汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管孔的加工刀具改進(jìn)研究*

耿雪霄，劉志英，陸桂岐，覃淑萍，蔡李同興

(廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院，廣西 柳州　545616)

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汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管孔的加工刀具改進(jìn)研究*

耿雪霄，劉志英，陸桂岐，覃淑萍，蔡李同興

(廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院，廣西 柳州545616)

通過(guò)對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋導(dǎo)管孔的加工中MAPAL單刃槍鉸刀在應(yīng)用中存在導(dǎo)管孔直線(xiàn)度差、氣門(mén)插不進(jìn)的問(wèn)題進(jìn)行調(diào)研，并通過(guò)15°精加工部分刃口和75°粗加工部分刃口分別進(jìn)行受力分析、再鈍化處理并進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)對(duì)比。最后發(fā)現(xiàn)MAPAL單刃槍鉸刀進(jìn)行15°精加工部分刃口鈍化處理后，氣門(mén)插不進(jìn)的問(wèn)題有所改善，但導(dǎo)管孔直線(xiàn)度差的問(wèn)題沒(méi)有改善；進(jìn)行75°粗加工部分刃口鈍化處理后，基本沒(méi)有出現(xiàn)“上小下大”等氣門(mén)彎曲情況發(fā)生，加工效果有了明顯改善。

導(dǎo)管孔；直線(xiàn)度；氣門(mén)；鈍化處理

0　引言

發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車(chē)的核心部件，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的加工質(zhì)量好壞則是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高性能的基礎(chǔ)，特別是氣缸蓋氣門(mén)座圈(閥座)和導(dǎo)管孔的加工精度的好壞將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，因此行業(yè)對(duì)閥座工作錐面與導(dǎo)管孔的跳動(dòng)、導(dǎo)管內(nèi)孔與外圓的跳動(dòng)規(guī)定了嚴(yán)格的公差：氣缸蓋閥座錐面跳動(dòng)≤0.03～0.04mm，導(dǎo)管內(nèi)孔對(duì)外圓的跳動(dòng)≤0.15～0.20mm[1]。

長(zhǎng)久以來(lái)，閥座錐面和氣缸蓋導(dǎo)管孔加工一直是氣缸蓋加工的技術(shù)難題，在批量生產(chǎn)中，關(guān)注加工工藝優(yōu)化、加工方式、定位方式、切削刀具材料及其結(jié)構(gòu)形式等都是穩(wěn)定地保證公差的有效途徑。目前世界上主流的刀具主要是MAPAL提供的座圈導(dǎo)管復(fù)合式槍鉸刀，本文以MAPAL槍鉸刀為例，主要研究單刃導(dǎo)管孔加工刀具在國(guó)內(nèi)某汽車(chē)公司氣缸蓋加工導(dǎo)管孔時(shí)出現(xiàn)導(dǎo)管孔直線(xiàn)度差、氣門(mén)插不進(jìn)問(wèn)題，并通過(guò)槍鉸刀的15°精加工部分刃口和75°粗加工部分刃口分別進(jìn)行受力分析、再通過(guò)鈍化處理并進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)75°粗加工部分刃口鈍化處理后，基本避免出現(xiàn)“上小下大”等氣門(mén)彎曲情況發(fā)生，加工效果有了明顯改善；15°精加工部分刃口鈍化處理僅僅改善了氣門(mén)插不進(jìn)的問(wèn)題，但對(duì)解決導(dǎo)管直線(xiàn)度差的問(wèn)題無(wú)任何作用。

1　發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管孔的加工工藝分析

國(guó)內(nèi)某汽車(chē)公司發(fā)動(dòng)機(jī)制造工廠引進(jìn)德國(guó)先進(jìn)的氣缸蓋自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，生產(chǎn)設(shè)備全部為五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，其生產(chǎn)的B10和B12發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的氣門(mén)座圈和導(dǎo)管均為粉末冶金壓制燒結(jié)而成，具有較高的硬度和耐磨性，從表1工藝技術(shù)要求可以看出，產(chǎn)品氣門(mén)座圈錐面和導(dǎo)管孔相對(duì)尺寸及表面精度要求非常高，且由于其加工材質(zhì)相對(duì)較硬，可見(jiàn)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中氣門(mén)座圈和導(dǎo)管孔的加工較為困難。

