一種發(fā)動機油底殼加工工藝探討

徐飛躍 徐國慶 周海軍 韓文輝 林愛綿 趙海波

（廣東鴻圖科技股份有限公司，廣東高要 526108）

圖1為某汽車公司的乘用車發(fā)動機使用的油底殼機加工成品圖，此產品總成安裝在發(fā)動機底部，在實現機油對發(fā)動機運動部件的潤滑時，同時具有存貯、沉淀、過濾和吸油等功能。工件總成具有比較嚴格的加工裝配尺寸、泄漏量和清潔度要求。此款油底殼總成產品的設計特點，是將機油的潤滑、回流、存貯、沉淀、過濾和吸油等功能部件，集成設計在油底殼的工件結構中，實現減少總成工件的裝配數量，提高產品使用可靠性，降低產品制造成本的目的，同時也導致了油底殼的結構變得復雜，增加了工件的毛坯壓鑄和機加工的難度。如何提高工件壓鑄和機加工成品率成為工件開發(fā)是否成功的關鍵。

圖2是油底殼產品機加工簡圖，工件是典型的壓鑄件，材料為日本標準材料牌號ADC12（對應中國標準材料牌號為YL112），年需求量為15萬件，生產線分為CNC加工生產線和總成裝配生產線兩部分，總成工件的工藝流程為:熔煉→壓鑄→除澆口→除毛刺→刻印→CNC加工→清洗→裝配→試漏→包裝→入庫。

1 工件的加工工藝分析

試制方案采用日本產MAZAK PFH5800臥式加工中心，加工完成的產品質量的可靠性高（產品送樣階段的順利完成，也驗證了這一點），設備投入造價比較高，場地占用面積也比較大。批量方案采用美國產HAAS VF3SS－H立式加工中心，設備投入造價比較低，約為臥式加工中心的1/3，場地占用面積比較小，約為臥式加工中心的60%，由于和OP20/30使用設備一樣，生產線布置和產品生產的工序流動也將變得更加合理。通過加工質量穩(wěn)定性和經濟可行性等各方面的評估，批量加工方案的設備全部采用美國產HAAS VF3SS－H立式加工中心。

2 工件的加工夾具方案

加工方案（試制方案）分3道工序:（1）OP10加工油底殼密封端面及孔、油底殼側面，夾具采用角板式液壓保壓結構，夾具可以通過B軸回轉加工分布在不同角度的部位。機床選用日本產MAZAK PH5800臥式加工中心。（2）OP20加工油底殼兩側端面及背面，夾具采用液壓橋式回轉結構，夾具可以通過A軸回轉加工分布在不同角度的部位。（3）OP30加工E－E視圖油底殼油標尺孔，夾具采用氣動單工位結構實現加工要求。OP20/OP30定位方式采用典型的一面兩銷的定位夾緊方式，機床選用美國產HAAS VF3SS立式加工中心。

日本產MAZAK PFH5800臥式加工中心，數控操作系統(tǒng)為MAZAK專用的NEXUS操作系統(tǒng)，主軸采用12 000 r/min的電主軸結構，X/Y/Z軸滾珠絲杠采用中空冷卻系統(tǒng)，實現了絲杠的強制冷卻和恒溫控制，有效地抑制了由于高速運動帶來的熱膨脹而導致的精度變化，X（滑鞍左右）/Y（主軸頭上下）/Z（托盤前后）運動行程730/730/740 mm，X/Y/Z定位精度±0.005 0 mm，重復定位精度±0.001 5 mm。

美國產HAAS VF3SS－H立式加工中心，數控操作系統(tǒng)為HAAS專用的操作系統(tǒng)，主軸采用12 000 r/min的有色金屬切削專用主軸，X/Y/Z運動行程1 016/508/715 mm，機床工作臺尺寸1 219 mm×457 mm，X/Y/Z定位精度±0.0050 mm，重復定位精度±0.002 5 mm。

