某汽車部件鉸孔尺寸超差分析與對策

■ 商河縣工業(yè)和信息化局 （山東濟(jì)南 251600） 劉秋花

■ 法雷奧汽車系統(tǒng) （江蘇蘇州 215500） 顧 陽

鉸削是孔類精加工的一種，是用來對中、小直徑的孔進(jìn)行半精和精加工的常用方法。也可用于磨孔或研孔前的預(yù)加工。鉸削加工精度可達(dá)IT6～I(xiàn)T7級，表面粗糙度值Ra在0.4～1.6μm之間，機(jī)鉸生產(chǎn)率高，勞動強(qiáng)度小，適合大批量生產(chǎn)。

實際生產(chǎn)應(yīng)用中，鉸削過程經(jīng)常出現(xiàn)問題，比如偶發(fā)性尺寸超差、表面切屑擠入劃傷表面及局部粗糙度差等。汽車零部件精度高、單件批量大，對加工過程的穩(wěn)定性要求較高，但經(jīng)常出現(xiàn)偶發(fā)性的不良，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。某企業(yè)生產(chǎn)的一款汽車用電動機(jī)連桿軸套，軸孔公差0～0.018mm，采用鉸孔工藝，多次出現(xiàn)鉸孔尺寸超差、孔表面劃傷等質(zhì)量不良問題，不良率達(dá)到0.13%，嚴(yán)重影響產(chǎn)品在客戶端的質(zhì)量績效，引起客戶不滿。

某汽車零件產(chǎn)品圖樣要求如圖1所示，材料是鋁合金，工藝為壓鑄成型，鉸孔不合格樣品如圖2所示。本文從鉸削加工的機(jī)理出發(fā)，結(jié)合實際的加工條件（裝夾方式、切削進(jìn)給、切削速度及壓緊力等），尋找引起質(zhì)量不良的根本原因，通過刀具優(yōu)化、切削參數(shù)優(yōu)化，成功降低了鉸孔不良率，減少了客戶抱怨，降低了企業(yè)的實際損失。

圖1 某汽車零部件

圖2 鉸孔不合格樣品

1. 鉸削加工機(jī)理

（1）鉸刀結(jié)構(gòu) 鉸刀的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示，分為工作部分、頸部、柄部，工作部分即鉸削過程中的工作刃口部分。

改善前該產(chǎn)品使用的鉸刀結(jié)構(gòu)與圖3結(jié)構(gòu)類似，直槽四刃，刃口長度8 m m，刃口外徑尺寸φ1 5+0.013+0.010m m，頸部直徑φ13mm，前倒錐1mm，刀具前角0°，后角1°。

（2）鉸刀的切削過程 鉸刀倒錐切入，切削刃切削孔壁金屬，形成切削金屬層，隨著前刀面的繼續(xù)切入，被切除的金屬在前刀面滑移，被切除的金屬層彎曲變形，隨著切削金屬層變形量加大，彎曲變形超出切屑材料的彈性變形和屈服極限，進(jìn)而產(chǎn)生斷裂，斷裂的金屬層形成切屑，沿鉸刀齒槽向后排出，同時后刀面與已加工孔壁擠壓摩擦，形成光滑的加工表面。在此過程中產(chǎn)生的切削熱（金屬變形熱、前刀面摩擦熱、后刀面摩擦熱）一部分隨切屑排出，一部分傳遞到刀具和工件上。通過專用切削液，可以帶走部分熱量，降低刀具和工件的溫度，防止切削過熱損壞刀具和已加工的零件表面。切削過程如圖4所示。

圖3 鉸刀的典型結(jié)構(gòu)

2. 缺陷分析及對策

（1）孔加工質(zhì)量超差原因分析 該零件軸向長度70mm，壓鑄時因內(nèi)孔脫模的需要，有一定的拔模斜度，孔的中間部位直徑小，兩端直徑大，對于鉸削過程，產(chǎn)生中間加工余量大，兩端加工余量小的非均勻余量特征：基于此，要在鉸削之前增加鉆孔開粗工序，以保證鉸削加工時余量均勻，鉸削加工參數(shù)見表1。

表1 改善前切削參數(shù)

圖4 鉸削過程

考慮到產(chǎn)品成本控制的要求，鉆孔時采用手動普通臺鉆作業(yè)，設(shè)備精度不高，導(dǎo)致鉸削前產(chǎn)品的余量均勻性較差，持續(xù)測量50件產(chǎn)品，其余量分布在0.25～0.35mm范圍內(nèi)，尤其孔的中間部位，余量變化最大。鉸削時零件橫向裝夾，孔的中間部位切屑難以有效排出。不能及時排出的切屑擠入鉸削區(qū)，劃傷零件表面，導(dǎo)致孔加工后的表面超差。原刀具鉸削刃口導(dǎo)錐部分采用倒圓角替代，刃口長度約8mm，此結(jié)構(gòu)切削導(dǎo)向性較差，刃口長度過短，沿刃傾方向的切削力過于集中，加上刀桿懸伸長，刀具切削過程中抗干擾能力變差，刀尖沿產(chǎn)品徑向圓跳動位移波動加劇，導(dǎo)致切除的金屬層不均勻，連續(xù)性差，并留下高低起伏的切削面，同時進(jìn)入后刀面擠壓區(qū)，該切削面經(jīng)鉸刀擠壓后，形成不均勻的強(qiáng)化、硬化金屬表層，同時出現(xiàn)摩擦過熱現(xiàn)象，在過度集中的切削熱作用下，金屬層與切削刃面間產(chǎn)生金屬粘連，以積屑瘤的形式滯留在刃口表面，隨著切削的繼續(xù)，帶有積屑瘤的刃口面，劃傷新加工后的產(chǎn)品表面。影響產(chǎn)品加工后的表面粗糙度，同時出現(xiàn)尺寸超差現(xiàn)象。

（2）改善對策 為了解決排屑和加工余量不均勻的問題，對鉸刀重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，加長排屑槽的長度，由40mm加長至60mm，鉸刀前倒錐加長，從3mm加長至5mm，倒錐刃口與切削刃口中間增加斷屑槽；同時對加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的切削參數(shù)見表2。

表2 改善后的切削參數(shù)

刀具轉(zhuǎn)速提高，進(jìn)給速度降低，減少了每轉(zhuǎn)切削深度，增加了單位時間的切屑排出率，轉(zhuǎn)速提高后，鉸削后的表面粗糙度較以前也有明顯改善。

3. 試驗和生產(chǎn)驗證

對于改進(jìn)后的新刀具和加工參數(shù)，進(jìn)行了加工試驗，連續(xù)加工300件產(chǎn)品，經(jīng)過對產(chǎn)品孔徑尺寸的測量和Cpk統(tǒng)計分析，其內(nèi)徑Cpk值達(dá)到1.83以上，加工后零件內(nèi)孔表面粗糙度均符合產(chǎn)品要求，未出現(xiàn)不良產(chǎn)品。

2019年使用改善后的方案已累計生產(chǎn)近8萬件產(chǎn)品，生產(chǎn)穩(wěn)定，未出現(xiàn)孔徑不良的投訴。

4. 結(jié)語

從鉸刀加工機(jī)理出發(fā)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致某汽車零件出現(xiàn)鉸削不良的根本原因是鉸削余量不均勻及鉸刀導(dǎo)入量不足，導(dǎo)致切屑集中，不能及時排出的切屑擠入切削區(qū)域劃傷工件表面，以致加工尺寸超差。通過對刀具結(jié)構(gòu)和加工參數(shù)的改善，克服了前期刀具的失效缺陷，取得了很好的效果。