表1　座圈和導(dǎo)管加工工藝要求

從工藝上分析，座圈導(dǎo)管加工難度較大，導(dǎo)管孔孔徑小且深，屬于深孔加工[2]。加工刀具懸伸長(zhǎng)，剛性不足，對(duì)刀具要求非常高。加工座圈和導(dǎo)管刀具的配備選用目前世界上主流的德國(guó)MAPAL公司的剛性復(fù)合刀具，可在一次進(jìn)刀完成座圈和導(dǎo)管的加工[3](見(jiàn)圖1)。

圖1　座圈導(dǎo)管加工情況

刀具的設(shè)計(jì)原理是利用支承導(dǎo)條來(lái)吸收切削產(chǎn)生的振動(dòng)和阻力，類(lèi)似普通車(chē)床的跟刀架，避免加工中產(chǎn)生“讓刀”造成導(dǎo)管孔中心線(xiàn)相對(duì)座圈跳動(dòng)超差。導(dǎo)管加工部分采用精密研磨的PCD刀片，鉸刀桿上鑲有兩塊PCD導(dǎo)條，在刀片進(jìn)入導(dǎo)管約0.2mm之后，PCD導(dǎo)條也進(jìn)入到已加工導(dǎo)管的表面起到支撐作用，并吸收切削所引起的振動(dòng)，從而保證加工內(nèi)孔的圓度和圓柱度。PCD導(dǎo)條在切削過(guò)程中還起到擠壓修光作用，使工件表面更光滑。該加工工藝由兩步組成：①用φ4.90mm雙刃引導(dǎo)刀對(duì)導(dǎo)管孔進(jìn)行預(yù)加工，類(lèi)似于做一個(gè)鉆套，保證后續(xù)刀具位置度；②用單刃PCD鉸刀和座圈鏜刀一次成形[4]。

2　MAPAL刀具在加工導(dǎo)管孔中出現(xiàn)的問(wèn)題

自正式投產(chǎn)以來(lái)，裝配線(xiàn)常發(fā)現(xiàn)有氣缸蓋有個(gè)別導(dǎo)管孔氣門(mén)插不進(jìn)，造成氣缸蓋無(wú)法進(jìn)行裝配現(xiàn)象，平均每個(gè)月約出現(xiàn)20件，數(shù)量多的每個(gè)月達(dá)到40件，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，員工抱怨較大。個(gè)別缸蓋氣門(mén)稍用力能插入完成裝配，但裝配后氣門(mén)運(yùn)動(dòng)不暢，則發(fā)動(dòng)機(jī)有可能發(fā)生氣門(mén)卡死，引發(fā)安全事故。圖2就是售后反饋發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)有異響，拆解后發(fā)現(xiàn)的氣門(mén)撞傷活塞問(wèn)題。

圖2　氣門(mén)撞傷活塞問(wèn)題

為查清問(wèn)題所在，解決安全隱患，對(duì)配氣系統(tǒng)零件氣門(mén)和導(dǎo)管孔展開(kāi)了調(diào)查。首先對(duì)氣門(mén)進(jìn)行了隨機(jī)抽樣檢測(cè)，抽檢發(fā)現(xiàn)所有氣門(mén)尺寸均符合圖紙公差，可排除氣門(mén)問(wèn)題。

再重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)管孔加工過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題。將售后和裝配退回的多個(gè)問(wèn)題零件拆解后拿回生產(chǎn)線(xiàn)測(cè)量導(dǎo)管孔直徑發(fā)現(xiàn)，同一個(gè)零件上并不是所有導(dǎo)管孔都發(fā)生撞活塞或者氣門(mén)運(yùn)動(dòng)不暢情況，一般只有1～2個(gè)孔存在該問(wèn)題。線(xiàn)旁檢具測(cè)量問(wèn)題孔時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管孔存在上截面小下截面大的情況，合格孔孔徑均為上截面大下截面小。

為什么測(cè)量會(huì)出現(xiàn)這樣的差異呢？氣缸蓋生產(chǎn)線(xiàn)精加工工位SPC檢測(cè)站導(dǎo)管檢具采用無(wú)錫愛(ài)錫量?jī)x有限公司的氣動(dòng)檢具，測(cè)量點(diǎn)為離孔口大約3～4mm的上下兩個(gè)截面(見(jiàn)圖3)，氣動(dòng)量?jī)x利用了這樣一個(gè)物理原理：流量與壓力都與間隙的大小成比例關(guān)系，同時(shí)壓力和流量相互之間成反比例關(guān)系。導(dǎo)管氣動(dòng)量?jī)x是當(dāng)要測(cè)量的導(dǎo)管孔壁與測(cè)頭噴嘴間隙越小時(shí)反饋?zhàn)x數(shù)越小，反之越大。正常能插進(jìn)氣門(mén)孔測(cè)量一般都是上截面測(cè)量數(shù)值大于下截面測(cè)量數(shù)值，或上下截面數(shù)值相差不多的情形[5]。

