缸孔位置度影响因素分析及稳定性提升研究

邵 丁，李瑞亮，刘 耀，郑升鸿，姜永军

(1.秦川集团(西安)技术研究院有限公司，西安 710016；2.宝鸡吉利发动机有限公司，陕西 宝鸡 721013)

0 引言

高新技术、新能源、新材料的涌现为人民生活水平的提高提供了更多的便利。尤其在汽车方面的数据显示，人民对汽车的需求和保有量也日益增长，这对汽车行业既是机遇又是挑战。

如何研究并生产出更安全、更环保的汽车是一重大课题。发动机是汽车的“心脏”，而缸体更是发动机三大重要的部件之一，提高其质量和平稳运行率，对发动机、甚至整车的动力和燃油性能都有至关重要的影响[1-2]。目前发动机缸体的生产有多种形式，其中以高速、高精度、高智能、敏捷柔性化的一体化加工中心设备为主体、其他专机为辅的组合方式，在降低成本的前提下又能大大提升缸体的加工质量和加工效率及机械性能备受青睐。目前国内外学者对发动机缸体的研究主要集中于柔性生产、工艺设备[3-6]，但对实际生产中影响某一加工特性稳定性的因素分析较少。

本文以发动机缸体的加工工艺展开研究,并重点基于实际生产中缸体缸孔的位置度能力不稳定的现状，对其影响因素进行分析并对其改善，最终实现了缸孔能力稳定性的有效提升。

1 缸体加工工艺分析

缸体是发动机的“骨架”，是其各机构和系统的装配基础。缸体内、外安装发动机所有的主要零部件及附件，承受各种载荷，也是典型的箱体类零件，其形状较为复杂，没有均匀的壁厚且加强筋较多。如图1所示是某发动机缸体俯视图。

图1 发动机缸体俯视图

1.1 加工特征及机床的定位装夹

实际生产过程中对缸体精度要求极高，包括粗糙度、位置度、平面度、几何尺寸、表面质量等等。平面和孔系是其典型的加工特征，比如高精度要求的缸孔、曲轴孔、与罩盖和油底壳连接的大面、连接孔系及重要特殊功能的面、孔等,要求其必须选择柔性化高的多轴加工中心设备及定位系统以提高其加工精度及工艺的合理性。

图2 零点拉钉定位系统

发动机对材料的强度要求很高，采用铸铁材质重量太大且不利于散热，因此轻量化的铝合金材质应运而生。本文所研究的缸体采用铝合金材质，缸套为铸铁材质[7-8]。自毛坯上线至成品缸体下线，需要多次装夹定位，常用的工艺基准是“一面两销”定位，为避免多工序不同机床之间产生的累计误差，必须使其设计基准、工艺基准、检测基准进行统一。因此本机采用零点拉钉定位系统如图2所示，特点是重复装夹精度高，可实现微米级的精度。缸体装夹在工作台上，工件零点与机床零点会存在XY向的偏置，因此可设定G54-G57零点坐标系统，不仅实现加工特征的多姿态加工，更能提高编程效率。

1.2 缸体的工艺排布及刀具选择

缸体加工整体采用基准先行、先面后孔、先粗后精的工艺思路进行设计规划。上下缸体未连接前，主要粗精加工上下缸体连接面及孔系；再完成合盖拧紧、清洗后，主要进行粗精加工顶底面、前后端、进排气侧的面和孔系，以及油道孔、曲轴孔、止推面、机油泵销孔等重要加工特征内容。其中缸孔加工分为粗镗—半精镗—精镗—粗珩—精珩等工序过程，然后实施辅助工序，主要包括上下缸体拆分、最终清洗、试漏等等。

基于缸体材质及加工特征，常选择的刀具种类繁多如铣刀、钻头、铰刀、镗刀、攻丝、珩磨等等。基于刀具经济成本同时又为提升刀具的适用性、耐磨性，对刀具的材质、结构创新提出了新要求。常选用材质有硬质合金、PCD、CBN。基于塑性变形的原理采用挤压丝锥，实现无屑加工。加工曲轴孔采用复合式的可调导条镗刀，能一次性实现半精镗和精镗的加工，避免了多次换刀，提升了加工能力。

