缸體噴油嘴面銑削刀具頻繁出現(xiàn)崩刀斷刀的原因分析和解決思路

吳玲

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

增壓發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的熱負(fù)荷很高，主要通過(guò)活塞冷卻噴油嘴進(jìn)行噴油冷卻。冷卻噴油嘴安裝角度直接影響冷卻效果，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，嚴(yán)重情況下可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)抱缸等售后問(wèn)題。

某產(chǎn)線近三個(gè)月生產(chǎn)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，頻繁發(fā)生噴油嘴銑削刀具崩刀斷刀的問(wèn)題，降低噴油嘴面加工質(zhì)量，嚴(yán)重影響產(chǎn)線效率和加工制造成本。

2 噴油嘴面加工工藝分析

噴油嘴面在數(shù)控加工中心機(jī)床上采用立銑方式，刀具為4 刃立銑刀。加工工序只由一道工序完成銑削，即從毛坯面直接加工到精加工尺寸。加工余量為2±0.7mm，最大加工余量可達(dá)到2.7mm。噴油嘴面輪廓形狀不規(guī)則，并且在其中的一側(cè)有缸體毛坯阻擋，加工空間有限制。

圖1 噴油嘴面加工刀具和加工位置示意

3 噴油嘴面刀具崩刀斷刀原因分析

3.1 潛在原因分析

通過(guò)分析并經(jīng)過(guò)初步篩選，認(rèn)為有以下7個(gè)因素能會(huì)造成刀具崩刀斷刀，分別如下：

（1）絲杠振動(dòng)大；

（2）切削液濃度超出范圍；

（3）毛坯余量過(guò)大；

（4）缸體材質(zhì)硬度超上差；

（5）機(jī)床A 軸角度偏移；

（6）刀具加工路徑不合理；

（7）刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。

3.2 主要原因確認(rèn)

3.2.1 絲杠有磨損，加工時(shí)振動(dòng)大，導(dǎo)致崩刀

數(shù)控加工中心的伺服由3 個(gè)反饋系統(tǒng)構(gòu)成：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。位置環(huán)增益是決定對(duì)指令位置跟隨性的參數(shù)。增加位置環(huán)增益，能夠提高伺服電機(jī)的剛性，提高系統(tǒng)響應(yīng)性。但位置環(huán)增益越高，響應(yīng)性越高，定位時(shí)間越短，過(guò)大則會(huì)引起振動(dòng)。

利用上述原理，當(dāng)數(shù)控加工中心的絲杠由磨損產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，可以適當(dāng)下調(diào)絲杠增益，降低系統(tǒng)的響應(yīng)，緩解振動(dòng)。

現(xiàn)場(chǎng)采集x/y/z 三個(gè)方向絲杠的振動(dòng)曲線，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常，但由于系統(tǒng)的配合，實(shí)際加工中也可能會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。因此將機(jī)床x/y/z 方向絲杠的增益值同時(shí)調(diào)整至4000/5000/6000 改變系統(tǒng)的振動(dòng)頻率驗(yàn)證2天（系統(tǒng)設(shè)置范圍增益只能在4000 ～6000間調(diào)整），崩刀率均為50%，崩刀斷刀與絲杠振動(dòng)無(wú)明顯關(guān)聯(lián)。

3.2.2 切削液濃度超出范圍

機(jī)床上的切削液主要起潤(rùn)滑和冷卻刀具的作用，工藝要求在8%～10%。如果切削液濃度超出下限，刀具潤(rùn)滑性能不足，在加工過(guò)程中受到的切削力會(huì)增大，旋轉(zhuǎn)扭矩增大，造成崩刀斷刀。