圖3　氣缸蓋生產(chǎn)線(xiàn)精加工工位SPC檢測(cè)站導(dǎo)管檢具

當(dāng)出現(xiàn)氣門(mén)插不進(jìn)時(shí)，測(cè)量氣門(mén)插不進(jìn)孔的孔徑值多數(shù)情況下讀數(shù)為上截面數(shù)值比下截面數(shù)值小，即“上小下大”情況，但同一個(gè)缸蓋中的8個(gè)導(dǎo)管孔不是每個(gè)孔都出現(xiàn)氣門(mén)插不進(jìn)現(xiàn)象，只是其中的一個(gè)或者兩個(gè)孔出現(xiàn)異常，且發(fā)生氣門(mén)插不進(jìn)工件不是連續(xù)出現(xiàn)，而是間斷出現(xiàn)，因此過(guò)程質(zhì)量監(jiān)控困難。線(xiàn)上操作員工為避免出現(xiàn)批量報(bào)廢事故，只能增加工件抽檢頻次，另外測(cè)量時(shí)一旦發(fā)現(xiàn) “上小下大”的情形隨即換刀，造成換刀輔助時(shí)間的增多，影響生產(chǎn)產(chǎn)量，操作員工勞動(dòng)強(qiáng)度大。

3　問(wèn)題分析及改進(jìn)方案

3.1原因分析

將出現(xiàn)“上小下大”且氣門(mén)插不進(jìn)的導(dǎo)管孔用三坐標(biāo)測(cè)量導(dǎo)管孔內(nèi)壁的真實(shí)形狀，發(fā)現(xiàn)其不是真正意義的上截面直徑小下截面直徑大，而是導(dǎo)管孔下端出現(xiàn)彎曲，即導(dǎo)管孔直線(xiàn)度不好，如圖4所示。

圖4　導(dǎo)管孔下端的彎曲現(xiàn)象

圖5　“上小下大”情形

氣動(dòng)檢具是根據(jù)測(cè)量噴嘴孔與孔壁之間的間隙的變化反饋孔徑尺寸，如果導(dǎo)管孔出口端(下截面)產(chǎn)生彎曲變形，測(cè)量噴嘴孔與孔壁之間的間隙也會(huì)隨之變大，氣檢反饋其讀數(shù)偏大，而上截面直線(xiàn)度好，與孔壁間隙不變，測(cè)量讀數(shù)正常，即出現(xiàn)“上小下大”情形(見(jiàn)圖5)。直線(xiàn)度超差嚴(yán)重時(shí)，導(dǎo)管檢具會(huì)在下端截面和導(dǎo)管孔壁接觸無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，通常出現(xiàn)這樣的情形氣門(mén)也無(wú)法順利通過(guò)導(dǎo)管。

為了查清導(dǎo)管孔加工彎曲的原因，對(duì)氣缸蓋導(dǎo)管孔加工刀具進(jìn)行分析。氣缸蓋導(dǎo)管采用MAPAL單刃復(fù)合刀具加工，刀具采用可換刀片式結(jié)構(gòu)，不但可以節(jié)約刀具加工成本，且刀具直徑可以通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制，調(diào)節(jié)方便快捷，較適合大批量生產(chǎn)中使用。通常將導(dǎo)管PCD刀片預(yù)設(shè)壽命為1200件，一旦到達(dá)壽命后則強(qiáng)制更換新刀片。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管刀片更換新刃口時(shí)較容易出現(xiàn)“上小下大”情況，這類(lèi)刀具如果上下截面孔徑值相差不是很大，不做任何處理將該刀重新放到機(jī)床使用后“上小下大”情況消失，經(jīng)長(zhǎng)期使用跟蹤發(fā)現(xiàn)，當(dāng)導(dǎo)管刀片到達(dá)一定壽命后基本不出現(xiàn)上小下大氣門(mén)插不進(jìn)情況，表2是統(tǒng)計(jì)2011年1月至5月出現(xiàn)“上小下大”次數(shù)和對(duì)應(yīng)的壽命區(qū)間。

表2　“上小下大”次數(shù)和對(duì)應(yīng)的壽命區(qū)間表

從數(shù)據(jù)可以看出：

2011年1月至5月，導(dǎo)管刀具共出現(xiàn)“上小下大”171次，其中：新刀片首件所占的比例為45% ，總壽命低于100件(包括首件)所占的比例為：86%，刀片總壽命高于100件時(shí)所占的比例為：8.8% 。

