由于选择一把长悬空对称布置刀片的刀具，需配备减震棒。刀杆及减震棒的尺寸均需比加工时曲轴孔的尺寸小，避免干涉。两侧刀片的宽度比止推面宽度大，单边加工以减小加工负载，并方便现场按需补偿止推面宽度。加工参数选择需注意粗铣和精铣加工余量的分配，以及转速进给配需，必要时分段加工并暂停，以达到降低主轴负载及震动的目的。