調(diào)查最近2 周的切削液濃度記錄表，切削液濃度為8.35%～9.4%，均在工藝要求范圍內(nèi)，但仍有小幅波動(dòng)。因此在切削液濃度工藝范圍內(nèi)做調(diào)整，驗(yàn)證濃度過(guò)低對(duì)崩刀斷刀的影響。將切削液濃度分別調(diào)整到8.2%、9.0%、9.8%連續(xù)跟蹤三天的加工數(shù)據(jù)。因?yàn)榈毒邆?cè)刃磨損長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)加劇崩刀斷刀風(fēng)險(xiǎn)，因此將側(cè)刃的磨損長(zhǎng)度作為刀具崩刀斷刀的評(píng)估方式。刀具在加工100 個(gè)缸體的壽命時(shí)，三個(gè)濃度對(duì)應(yīng)的磨損長(zhǎng)度分別為7.115、7.152、7.129mm，側(cè)刃磨損長(zhǎng)度差異不大。

圖2 側(cè)刃磨損長(zhǎng)度

3.2.3 毛坯余量過(guò)大

毛坯余量過(guò)大，刀具切深過(guò)大，當(dāng)切深超過(guò)刀具承受范圍，刀具受力過(guò)大易造成崩刀斷刀。

連續(xù)抽檢當(dāng)前生產(chǎn)線上5 件工件噴油嘴安裝面余量，同4 個(gè)月前工件正常抽檢的余量進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)前生產(chǎn)線上工件較4 個(gè)月前工件毛坯余量大。

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)近4 個(gè)月問(wèn)題爆發(fā)的原因?yàn)椋寒a(chǎn)線另一機(jī)型的噴油嘴面發(fā)生銑不完有黑漆皮殘留的問(wèn)題，發(fā)生率約0.1%，當(dāng)時(shí)對(duì)產(chǎn)品毛坯尺寸進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)若尺寸都在極限值時(shí)，噴油嘴面最低處的余量?jī)H0.2mm，易發(fā)生殘留漆皮現(xiàn)象，因此將三套模具進(jìn)行修模，使毛坯的噴油嘴面增加1mm 加工余量。毛坯供應(yīng)商同時(shí)擅自將該方案直接應(yīng)用到本文研究的機(jī)型，導(dǎo)致最近4 個(gè)月集中爆發(fā)崩刀問(wèn)題。

在公差控制范圍內(nèi)，將刀具加工深度分別-0.2mm 和-0.4mm 驗(yàn)證，各跟蹤2 把刀具的加工情況，加工余量越少刀具壽命越長(zhǎng)。

表1 減少加工余量驗(yàn)證

3.2.4 缸體材質(zhì)硬度高

缸體材質(zhì)硬度高，會(huì)造成刀具的異常磨損進(jìn)而導(dǎo)致崩刀。

將成品庫(kù)正常工件和問(wèn)題爆時(shí)崩刀工件批次各挑選3 件檢測(cè)硬度，檢測(cè)結(jié)果均在要求范圍內(nèi)，且和正常工件無(wú)明顯差異，因此崩刀與缸體硬度無(wú)明顯關(guān)聯(lián)，見(jiàn)表2。

表2 缸體硬度調(diào)查數(shù)據(jù)

3.2.5 機(jī)床A軸夾具角度發(fā)生改變

如圖3 所示，在數(shù)控加工中心中，如果夾具的旋轉(zhuǎn)軸為水平X 方向，則稱這種夾具為A 軸夾具。

圖3 A軸夾具

如果機(jī)床A 軸夾具角度發(fā)生改變，也會(huì)使刀具與加工面不垂直，刀具受力不均產(chǎn)生振動(dòng)，加劇刀具磨損甚至崩刀。

分別挑選3 件正常工件和3 件崩刀工件，檢測(cè)噴油嘴安裝面傾角，傾角數(shù)據(jù)均在要求20±0.5°范圍內(nèi)，未見(jiàn)異常，說(shuō)明機(jī)床A 軸夾具轉(zhuǎn)角未發(fā)生改變。（A 軸夾具轉(zhuǎn)角數(shù)值與噴油嘴安裝面傾角一致）。

