提升缸體主軸承結(jié)合面寬度加工能力案例淺析

吳勇

摘 要 本文針對(duì)缸體某條生產(chǎn)線部分機(jī)型主軸承蓋結(jié)合面寬度加工能力低的問(wèn)題提出相關(guān)解決方案，以實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，然后通過(guò)關(guān)聯(lián)圖解法，尋找到各個(gè)潛在的末端因素，逐一驗(yàn)證，分析出問(wèn)題的癥結(jié)之處。以缸體主軸承蓋結(jié)合面的加工工藝為起點(diǎn)，提出適用于大批量柔性生產(chǎn)線上工藝優(yōu)化的方案，第一步利用錐度補(bǔ)償原理解決結(jié)合面寬度傾斜問(wèn)題，第二步優(yōu)化刀具切削路徑解決寬度波動(dòng)范圍大問(wèn)題，最終提升缸體主軸承結(jié)合面寬度的加工能力，獲得更穩(wěn)定的加工質(zhì)量，降低發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中故障率的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞 缸體 主軸承蓋結(jié)合面 錐度補(bǔ)償 切削路徑 加工能力

中圖分類號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0緒論

眾所周知，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體曲軸孔是發(fā)動(dòng)機(jī)缸體制造加工過(guò)程中較為關(guān)鍵和復(fù)雜的工藝之一，然而在加工缸體曲軸孔的前提是作為軸瓦載體的主軸承蓋子與缸體主軸承蓋結(jié)合面之間能夠保證精密的配合。由于主軸承蓋結(jié)構(gòu)承載著曲柄連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)所施加的交變載荷，主軸承蓋結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度直接影響著缸體的使用壽命，主軸承蓋與缸體良好的配合能實(shí)現(xiàn)曲軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中平穩(wěn)性，使曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)存在串動(dòng)、跳動(dòng)等不利于發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的現(xiàn)象。

如圖1為某型號(hào)缸體與五檔主軸承蓋裝配圖，圖2為單個(gè)蓋子與缸體裝配示意圖，（1）發(fā)動(dòng)機(jī)缸體；（2）主軸承蓋子；（3）連接螺栓；（4）曲軸孔；L為主軸承蓋結(jié)合面寬度。為了保證裝配軸承蓋后曲軸孔質(zhì)量，采用缸體與軸承蓋兩側(cè)過(guò)盈配合的設(shè)計(jì)，配合尺寸和公差為100h8/h6。這種配合方式能減小在曲軸孔加工過(guò)程中軸承蓋的振動(dòng)，能提高在重復(fù)裝配時(shí)曲軸孔質(zhì)量的穩(wěn)定性。

現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體與曲軸裝配順序?yàn)?，在機(jī)加工線內(nèi)缸體加工完主軸承蓋結(jié)合面后安裝主軸承蓋子，用螺栓擰緊，然后通過(guò)精密設(shè)備完成曲軸孔的加工。然后在裝配線內(nèi)以缸體為基體，將主軸承蓋子拆下后再裝入軸瓦和加工好的曲軸，最后再將之前拆下的主軸承蓋子重新裝上。從這個(gè)裝配過(guò)程中不難發(fā)現(xiàn)，如果缸體與主軸承子之間不能保證正確的過(guò)盈配合，蓋子經(jīng)過(guò)重復(fù)拆裝后很可能因?yàn)樯w子與缸體結(jié)合面之間存在臺(tái)階導(dǎo)致曲軸抱死等現(xiàn)象。

缸體主軸承蓋結(jié)合面寬度的加工質(zhì)量是保證缸體與主軸承蓋子過(guò)盈配合的基礎(chǔ)，本文從提高主軸承蓋結(jié)合面寬度加工質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性出發(fā)，尋找主軸承蓋寬度加工能力不穩(wěn)定的工藝原因，分析出適用于柔性生產(chǎn)線上大批量制造穩(wěn)定的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體主軸承蓋結(jié)合面寬度質(zhì)量控制的工藝優(yōu)化策略。

1加工現(xiàn)狀描述

1.1工藝要求

對(duì)于缸體主軸承蓋結(jié)合面的加工，現(xiàn)有生產(chǎn)線上采用德國(guó)進(jìn)口的全自動(dòng)臥式數(shù)控加工中心加工，與其他專機(jī)方案相比相比，具有加工成本低、效率高、易維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)有加工工藝分為兩步，第一步在粗加工單元粗銑，第二步在精加工單元進(jìn)行精銑，并利用在線marposs測(cè)頭對(duì)精銑后寬度進(jìn)行補(bǔ)償加工和調(diào)整。由于粗銑余量分配多，公差范圍較大，加工均能滿足要求，不存在質(zhì)量問(wèn)題，故在此對(duì)粗銑加工不做詳述。