2 缸孔稳定性能力影响因素研究

本文研究的是三缸机缸体，有 3个气缸孔。发动机工作时其活塞需在缸体气缸孔内作上下往复运动，因此气缸孔的孔径大小、表面粗糙度、垂直度、圆度等重要特征特性参数都十分重要，它们将直接影响到发动机的使用性能。因此对其生产过程中的能力进行统计控制、稳定性进分析至关重要。

2.1 统计过程控制

统计过程控制又称SPC(Statistical Process Control)是利用统计技术对过程数据的收集、生成并分析数据的方法，以保证过程产品质量稳定可控，是质量控制的5大工具之一。

图3 SPC控制图

SPC有两个重要指标：过程稳定和能力达标。前者基于控制图控制，如图3所示，可实现过程的诊断、改善控制、改进确认。后者是稳定状态下的加工能力满足技术标准的程度，以CPK能力值评价。对于长周期生产产品的过程稳定性，能力值要求在±3σ的变差范围内计算如式(1)、式(2)。当CPK大于等于1.33，统计学表示其不合格品率为67 ppm(百万分之不合格率)。

(1)

CPK= min(CPU,CPL)

(2)

2.2 缸孔位置度能力稳定性现状

缸孔位置度是会直接影响产品功能的特性参数。在发动机性能方面也是致命性指标。对其过程的管控，确定稳定性生产可有效遏制风险。因此生产过程中会通过定期收集抽检的位置度数据作为样本以评估过程是否稳定。缸孔采用三坐标进行测量，测量精度较高，位置度检测是自上而下取5个截面如图4所示以分析其能力。

图4 缸孔位置度5个测量截面

图5是某月精镗缸孔的位置度单值进程图及能力结果，过程数据存在波动且存在异常突跳点，能力显示红脸表示能力不达标。三个缸孔中其中2缸的位置度能力最低至0.56，1缸缸孔1.19，严重不符合1.33的能力指标。

图5 某月的缸孔位置度单值图

2.3 过程影响因素分析

针对问题现状，基于人、机、料、法、环、测等因素，对生产过程中存在可能性因素进行分析。排除毛坯变换、不同三坐标的测量误差、测量系统稳定、设备能力稳定等因素，主要分析以下原因：①是否与前序粗镗、半精镗时底孔的位置度能力有关，结果前序的位置度能力稳定；②分析拉丁自身的加工误差，结果表明都在要求范围内；排除定位定位系统及前序的能力因素，锁定原因在精镗工位。③重新计算和校核缸孔尺寸链是符合产品要求；④加工程序中采用零点程序中R参数实现对每个缸孔的位置度补偿，检查程序中的补偿值是否异常，参数是随着程序原点写入的因此不会发生任何变化；⑤重新测量机床的主轴精度和机床主轴的重复定位精度，采用手动和MDA两种模式复测，结果X轴反向间隙0.006 mm；机床重复定位精度均在要求范围内；⑥判断机床工作台是否有垫屑，导致定位姿态不平稳影响位置度，在产线随机挑选工件，对应拉钉端面粘贴约0.1～0.2厚度胶带及铁屑等异物，实验验证机床垫屑时报警功能正常，排除垫屑原因，如图6a所示；⑦修改3个缸孔的加工顺序后，但位置度未随着孔位变化，如图6b所示。

(a) 垫屑实验(b)加工顺序修改图6 缸孔垫屑实验及加工顺序修改

3 影响因素分析及实验验证

排除人、机、料、法、测的原因后，重点对环境因素进行分析，分析温度对位置度的影响。

首先验证来料前工件温度是否变差较大。在产线堵料时，对工件进行温度测量，温度在20 ℃～22 ℃之间；正常过件时，工件温度波动在26 ℃～30 ℃之间，工件自身温度偏高，而温差来源主要是前一工序存在冷风通道，若发生堵料时，工件在冷风通道内的暂停时间较长，因此冷却时间比正常过件长致工件温度较低。