新刀片前50件出現(xiàn)“上小下大”次數(shù)較多，而在加工了100件之后基本沒(méi)有再出現(xiàn)“上小下大“問(wèn)題。從該現(xiàn)象分析應(yīng)該是新刀片刃口過(guò)于鋒利，切削輕快，徑向力小，當(dāng)毛坯硬度不均或者其他原因?qū)е聦?dǎo)條輕微脫離已加工表面，導(dǎo)條失去引導(dǎo)作用，導(dǎo)致導(dǎo)管孔直線(xiàn)度差，嚴(yán)重的氣門(mén)無(wú)法插入。而加工了100件以后刃口已有一定程度的磨鈍，其徑向力增加，使得PCD導(dǎo)條能夠與已加工表面貼合更加良好，發(fā)揮導(dǎo)條的引導(dǎo)作用，保證導(dǎo)管孔的直線(xiàn)度(見(jiàn)圖6)。綜合以上分析，增大新刀片的切削力，保證導(dǎo)條良好貼合，可以解決該問(wèn)題。

圖6　加工過(guò)程中的受力分析

3.2精加工刃口鈍化處理

增大新刀片的切削力，可以通過(guò)刃口鈍化來(lái)實(shí)現(xiàn)。MAPAL導(dǎo)管加工刀片刃口部分可劃分為3部分，75°部分為粗加工采用和引導(dǎo)刀一樣的形式，去除大部分余量，15°偏角部分為精加工，修光刃為零度偏角，對(duì)已加工表面進(jìn)一步修光，如圖7所示。

圖7　MAPAL導(dǎo)管加工刀片

為證實(shí)上述分析是否正確，MAPAL做了5片鈍化刀片做驗(yàn)證。這5片鈍化處理刀片將精加工和修光刃兩部分用刷子打磨進(jìn)行刃口鈍化處理[6]，如圖8所示。

新刀片　　　　　　　　　　鈍化刀片

測(cè)試方法是將這5片刀片上機(jī)床使用，并記錄前面加工的13件工件中的第1件、第2件、第3件、第5件、第10件工件的各孔的直徑數(shù)據(jù)值，同時(shí)觀察是否有氣門(mén)插不進(jìn)現(xiàn)象發(fā)生。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示這5片在低于13件壽命之前全部出現(xiàn)“上小下大”，且出現(xiàn)“上小下大”頻次和孔徑與未進(jìn)行鈍化之前相差不大，雖然未出現(xiàn)氣門(mén)插不進(jìn)現(xiàn)象，但和目前在用的未鈍化刀片數(shù)據(jù)對(duì)比沒(méi)有改善，測(cè)試失敗。數(shù)據(jù)見(jiàn)(表3)。

表3　未鈍化刀片和鈍化精加工刀片測(cè)試數(shù)據(jù)

雖然測(cè)試效果不理想，但從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，鈍化精加工刀片所加工孔上下截面數(shù)據(jù)最大差值比未鈍化刀片加工數(shù)據(jù)有所減小。只鈍化精加工刀片所增加的徑向力太小，不能使PCD導(dǎo)條可靠地貼緊已加工表面，仍需進(jìn)一步加大徑向力。

3.3鈍化75°粗加工刀片

對(duì)導(dǎo)管刀片加工過(guò)程各部分進(jìn)行受力分析[7]，由圖9可知：

圖9　導(dǎo)管刀片加工過(guò)程各部分受力分析

①對(duì)精加工15°刃口部分進(jìn)行分析

PY1=sin15°PN=0.2588PN

PX1=cos15°PN=0.9659PN

②對(duì)粗加工75°刃口部分進(jìn)行分析

PY2=sin75°PN=0.9659PN

PX2=cos75°PN=0.2588PN

③修光刃部分為0°，理論上受力為0，不與考慮。

式中：PY—徑向力；PX—軸向力；PN—切削合力。

可見(jiàn)，對(duì)于徑向力PY的影響，粗加工75°刃口部分要比精加工15°部分大得多。

從實(shí)際加工情況分析，導(dǎo)管在加工時(shí)前面引導(dǎo)刀只是加工進(jìn)導(dǎo)管7mm，后面一段毛坯余量還是較大，而導(dǎo)管刀片精加工加工余量很少，余量絕大部分都是75°粗加工部分去除，可見(jiàn)75°粗加工部分刃口對(duì)加工之后孔的直線(xiàn)度起主導(dǎo)作用。