1.2生產(chǎn)質(zhì)量現(xiàn)狀

在現(xiàn)有大批量柔性生產(chǎn)線上本工廠主要利用統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制（SPC）法監(jiān)控制造過(guò)程質(zhì)量，根據(jù)要求按規(guī)定的抽檢頻次進(jìn)行測(cè)量，生成相應(yīng)數(shù)據(jù)，然后工程師分析數(shù)據(jù)后采取相應(yīng)的控制和預(yù)防措施。

根據(jù)GM制造系統(tǒng)要求，為保證產(chǎn)品的質(zhì)量，在進(jìn)入批量生產(chǎn)制造前，需要對(duì)設(shè)備的固有加工能力進(jìn)行分析，確認(rèn)設(shè)備本身能力可達(dá)到預(yù)期的加工穩(wěn)定性，機(jī)床各階段能力如圖3所示。只有當(dāng)Ppk值達(dá)到預(yù)期才能保證后期運(yùn)行時(shí)質(zhì)量的穩(wěn)定性，在Ppk值達(dá)標(biāo)后通過(guò)后期人為干預(yù)和系統(tǒng)修正保證Cgk值≥1.33時(shí)則產(chǎn)品合格率方可≥99.9937%。

工廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際抽檢QDAS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)，其中超出公差范圍后現(xiàn)場(chǎng)會(huì)立即復(fù)檢決定是否是批量問(wèn)題，復(fù)檢數(shù)據(jù)未正常生成數(shù)據(jù)，僅供分析用?，F(xiàn)有缸體主軸承蓋結(jié)合面寬度加工能力值Ppk僅為0.54，按照分布計(jì)算合格品率僅為95.45%，存在很大的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

2問(wèn)題分析

2.1分析數(shù)據(jù)

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)加工能力低的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)的直接質(zhì)量表現(xiàn)應(yīng)為CMM測(cè)量超差次數(shù)頻繁。為了找到問(wèn)題根源，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類分析，找到問(wèn)題癥結(jié)所在。統(tǒng)計(jì)缸體生產(chǎn)線主軸承蓋寬度測(cè)量超差次數(shù)，對(duì)測(cè)量超差情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)缸體主軸承蓋結(jié)合面寬度過(guò)程能力低的主要癥結(jié)體現(xiàn)為兩類問(wèn)題：（1）寬度傾斜；（2）寬度過(guò)大/過(guò)小（寬度值波動(dòng)大）。

2.2原因分析

如圖4為問(wèn)題原因分析關(guān)聯(lián)圖，針對(duì)問(wèn)題的兩大癥結(jié)，分析所有可能的潛在相關(guān)原因。此處采用關(guān)聯(lián)圖法是考慮到機(jī)床的實(shí)際加工年齡影響，排除了環(huán)境等外因的干擾，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)各部門資深員工的分析，得出9個(gè)末端因素：（1）坐標(biāo)系補(bǔ)償調(diào)整不及時(shí)；（2）程序補(bǔ)償方式不合理；（3）測(cè)頭重復(fù)性精度不好；（4）主軸拉刀力不足；（5）傳動(dòng)絲杠磨損；（6）夾具主夾緊力不足；（7）定位孔直徑小/位置度超；（8）#299定位面加工傾斜；（9）刀具加工路徑不合理。

2.3要因確認(rèn)

在確認(rèn)問(wèn)題要因時(shí)均采用數(shù)據(jù)收集和前后對(duì)比等直觀的方法來(lái)判斷。坐標(biāo)系補(bǔ)償不及時(shí)方面，利用現(xiàn)場(chǎng)CMM員工描繪的趨勢(shì)圖來(lái)判斷現(xiàn)場(chǎng)員工的執(zhí)行力；程序補(bǔ)償方式不合理方面，通過(guò)更改測(cè)頭補(bǔ)償方式前后對(duì)比驗(yàn)證；測(cè)頭重復(fù)精度不好方面，利用不同測(cè)頭對(duì)不同機(jī)床的零環(huán)進(jìn)行重復(fù)性測(cè)量精度對(duì)比驗(yàn)證，分析測(cè)頭精度數(shù)據(jù)；主軸拉刀力可以通過(guò)維修部門定期檢查的數(shù)據(jù)判斷；傳動(dòng)絲杠磨損方面直接通過(guò)更換新絲杠對(duì)比前后效果；夾具主夾緊力直接通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量確認(rèn)結(jié)果；前工序定位銷孔的直徑和位置度通過(guò)抽檢QDAS數(shù)據(jù)分析有無(wú)異常；定位面是否傾斜也可通過(guò)大量QDAS數(shù)據(jù)分析判斷；刀具加工路徑是否合理，通過(guò)更改不同的加工路徑對(duì)比前后效果驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備部件檢查，最終找到2個(gè)要因，即程序補(bǔ)償方式不合理和刀具加工路徑不合理。其他非要因確認(rèn)過(guò)程不在此進(jìn)行贅述。endprint

