发动机缸盖排气面刀痕的解决措施

薛飞，严海桥，王康辉，陈敏俊，王鸣，胡堃，葛俊，张秋平

上汽大众汽车有限公司 上海 201805

1 序言

铣削加工是应用最广泛的平面加工方式之一。由于铣削属多齿断续加工，存在周期性的冲击，加工条件较为恶劣[1]，因此如何保证铣削加工表面质量有着重要意义。

2 问题背景

发动机缸盖排气面（以下简称排气面）是与排气管支架连接的结合面。为了保证发动机做功后高压气体的密封性，排气面表面粗糙度值Rz要求为10μm（近似表面粗糙度值Ra为1.6～3.2μm），平面度要求0.04mm（见图1）。缸盖采用硅铝合金压力铸造，排气面由毛坯厂先进行粗加工，再由缸盖生产线GROB卧式加工中心采用PCD铣刀高速铣削精加工。

图1 缸盖排气面工序示意

装配中零星出现排气面发生泄漏的发动机，拆解后发现排气面存在较明显的接刀痕（见图2），但表面粗糙度和平面度未超差。

图2 缸盖排气面接刀痕

3 问题分析

该工序主要加工进排气面及安装进排气支架的各个凸台面，因此生产线规划时选择了直径50mm的面铣刀。这样做的好处是减少加工时刀库换刀次数，但在铣削排气面时必须接刀完成。仔细观察排气面的接刀痕，对比铣刀环切加工轨迹（见图3），可以发现接刀痕主要是在铣刀轨迹换向点产生的。

图3 铣刀环切加工轨迹

排查产生接刀痕可能的原因如下。

1）工件材质偏软，铣刀在轨迹换向点处有停顿。已加工表面的金属材料回弹，产生刀痕。质保检测该批次缸盖硬度在正常范围，因此排除该项可能。

2）夹具夹紧力不足，铣刀加工至换向点时切削力方向改变，导致缸盖发生移动，铣刀过切产生刀痕。检查夹具液压夹紧压力、夹具定位、夹紧元件均正常。因此排除该项可能。

3）Z轴丝杠副或轴承存在间隙。铣刀在轨迹换向处，对Z轴轴向的切削力变小。Z轴轴向间隙释放产生窜动，引起过切。

4）X轴、Y轴和Z轴导轨副存在间隙，铣刀在轨迹换向时切削力方向改变。主轴滑台产生摆动，导致刀具过切。

5）主轴与加工面不垂直，当刀具换向时拖刀纹方向改变，产生接刀痕。

针对第3）、第4）点，如果机床运动副存在间隙，则会导致设备刚度下降。根据经验，会在铣削表面产生振纹。机床增益参数均为原厂设置值，加工表面除了接刀痕外，未发现明显的振纹。为了进一步确定原因，采用球杆仪对机床检测（见图4）。球杆仪及软件用于检测数控机床的几何误差，以及由控制器和伺服驱动系统引起的运动误差[2]。通过程序让机床运行一段圆弧或整圆，并由传感器测得运动中半径的微小偏移量，再经软件将其采集。如果机床没有任何误差，绘制出的数据将显示出一个真圆。出现任何误差都将使该圆变形。从真圆偏离出的数据揭示出数控系统、驱动伺服及机床各轴的问题和误差。

图4 球杆仪检测

球杆仪检测结果（见图5）显示“反向间隙”“反向跃冲”“直线度”等参数均在合理范围，但Z轴垂直度达－89.9μm/m，超出±30μm/m的正常范围。

图5 球杆仪检测结果

4 解决措施

由于正值疫情封闭生产期间，维修出勤人数较少，产量压力较大。因此我们决定先通过铣削轨迹优化以消除刀痕，维持生产，待封闭生产结束再对机床进行维修。

排气面原铣削采用环切轨迹加工。环切轨迹的优点是铣削长度短，加工效率高。刀具不需要反复切入切出工件，对机床和刀具冲击较小。我们出于加工精度考虑，将铣削轨迹改为单向行切加工轨迹（见图6）。并针对沿着进给方向和垂直于进给方向两种情况，分别消除主轴与加工面不垂直引起的刀痕[3]。

图6 单向行切加工轨迹

针对主轴在进给方向平面内与进给方向不垂直引起的刀痕，当逆着主轴偏转方向进给时，铣刀圆周必须完全铣出工件表面再抬刀，否则会在抬刀位置产生方向不一致的圆弧状刀痕（见图7）。此时铣刀还会对已加工表面二次切削，对刀具寿命不利。当顺着主轴偏转方向进给时，只需铣刀加工出表面就可抬刀，此时加工表面只有顺着加工方向的圆弧状刀痕（见图8）。从质量稳定性角度出发，我们采用铣刀完全切出加工表面后再抬刀的加工方式。

图7 逆着主轴偏转方向进给示意

图8 顺着主轴偏转方向进给示意

主轴在垂直进给方向平面内与加工表面不垂直时，会产生贯穿工件表面的直角状接刀痕（见图9）。这种刀痕肉眼观察和手摸都很明显，对装配面的密封性损害也极大。此时可每次抬刀后，利用卧式加工中心的旋转轴，略微偏转一个很小的角度（本案例偏转0.02°），且每次铣削深度相应地略微退后（本案例铣削0.005mm）。使两次下刀铣出的表面夹角由直角变为一个钝角（见图10）。此时刀痕肉眼观察和手摸都很平滑，表面粗糙度和平面度也完全满足公差要求。当装配排气管支架时，在结合面还安装有衬垫。当接刀痕呈钝角时，衬垫的变形量能完全弥补平面的高低落差。当接刀痕呈直角时，衬垫的变形量不能弥补刀痕产生的缝隙，存在泄漏的风险。

图9 主轴在垂直进给方向平面内直角状接刀痕

图10 主轴在垂直进给方向平面内钝角状接刀痕

需要注意的是，在偏转旋转轴后，如果后一刀的加工深度比前一刀深，则仍会产生锐角状的接刀痕。此时应观察两次行切加工出的刀痕，调整下刀深度，使接刀痕呈钝角。可以观察铣削表面，如果刀痕到对应铣刀直径刀痕的象限点（见图11），那么说明这个面较深，而相邻的面较浅。这里还有一个判断行切相邻两个面高低的经验，手指沿垂直进给方向来回摸接刀痕。从低的面向高的面摸，能感觉到接刀痕，反之不能。

图11 刀痕到对应铣刀直径刀痕的象限点

5 结束语

修改铣刀轨迹后，采用行切法加工的排气面刀痕改善效果明显（见图12）。装配时未再发生排气面泄漏的问题。但采用行切轨迹后铣削距离为561.85mm，原环切轨迹长度为418.45mm。修改后加工距离增加了143.4mm，同时增加了3次抬刀的辅助运动，对生产节拍有一定的影响。针对刀痕，虽满足产品的表面粗糙度要求，但仍会产生排气面泄漏的问题，应该在产品要求上增加最大高度的评价指标，来评价由接刀痕产生的轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离。

图12 行切法加工的排气面

20221108