只要將75°粗加工部分刃口鈍化就能產(chǎn)生足夠的徑向力使得導(dǎo)條始終貼合已加工表面，從而保證加工孔的直線(xiàn)度要求[8]。同時(shí)精加工刃口未進(jìn)行鈍化處理，刃口鋒利，有利于切削，對(duì)刀片的壽命也不會(huì)產(chǎn)生影響。為驗(yàn)證該分析，MAPAL重新做了5片只鈍化75°的刀片進(jìn)行測(cè)試，這5片刀片都是用毛刷在轉(zhuǎn)盤(pán)上對(duì)75°粗加工刃口進(jìn)行2個(gè)小時(shí)的鈍化處理，如圖10所示。

新刀片　　　　　　　75°粗加工刃口鈍化刀片

用同樣的測(cè)試方法，結(jié)果顯示，5片測(cè)試刀片中均沒(méi)有出現(xiàn)“上小下大”現(xiàn)象，效果對(duì)比先前有明顯改善，與先前分析結(jié)果完全符合，5片測(cè)試刀片試切數(shù)據(jù)，見(jiàn)表4。

表4　鈍化75°粗加工刃口加工數(shù)據(jù)

成功試切之后，又進(jìn)行了50片的小批量測(cè)試，跟蹤鈍化75°粗加工刃口刀片加工情況，刀片全部能達(dá)到1200件壽命，刃口磨損程度正常，基本沒(méi)有出現(xiàn)“上小下大”等氣門(mén)彎曲情況發(fā)生，加工效果與先前對(duì)比有了明顯改善。

自2010年8月開(kāi)始大批量使用75°鈍化導(dǎo)管刀片以來(lái)，裝配再無(wú)反饋氣門(mén)插不進(jìn)情況發(fā)生，員工的換刀次數(shù)也大幅降低。因氣門(mén)插不進(jìn)造成缸蓋報(bào)廢的零件數(shù)量相比明顯減小(見(jiàn)表5)，至今售后也再無(wú)類(lèi)似的投訴反饋。

表5　氣門(mén)插不進(jìn)造成缸蓋報(bào)廢的零件數(shù)量

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)主流的MAPAL單刃導(dǎo)管孔刀具在氣缸蓋加工導(dǎo)管孔時(shí)出現(xiàn)的孔徑直線(xiàn)度差[9]、氣門(mén)插不進(jìn)問(wèn)題進(jìn)行調(diào)研分析，指出單刃槍鉸刀在加工過(guò)程中存在的缺陷[10]，并通過(guò)對(duì)其進(jìn)行15°粗加工刃口鈍化處理和75°粗加工刃口來(lái)切削加工氣缸蓋加工導(dǎo)管孔并將效果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)踐證明對(duì)單刃槍鉸刀的75°粗加工刃口鈍化處理使刀具壽命增加、刃口磨損程度正常、基本沒(méi)有出現(xiàn)“上小下大”等氣門(mén)彎曲情況發(fā)生、裝配時(shí)再無(wú)氣門(mén)插不進(jìn)情況發(fā)生，減少了生產(chǎn)線(xiàn)員工換刀次數(shù)和報(bào)廢件的發(fā)生，降低了汽車(chē)運(yùn)行中的安全隱患。

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(編輯趙蓉)

The Research of Automobile Engine Catheter Hole Processing Cutting Tool Improvement

GENG Xue-xiao, LIU Zhi-ying, LU Gui-qi, QIN Shu-pin, CAI Li-tong-xing

(Lushan College of Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou Guangxi 545616, China)

The paper is studied of the problems of the hole straightness error and the valve not plug into existing in the application of the MAPAL single blade gun reamer processing automobile engine cylinder cover value stem guide hole, and had made a mechanics analysis of 15 ° finishing part of the blade and 75 ° rough machining parts, and then checked the contrast of production practice after the passivation of them. The result is after the passivation of 15° finishing part the problems of the valve not plug into is improved, but the value stem guide hole straightness error wasn’t changed; after the passivation of 75 ° rough machining parts the processing effect had improved significantly because the valve bending such as “the above than below” had not happened.

value stem guide hole; straightness; the valve; passivation

1001-2265(2016)04-0127-05DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.04.034

2015-05-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51261311)；廣西壯族自治區(qū)科技廳2012年開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(桂科攻12118015-7B)；廣西壯族自治區(qū)教育廳新世紀(jì)教改項(xiàng)目(2013JGB451，2014JGB419)；廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201413639005)

耿雪霄(1980—)，女，浙江臺(tái)州人，廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院副教授，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程，(E-mail)1079074251@qq.com。

TH162;TG506

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