加工方案的工作原理及工藝特點，OP10加工夾具的裝夾要求是，工件裝入夾具后，夾具的兩個浮動定位銷定位和3點工藝凸臺固定支撐共同作用實現工件的6點定位，3個油壓杠桿直線缸壓緊，實現工件的初始壓緊，然后在工件四周布置的4個液壓浮動支撐缸動作，實現輔助支撐，加強工件的剛性，將工件完全壓緊，夾具的液壓元件的動作順序通過順序閥實現，夾具簡圖見圖3。OP20/30夾具簡圖見圖4和圖5。

加工方案（批量方案）同樣分3道工序進行加工:OP10加工油底殼密封端面及孔，油底殼側面，夾具采用液壓橋式回轉結構，可以通過A軸回轉加工分布在不同角度的部位，夾具方案見圖6。OP20/OP30加工方案同上，機床全部選用美國產HAAS VF3SS－H立式加工中心。

3 問題分析及解決方案

產品量產后，陸續(xù)出現了一些問題，主要體現在以下方面:

3.1 關于43±0.1 mm尺寸超差率偏高

OP20工序的工件裝配支撐孔（F－F視圖）φ20 mm對基準C面的距離43±0.1 mm尺寸出現超差，統(tǒng)計比例為10%。

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（1）問題的分析

分析工件加工部位的裝配支撐孔F－F視圖的結構，加工部位的尺寸43±0.1 mm為φ20 mm平面的深腔，毛坯端面的加工余量為0.8 mm，刀具采用棒狀0°前角的焊接硬質合金兩刃端面锪刀，此結構刀具具有造價低，加工效率高，刀具剛性好的特點。通過對工件尺寸距離43±0.1 mm超差的加工后的φ20 mm平面狀態(tài)觀察，表面粗糙度的變化比較大，在Ra12.5～3.2 μm之間。經分析后確認，是由于锪刀0°前角的硬質合金刀具在加工過程中，刀刃產生了積屑瘤，積屑瘤參與切削導致加工的表面粗糙度變差，距離尺寸43±0.1 mm尺寸超差。

（2）解決方案

找到產生不良的原因后，將刀具的0°前角的焊接硬質合金兩刃端面锪刀，磨制出約5°正前角，使刀具切削刃變得很鋒利，即可消除積屑瘤的產生。全檢經過改制后的锪刀加工的產品，距離尺寸43±0.1 mm的尺寸公差得到了有效的控制，不僅加工效率更高，加工表面粗糙度同時也得到了改良。

3.2 關于 2－φ8mm 尺寸位置度超差率偏高

量產后，美國產HAAS VF3SS－H立式加工中心的OP10 工序的定位銷孔鏜孔 2－φ8mm 尺寸的位置度0.05 mm間中出現超差，全檢統(tǒng)計比例在1% ～3%范圍內波動。

（1）設備及工藝分析

MAZAK PFH5800臥式加工中心機床結構的分析:為了保證長時間工作的加工精度，消除外部和內部熱源對機床加工精度的影響，機床配置了空調機，保證機床可以適應不同的外部環(huán)境，同時給機床主軸和進給絲杠提供冷卻，并可根據環(huán)境的不同條件進行溫度的設定。MAZAK PH5800臥式加工中心機床的主軸采用直接驅動電主軸結構，將機床主軸與電動機合為一體，此主軸結構具有主軸剛性更好，效率更高，能最大程度發(fā)揮從高速加工到重切削的全部能量，使機床可以適應從鋼材到鋁材等有色金屬的加工，在主軸電動機的定子線圈周圍布置了油套管，強行冷卻由機床空調冷卻箱供應的冷卻油，使主軸運轉產生的熱量可以及時排出;機床的X/Y軸滾珠絲杠采用了高進給剛性的雙錨固定支撐結構，為了減少運動中的發(fā)熱所造成的位移，維持高精度的定位，X/Y軸滾珠絲杠軸心和支撐軸承也采用了循環(huán)式滾珠絲杠軸心的冷卻裝置，減小了熱變形對尺寸精度的影響。

HAAS VF3SS－H立式加工中心機床結構的分析:機床的主軸與電動機的連接采用聯軸器直連驅動的結構，省去了傳動皮帶，使主軸的最高轉速可以達到12 000 r/min，主軸采用專用的有色金屬切削高速主軸，機床的X/Y軸滾珠絲杠軸軸心無冷卻，在運轉過程中，外界環(huán)境和機床本身產生的熱變形對X/Y軸定位精度會造成較大影響，最終導致加工工件鏜孔2－φ8mm尺寸的位置度0.05 mm的精度無法保證。

