浅析如何降低缸盖座圈加工崩刀

屈猛 熊庆迟

关键词：座圈 加工 刀痕 崩刀 座圈材质成分

1 座圈工艺

缸盖是发动机的重要部件，其座圈在缸盖做功中起着重要作用，座圈与气门配合直接影响发动机功率、油耗及性能[1-3]。目前座圈主要是由粉末金属材料烧结压制而成，具有高硬度、耐高温、耐磨损的特性，以保证其在高温环境下能稳定工作。座圈自有特性导致其在加工时容易出现刀具崩刃和刀具耐用度低等问题，为此，本文针对刀具加工座圈常见问题进行了分析和改进。

2 问题现状

某主机厂加工缸盖采用刀片装配可调式刀具精铰进、排气座圈，目前主流的座圈加工工艺分为粗加工和精加工，粗加工刀具（如图1 所示）加工座圈大部分余量及导管底孔的导向孔，保证设备节拍。精加工刀具为长柄刀杆，先加工导管底孔，再加工座圈55° ＼60°及45°密封面（如图2 所示），45°密封面由于材料本身硬度问题，频繁出现刀片崩刀导致座圈密封面出现刀痕和台阶质量问题（如图3 所示）。

团队统计了1 月-10 月段座圈刀片崩刀次数及每月座圈返修数量，崩刀刀具加工寿命平均为80 件，每次崩刀会产生返修零件，每次崩刀后都需要追溯隔离并进行返修，严重影响产品质量和成本控制。

如果对座圈的加工质量不加以控制，那么有刀痕的座圈就会造成发动机压缩比不足，影响排放或者功率降低，发动机抖动等潜在失效风险，对客户的满意度有很大的影响。严重情况下，可能导致售后拉回，更会影响企业的品牌价值。因座圈加工质量难控制，各座圈供应商目前都缺乏有效的解决措施，所以座圈加工也成为了各主机厂的瓶颈工位。

3 原因分析

为解决座圈刀痕质量问题，团队通过收集大量的基础数据进行分析：

3.1 人员因素

崩刀大多发生在过程，并非出现在换刀首件，说明刀片在装上机床时状态可以，与人员操作无直接关系。

3.2 设备因素

统计生产线4 台机床发生次数，并检查机床加紧压力、主轴跳动、拉刀力，结果显示4 台机床崩刀发生频次吴明显差异，检查机床相关参数合格，与设备无直接关系。

在刀具选择上，目前公司多家工厂均采用同样的刀片，检查刀具调刀标准文件及调刀尺寸无异常，通过统计发现崩刀问题发生在刀片各个寿命区间，且修磨刀片与新刀片发生概率相当，与刀片无直接关系。

3.3 座圈因素

通过检测座圈硬度、金相及成分均符合图纸要求，与座圈无直接关系。

3.4 工艺因素

主机厂多家基地车间均采用相同的工艺以及刀具进行加工，试用不同加工参数，对崩刀问题无改善;统计4 台机床切削液温度及压力正常，机床监控无报警。切削浓度未出现超差，提高切削液浓度验证无明显的改善。

基本排除人员、设备刀具、物料原因導致崩刀，团队计划通过刀片、座圈材料的优化解决刀具崩刀问题。

4 措施验证

团队计划通过不同的刀片供应商验证对座圈切削是否有所改善，使用供应商W、供应商Z、供应商T 以及供应商M 四个供应商进行验证，结果如下（如表1 所示），其他供应商刀片无法有效改善座圈崩刀情况。

团队通过切削液及加工参数优化，改善崩刀情况，分别做了多组验证：a、刀片、座圈供应商、加工参数不变情况下，提升切削液浓度，验证崩刀改善，无改善;b、刀片、座圈供应商、切削液浓度不变情况下，优化刀具参数提高进给量、降低进给量，验证崩刀改善，无改善，通过验证发现切削液浓度及刀具加工参数，无法改善座圈崩刀情况。

团队统计分析崩刀座圈的相关工艺要求，发现崩刀座圈尺寸均符合工艺要求（如表2所示），比崩刀座圈与正常零件座圈金相（如图4 所示），并无差异，而且分析检测座圈化学成分，排气座圈成分、进气座圈均在合格范围内。

通过研究座圈材质成分作用，决定验证在图纸要求范围内增加机加工助剂以提高切削性能，添加原则为机加工助剂不能影响材料的尺寸及力学性能，团队决定在座圈材料图纸标准范围内，微调化学成分，增加硫化物：硫化锰（MnS），硫化铁（FeS），二硫化钼（MoS2），改善座圈的机加工切削性能。

为确认座圈增加硫化物后，相关的尺寸、力学性能不受影响，团队对新添加了硫化物的座圈进行密度、硬度、金相组织、化学成分测试，结果均在合格范围。进行座圈耐磨性测试，结果如下（如表3、图5 所示）

测试说明：蓝色为试验前密封带数据，红色为试验后密封带数据，推定磨损量计算公式为：X=（L2-L1）/（1/tgα+1/tgβ），单位mm;其中X 表示磨损量，L1表示试验前密封带宽度，L2 表示试验后密封带宽度，α 表示内圆与密封面角度，β 表示端面与密封面角度。

5 成果展示

经过验证3 轮进排气座圈增加硫化物验证，加工未出现座圈崩刀问题，且座圈相关尺寸，泄漏及刀具磨损情况均未出现异常，刀具能到达寿命下刀。团队收集加工座圈泄露数据（如图6 所示）数据稳定，且明显优于正常未添加硫化物座圈加工的泄露尺寸。

验证结论：增加硫化物后，有助机加工切削性能。

6 改善座圈加工的其他经验分享

由于座圈材料的特殊性，加工控制难度较大，在保持刀具及机床稳定性的同时，座圈本身质量控制也相当重要，以下是根据制造经验总结的座圈制造工艺中的控制要点及失效模式（如表4 所示），后续团队问题解决中提供帮助。

7 结束语改善座圈加工的其他经验分享

通过对座圈成分的优化分析，并基于刀具加工进行了改进。通过实际验证，这种改善有效解决座圈加工崩刀产生刀痕问题，对生产线的的效率、成本、质量提升具有重大意义。