缸盖喷油孔加工圆度及其稳定性分析

2022-10-12彭存远金镭朱子健

工具技术 2022年7期

彭存远，金镭，朱子健

北京奔驰汽车有限公司

1 引言

缸盖是发动机零件中结构复杂的箱体类零件，也是发动机最为重要的三大核心部件之一。缸盖的加工工艺较复杂，对加工精度要求很高，其加工精度直接影响发动机的整体性能[1]。其中，喷油孔加工是关键加工工序之一，其加工精度对发动机的性能有着重要影响。

喷油孔的圆度超差主要影响燃油轨的塑胶密封圈的密封性。自M282缸盖投产以来，喷油孔的圆度经常出现超差的现象，其加工稳定性及刀具寿命无法达到要求(刀具寿命目标6000件，实际500件左右)。因此，在保证各项公差要求的情况下，优化加工工艺，对加工方式、切削刀具、刀具材料以及切削参数等进行改进，从而不断提高刀具寿命、减少换刀频次和降低加工成本成为新的研究重点。

本文针对喷油孔圆度超差问题开展研究，提出工艺优化方案，并验证了方案的可行性，旨在确保圆度稳定性、提升刀具寿命、降低换刀频次和降低加工成本基础上提高生产效率。

2 喷油孔工艺分析

2.1 刀具选择

M282缸盖毛坯材料为AlSi10Mg合金。铝合金导热性能较好，有利于适当提高压缩比，减轻发动机质量，减少发动机的振动和降低噪声，使发动机的油耗下降[2]。常见的铝合金缸盖加工工艺包括钻、铣、镗、铰及攻丝等[3]，要求满足各部位的尺寸精度、位置精度、形状精度及表面粗糙度。孔加工对位置精度和同轴度要求很高，喷油孔圆度超差主要由铰孔产生。由于加工喷油孔的切削余量较大，所以分为粗铰和精铰两步完成，本文选用PCD铰刀。

2.2 工艺要求及分析

M282缸盖加工工艺如图1所示，在OP90工位，喷油孔加工工艺共涉及粗加工(加工刀具为T9001，见图1a)及精加工(加工刀具为T9027，见图1b)两个工序。采用T9001粗铰孔，加工完台阶1～3后，采用T9027刀具继续精铰台阶1～2区域。

(a)粗加工工艺(采用T9001刀具)

在OP90机床上采用两家进口刀具供应商的加工方案进行试生产。生产结果显示，圆度超差问题基本发生在甲厂商的刀具和加工方案中，通过对比图纸发现刀具存在差异。

如表1所示，对于台阶1，均先用铰刀粗加工至7.25mm后再精加工至7.75mm，此工序无差异。对于台阶2，B方案是粗加工孔至17.9mm；A方案则先粗加工铰至17.4mm，再精加工扩大0.5mm。对于台阶3，B方案直接对孔径粗加工到22.6mm；而A方案分两步，先粗加工至20.5mm再扩大至22.6mm。由于圆度超差主要出现在甲厂商方案中，因此本文主要对甲厂商方案的加工工艺进行分析。

表1 刀具刀刃半径对比 (mm)

3 实验验证分析

排除干扰因素后设计交叉实验进行分析。在B方案中，分别找出一套喷油孔圆度合格(包括1把单独粗加工圆度合格的T9001刀具和组合加工后圆度合格的T9027刀具)的组合刀具以及一套圆度不合格的组合刀具(包括1把单独粗加工圆度超差的T9001刀具和组合加工后圆度超差的T9027刀具)，分别定义为样本A(CH9001- 33和CH9027- 29)和样本B(CH9001- 27和CH9027- 34)，将两组刀具样本中的粗精加工铰刀进行交叉混合实验，并测量喷油孔圆度，绘制曲线图。

测量结果如图2所示，其中纵坐标表示圆度(μm)，横坐标表示切削实验序号。由数据结果可以看出，样本A组合加工后的圆度公差为3μm左右；样本B组合加工后的圆度公差为11μm左右，超过控制线。在T9001刀具与T9027刀具组合交叉实验情况下，样本A中的T9001刀具与样本B中的T9027刀具结合，命名为样本C，其圆度在公差范围内，且圆度变差迹象不明显；样本A中的T9027刀具与样本B中的T9001刀具结合后，命名为样本D，可以明显看出，样本D的圆度变差。

(a)样本A、B与样本C、D对比

综合对比上述四组样本结果，可以初步判断T9001刀具对加工结果圆度的影响较大。因此，设计了第二组实验，重点验证T9001刀具对加工圆度的影响情况。

将粗加工时圆度合格的T9001刀具命名为样本E，粗加工圆度不合格的T9001刀具命名为样本F。将样本E和样本F与之前组合的样本C和样本D进行实验对比发现：单独粗加工时，样本E只能将圆度加工至12μm，稳定性较好；样本F的圆度不稳定，且圆度仅控制在16μm左右。

交叉对比样本C、D与样本E、F可以发现，无论T9027刀具是否合格，对T9001刀具粗加工的圆度都有改善作用。在使用效果不好的T9027刀具进行精加工(样本C)时，圆度完全符合公差；反之，若采用合格的T9027刀具搭配合格的T9001刀具进行精加工(样本D)，虽然圆度有所改善，但稳定性较差。因此可以进一步说明，粗加工时T9001铰刀对于整体圆度控制起主导作用。

普通铰刀的前角一般为0°，刀刃不锋利，在铰削过程中产生挤压作用，故所留铰削余量不宜过大，否则会增大刀齿的负荷，增加切削热和破坏铰孔的稳定性，甚至会出现孔径增大和切屑呈撕裂状态，抑或会导致表面粗糙度增大等现象[4]。

综上分析后初步得出以下结论：①T9001刀具在粗加工铰孔时，因切削任务过大，阶梯3的切削长度、深度以及切削余量都很大，过大的切削压力容易导致崩刃；②对于台阶2的位置，在粗加工时已加工完成了17.9mm的半径，精加工同样位置时对工件无支撑力，会导致整个工件不稳定且易晃动，从而可能导致圆度超差。

4 工艺改进方案及效果

4.1 改进方案

如图3所示，针对粗加工刀具T9001加工任务过大的问题，参考成熟产品M264缸盖的切削用量，新增一把预加工钻头T9020，以分担其切削任务。对于阶梯3，初始切削深度为0.55mm，T9020切削0.25mm(T9001切削深度减少至0.3mm)，切削量为1995mm3(T9001刀具的切削量减少至2393mm3)。

(a)新增预加工钻头T9020的工艺方案

对于粗精加工台阶2相同半径的问题，参考甲公司的刀具(见表1)，将粗加工半径减少0.5mm，同时在精加工台阶2时，切削深度也从0mm增至0.25mm，从而增大精铰过程中工件与刀具的支撑力。

4.2 方案验证

为验证上述改进方案的有效性，将新增的T9020与之前出现问题的T9001和T9027(圆度在14μm，刀具寿命在100件)刀具放在同一台机床上组合加工3000件左右后，测量结果显示，T9027刀具寿命提升至2400件左右，圆度超差0件。

在小批量单机床验证成功后，在五台OP90机床进行大批量验证，所得数据如表2和表3所示。可以看出，自增加了T9020刀具和改变了T9001刀具的切削半径后，基本不再发生圆度超差问题，不合格率从9.55%降至0%；且T9027刀具的最终加工寿命从之前的约500件提升至5000件左右，验证了改善措施的有效性。