表3 噴油嘴面傾角

3.2.6 刀具加工路徑不合理

如果加工路徑不合理，排屑不暢，刀具容易被鐵屑憋住導(dǎo)致崩刀。

如圖4 為加工的具體程序步驟：

在Y 方向初始位置，切削深度Z 方向刀具從距離目標(biāo)深度7mm處一次加工到0.2mm處后，再回到3mm 位置進(jìn)行排屑和剩余面橫向的加工，之后再?gòu)?mm 處進(jìn)入到距離目標(biāo)位置0.5mm 處出加工，這里有三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：（1）入刀的第一刀目的為修正側(cè)面的不均勻毛坯面，加工余量為從Z 向毛坯面到距離目標(biāo)位置0.2mm 處；（2）全面銑削的第一刀加工余量為毛坯面到距離目標(biāo)位置3mm 處，第二刀加工余量為3-0.5=2.5mm，第三刀為0.5mm；（3）完成第二刀后，刀具退回到2mm 處進(jìn)行排屑。

由此分析可能原因：（1）入刀的第一刀加工余量過(guò)大；（2）全面銑削第二刀后的排屑空間僅2mm，可能存在不足。因此重新分配第一第二刀余量、加大排屑空間進(jìn)行驗(yàn)證：

圖5 優(yōu)化后加工程序解析

圖6 刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖示

（1）原入刀的第一刀也分為兩次加工，1 次為從Z 向毛坯面到距離目標(biāo)位置2mm處，1 次為從2mm 加工到0.2mm 處；（2）全面銑削第二刀后刀具退回到3mm 處進(jìn)行排屑，相比之前增加了1mm 排屑空間。每隔50 件檢查刀具磨損狀態(tài)，如磨損過(guò)大則下刀。驗(yàn)證后，刀具壽命明顯提升，回到壽命由原來(lái)的平均112 件提升到250 件以上，且未崩刀。

表4 加工路徑調(diào)整后下刀壽命

3.2.7 刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，銑刀容屑槽小，排屑不暢，易導(dǎo)致崩刀；另外刀具的旋轉(zhuǎn)中心較厚，不參與切削，軸向受力大，也可能導(dǎo)致刀具崩刀。為此將3 把刀具的中心厚度減小，并加大刀具容屑槽。

對(duì)上述新改刀具進(jìn)行加工驗(yàn)證，每隔50件檢查刀具磨損狀態(tài)，由原來(lái)的112 件提升到350 件以上，壽命顯著提高且未崩刀。

綜上所述，毛坯余量過(guò)大、刀具加工路徑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，是導(dǎo)致本次崩刀/斷刀問(wèn)題爆發(fā)的三大主要原因。

4 實(shí)施對(duì)策

4.1 毛坯余量過(guò)大實(shí)施對(duì)策

噴油嘴安裝面毛坯面倒圓角由R5 →R2；平面傾角2°→0.5°，開(kāi)襠面?zhèn)缺谇猩羁刂圃?.5mm 及以下，減少刀具單邊切削受力。

圖7 刀具與工件加工位置示意

4.2 加工路徑不合理實(shí)施對(duì)策

優(yōu)化加工路徑：（1）原入刀的第一刀也分為兩次加工，1 次為從Z 向毛坯面到距離目標(biāo)位置2mm處，1次為從2mm加工到0.2mm處；（2）全面銑削第二刀后刀具退回到3mm處進(jìn)行排屑，相比之前增加了1mm 排屑空間。

圖8 毛坯優(yōu)化示意圖

4.3 刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理實(shí)施對(duì)策

加大刀具容屑槽，提升刀具容屑能力；將刀具偏心距不過(guò)刃中心優(yōu)化為過(guò)刃中心，使旋轉(zhuǎn)中心更為鋒利，參與切削，減小刀具軸向受力。

以上三條措施同時(shí)實(shí)施以后，刀具的平均壽命由112 提升至1000，刀具的單件制造成本由4.61 元降至0.44 元。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要通過(guò)對(duì)缸體噴油嘴面加工刀具頻繁崩刀斷刀的問(wèn)題，進(jìn)行原因分析和實(shí)施對(duì)策驗(yàn)證，鎖定主要原因后并進(jìn)行優(yōu)化，解決崩刀斷刀問(wèn)題、提升噴油嘴面的加工質(zhì)量，可為類似鑄鐵類的加工質(zhì)量問(wèn)題解決提供一些參考價(jià)值。