为进一步验证来料前温度对缸孔位置度的影响，做了2个实验。

实验1：对加工过程中主轴温度、刀具温度、车间环境温度、来料前的工件温度等因素同时进行数据采集及分析。如表1所示采集的部分数据。

表1 主轴、刀具、工件、环境等温度因素分析

对上述温度因素进行全天的数据统计发现，加工环境温度的变差较少而精镗缸孔来料前的温度不稳定且波动较大。因此排除主轴、刀具、车间温度的影响因子。最后通过连续过件测量工件温度及对应的位置度，发现温度在22°～26°的区间与27°～32°区间对应的位置度存在分层现象，温度大于等于27°时缸孔位置度偏高，极差较大，如图7所示。

(a) 精镗缸孔来料温度 (b) 工件温度对应的位置度图7 位置度随工件温度分层现象

实验2：将精镗前的55件工件静止一天，确保该55件温度一致(温差极小)，之后连续加工该54件并全部在同一三坐标进行检测。结论：缸孔位置度能力很足，证明缸孔位置度波动是由于工件温度异常波动导致。综上所述，缸孔位置度随着工件温度变化而变化。

4 改善控制及能力提升

实验结果证明来料前的工件温度是影响铝合金材质缸孔过程稳定性的主要原因，因此如何管控来料前工件温度是解决的首要任务。 精镗缸孔前：工件需经过清洗机，清洗后的工件温度过高，需经过冷风通道进行冷却。通过排查发现冷风通道冷却能力不足，未使工件冷却至室温。

为保证每个工件在正常过件时的工件温度也保持在22°～26°内，提升冷风通道的冷却能力，进行如下改善：①清理冷却水回路的过滤网；②在精镗缸孔上一工序的冷风通道里增加冷却水加压水泵，提高冷却水的流通及冷却温度；③优化物料通道逻辑，在工件经过通道口的最后料位区间增加暂停，加强工件冷却时间；④避免夏天过晒，在精镗缸孔工位增加遮阳罩，避免工件直晒。

图8 增加冷却水加压泵

如图8所示是基于合理工艺参数及增加冷却泵设备改造，次月位置度数据如图9所示：自左向右分别是1～3个缸孔5个截面的整改前后的能力对比图，改善后缸孔截面最低能力值是1.81，符合达标能力值。(注：其中浅灰、黑色柱状图是改善前的能力数据，灰色柱状图是设备改造后的能力数据)。

图9 整改前后的能力对比图

连续跟踪数据，如表2是连续6个月的过程能力数据，除6月份CPK能力值均大于1.33，分析排查是冷风通道的过滤网生锈堵塞导致冷却能力降低，工件温度不稳定，通过更换过滤网，次月能力合格。

表2 连续6个月过程能力CPK值

以上结果表明控制来料温度稳定至22°～26°对缸孔位置度稳定性有很大影响，根因分析准确，改善控制有效，使过程能力的稳定性明显得以提升，同时也降低了过程缸孔位置度不合格率。

5 结论

针对生产中缸孔位置度能力不达标现状，采用SPC质量工具从人机料法环测等方面对影响过程能力的因素进行分析。通过对比来料前的工件温度、加工环境温度、主轴温度、刀具温度、加工后工件温度，结果表明缸孔位置度的不稳定与来料前的加工温度有正强相关关系；通过优化工艺参数及增加冷却水加压水泵，稳定来料工件温度在22°～26°之间，缸孔位置度稳定性得到明显改善和控制，连续6个月满足CPK要求，避免缸孔位置度超差的风险，降低了不合格品率及工废成本，进而提高发动机及整机的运行稳定性。也为同行业内研究其他机床能力不稳定的特性参数提供了问题解决方向和可行性意见。