針對出現的工件尺寸超差的情況，對美國產HAAS VF3SS－H立式加工中心加工工件和日本產MAZAK PFH5800臥式加工中心加工工件都進行了統(tǒng)計，經過全檢統(tǒng)計后，日本產MAZAK PFH5800臥式加工中心加工工件定位銷孔鏜孔 2－φ8mm 尺寸的位置度0.05 mm其工程能力CPK≥1.67，完全符合圖紙要求。美國產HAAS VF3SS－H立式加工中心加工工件定位銷孔鏜孔 2－φ8mm 尺寸的位置度 0.05 mm其工程能力CPK無法滿足工件圖紙加工的技術要求，間中出現超差，統(tǒng)計比例為1% ～3%。經車間現場通過激光干涉儀檢驗驗證，HAAS VF3SS－H立式加工中心X/Y軸定位精度等靜態(tài)幾何精度技術要求，符合機床出廠標示的定位精度技術要求。

通過對機床結構、加工夾具、刀具的分析可以得出結論:造成HAAS VF3SS－H立式加工中心加工工件位置度超差的主要原因是機床X/Y軸滾珠絲杠運動過程中，產生的熱變形累計誤差所致。如何解決熱變形對X/Y軸滾珠絲杠運動精度的影響，成為 HAAS VF3SS－H立式加工中心機床是否能夠滿足工件加工質量要求的關鍵因素。

（2）解決方案

查閱相關技術資料，使用在線測量系統(tǒng)可在加工過程中進行尺寸測量，根據測量結果自動修改加工程序，消除熱變形累計誤差的影響，滿足工件加工工藝所需的技術要求。為保證加工產品的質量，決定試用在線測量系統(tǒng)改善機床精度，選擇試用的是意大利MARPOSS（馬波斯）的觸發(fā)式測頭在線測量系統(tǒng)。

在線測量系統(tǒng)工作原理:在機床上采用觸發(fā)式測頭進行測量時，可將觸發(fā)式測頭假設成一把刀具安裝在加工中心的刀庫中，當工件加工完成后，隨程序調用在機床的主軸上，使觸發(fā)式測頭測針上的觸頭與工件2－φ8mm 內孔表面接觸，由于機床的數控系統(tǒng)實時地記錄并顯示主軸的位置坐標值，因此，可以結合測針的觸頭與工件的具體位置關系，利用機床主軸的坐標值換算出工件被測量點的相關坐標值，將此相關坐標值數據補償到下一個工件加工的程序坐標值中，實現對機床X/Y軸定位精度熱變形累計誤差的補償。整個測量過程中機床的運動、被測點坐標值的記錄和測量結果的計算都由2D軟件包的宏程序根據加工工藝確定。圖7為觸發(fā)式測頭在線測量系統(tǒng)的工作原理框圖。

經過3個月的加工試用，對工件加工成品的全檢數據統(tǒng)計，消除了加工工件定位銷孔鏜孔 2－φ8mm尺寸的位置度0.05 mm超差的現象，證明通過在線測量系統(tǒng)對機床熱變形累計誤差進行在線補償，是改善機床精度的一種有效手段，對今后類似技術問題的處理具有一定的參考價值。

4 結語

總結油底殼CNC加工試制和批量生產中出現的問題，通過試用在線測量系統(tǒng)，補償機床熱變形誤差累計，改善了機床加工精度，證明選用更加經濟的立式加工中心同樣可以達到選用高精度的臥式加工中心滿足工件加工技術要求的效果，為工件加工選型采用更加經濟的機床實現高精度的工件加工提供了一個參考方案。

［1］楊叔子.機械加工工藝師手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002.

［2］徐國慶，徐飛躍.在線測量技術在電動乘用車前端蓋加工中的應用［J］.MC 現代零部件，2011（6）:87－88.

［3］徐國慶，徐飛躍，曾超鋒.發(fā)動機油底殼數控加工工藝分析［J］.機械制造，2011（10）:78－81.