3工藝優(yōu)化分析

3.1程序補(bǔ)償方式優(yōu)化

現(xiàn)有程序里存在測(cè)頭補(bǔ)償參數(shù)，直接彌補(bǔ)寬度上的整體差異，同時(shí)利用錐度補(bǔ)償參數(shù)調(diào)整五檔整體寬度成比例變化。但此種補(bǔ)償方式并不能從根本上解決五檔之間的錐度，由于機(jī)床其他系統(tǒng)因素的影響，會(huì)存在五檔軸承蓋中某一檔或多檔與整體不成比例，此時(shí)便無(wú)法完全滿足五檔主軸承蓋寬度均在公差要求中值。

針對(duì)現(xiàn)有程序補(bǔ)償方式的缺陷，對(duì)現(xiàn)有的CNC補(bǔ)償程序進(jìn)行修改驗(yàn)證，取消錐度補(bǔ)償，增加五個(gè)獨(dú)立變量分別控制五個(gè)檔的寬度。更改補(bǔ)償方式后驗(yàn)證跟蹤一個(gè)月主軸承蓋五檔寬度的錐度，五檔之間錐度得到消除，至此主軸承蓋結(jié)合面寬度傾斜的問(wèn)題得到解決。

3.2刀具加工路徑優(yōu)化

分析主軸承蓋的刀具加工方式，該銑刀設(shè)計(jì)于同時(shí)加工主軸承蓋安裝結(jié)合面#961和寬度#962，采用 76銑刀，從上至下先加工一側(cè)，再?gòu)南轮辽显偌庸ち硪粋?cè)，而由于現(xiàn)有刀具存在左右旋向差異，即同樣的路徑會(huì)存在順銑和逆銑兩種方式，現(xiàn)場(chǎng)由于為節(jié)省刀具管理成本，在生產(chǎn)線模塊一使用左旋刀具，模塊二使用右旋刀具，再根據(jù)刀具路徑分析出模塊一加工方式為逆銑加工，而模塊二為順銑加工。

根據(jù)多種刀具路徑驗(yàn)證數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，多臺(tái)機(jī)床對(duì)順銑方式加工出來(lái)質(zhì)量表現(xiàn)更穩(wěn)定，更改刀具加工路徑驗(yàn)證。根據(jù)本廠實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)看，現(xiàn)有刀具在目前機(jī)床加工精度的情況下，順銑加工對(duì)于零件表面加工質(zhì)量更好，寬度也更穩(wěn)定，最終將各臺(tái)機(jī)床刀具方式路徑優(yōu)化成順銑方式解決波動(dòng)大問(wèn)題。同時(shí)跟蹤刀具磨損方面沒(méi)有變化，表面加工質(zhì)量改善良好，達(dá)到驗(yàn)證效果。

4效果跟蹤

各有效措施逐步開(kāi)展并完成，措施實(shí)施后缸體線主軸承蓋寬度加工頻繁超差問(wèn)題得到解決，主軸承蓋寬度過(guò)大、寬度過(guò)小、寬度傾斜等問(wèn)題的超差問(wèn)題大幅度減少，測(cè)量合格率顯著提升。從加工能力的角度來(lái)看，缸體主軸承蓋結(jié)合面寬度的過(guò)程能力逐步提高。措施全部實(shí)施以后主軸承蓋寬度的過(guò)程能力Ppk穩(wěn)定在1.33以上，如圖5所示，達(dá)到批量制造階段的加工能力要求。

5總結(jié)

本文針對(duì)關(guān)鍵特征發(fā)動(dòng)機(jī)缸體主軸承蓋結(jié)合面寬度加工能力低的問(wèn)題提供一種清晰的解決思路，對(duì)于設(shè)備本身制造的能力未考慮在內(nèi)，例如機(jī)床導(dǎo)軌磨損、伺服反饋精度等的影響都不可忽略，此文并未展開(kāi)闡述。這里僅從工藝方面進(jìn)行部分優(yōu)化，達(dá)到一種較為理想的效果，可行性高，實(shí)施成本低，且效果顯著。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)加工線制造過(guò)程中其他復(fù)雜的問(wèn)題解決具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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