一種缸體金屬顆粒度優(yōu)化方法研究

摘要：本文主要研究鑄鐵缸體在機(jī)械加工過程中產(chǎn)生鐵屑及各相交面、交叉孔產(chǎn)生的毛刺翻邊狀態(tài)，將其與對(duì)應(yīng)刀具及工藝進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，形成經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。經(jīng)過相關(guān)的分析，提出一種降低金屬顆粒去除難度的加工工藝方案，并提出與之對(duì)應(yīng)的專用刀具設(shè)計(jì)，在生產(chǎn)過程中進(jìn)行充分驗(yàn)證，結(jié)果效果明顯。相關(guān)的措施降低金屬顆粒去除、清潔的難度，能夠在整機(jī)下線時(shí)較好控制金屬顆粒度符合產(chǎn)品要求，提高生產(chǎn)效率。通過針對(duì)性研究，形成問題解決經(jīng)驗(yàn)，給行業(yè)內(nèi)相關(guān)問題攻關(guān)解決提供有效借鑒。

關(guān)鍵詞：鑄鐵缸體；油道；交叉孔；相交面；金屬顆粒度

中圖分類號(hào)：TH161 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

缸體的機(jī)械加工是發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，缸體作為發(fā)動(dòng)機(jī)的“三大件”之一，其加工質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和運(yùn)行可靠性有著至關(guān)重要的影響。特別是清潔度的控制，一直是發(fā)動(dòng)機(jī)缸體生產(chǎn)制造當(dāng)中的重要環(huán)節(jié)，而缸體切削加工過程中，影響清潔度的往往是兩面相交產(chǎn)生的翻邊、兩孔交叉產(chǎn)生的毛刺、切削金屬碎屑等金屬顆粒物[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體加工產(chǎn)生的金屬顆粒物，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)轉(zhuǎn)、零部件配合運(yùn)行、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性及耐久性等影響重大。缸體加工未清理干凈的金屬顆粒物會(huì)摻雜在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水道、潤(rùn)滑油液當(dāng)中，可能加劇運(yùn)動(dòng)部件的磨損，縮短運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的使用壽命，甚至造成關(guān)鍵通道的堵塞，造成發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行異常。金屬顆粒物存在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作故障增多，增加發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性，對(duì)于用戶使用存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

所以，控制發(fā)動(dòng)機(jī)缸體加工生產(chǎn)的金屬顆粒物是重中之重，本文主要對(duì)當(dāng)前缸體刀具加工中金屬顆粒物的產(chǎn)生、去除、清洗進(jìn)行分析研究。通過工藝方案優(yōu)化及刀具設(shè)計(jì)優(yōu)化，將產(chǎn)生的金屬顆粒物徹底清理出缸體內(nèi)部，使缸體產(chǎn)品下線時(shí)清潔度得到有效提升，提高發(fā)動(dòng)機(jī)整體清潔度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定性。

1 當(dāng)前缸體清潔度現(xiàn)狀

1.1 清潔度標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)狀

以某機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體為例：其成品清潔度要求油道重量≤ 10 mg，油道金屬顆粒度要求≤ 600 μm（油道極限601-1 000 μm ≤ 3 顆，1 001-2 000 μm ≤ 1 顆），整個(gè)缸體清潔度重量≤ 30 mg。檢測(cè)頻次：每天每臺(tái)設(shè)備檢測(cè)1 件。

該型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體量產(chǎn)階段前期，通過清潔度抽檢數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，其金屬顆粒度最高重量達(dá)1.25 g，且油道最高重量達(dá)1.07 g，油道金屬顆粒度超過2 000 μm，清潔度嚴(yán)重不滿足要求。在統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)不達(dá)標(biāo)物料情況時(shí)發(fā)現(xiàn)，清潔度超差占比達(dá)到80% 以上，其中87% 是油道金屬顆粒度超差導(dǎo)致的清潔度超差，是缸體質(zhì)量問題中亟需攻關(guān)解決的重要問題（圖1）。

1.2 油道金屬顆粒產(chǎn)生機(jī)理

缸體腔內(nèi)存在大量油道，各個(gè)油道之間相互交錯(cuò)互通，形成了發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑通道。在加工這些交錯(cuò)油道時(shí)，刀具與金屬材料間產(chǎn)生擠壓與撕裂，孔壁的交叉位置塑性變形區(qū)往往會(huì)產(chǎn)生毛刺翻邊[2]，運(yùn)行中掉落則會(huì)成為金屬顆粒物存在于油道內(nèi)部，大大影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的性能及穩(wěn)定。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)油道存在交叉孔17 個(gè)、存在1 個(gè)盲孔、2 個(gè)T 型孔，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工中極易產(chǎn)生毛刺，降低油道金屬顆粒度成為瓶頸問題（圖2）。

2 缸體油道金屬顆粒度優(yōu)化研究

針對(duì)鑄鐵材質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的油道金屬顆粒度超差問題，行業(yè)內(nèi)普遍采用“減少，清理，清洗”三大措施進(jìn)行優(yōu)化[3]?？梢酝ㄟ^工藝優(yōu)化、過程把控、清理去除等手段保證產(chǎn)品下線的合格率及穩(wěn)定性。

2.1 缸體加工工藝優(yōu)化研究

與油道金屬顆粒度相關(guān)的缸體加工工藝過程主要有：各油路系統(tǒng)切削加工+ 中間清洗+ 去毛刺工位+ 最終清洗+ 烘干下線。評(píng)估各油路系統(tǒng)加工切削的工藝順序，發(fā)現(xiàn)油道交叉的順序是混亂的，導(dǎo)致毛刺的朝向并不統(tǒng)一。而去毛刺工位使用鋼絲毛刷僅在主油道中進(jìn)行清理，若毛刺未朝向主油道一側(cè)，鋼絲毛刷無(wú)法對(duì)交叉孔處毛刺進(jìn)行有效去除，清洗工位想要沖掉毛刺極為困難，即會(huì)導(dǎo)致金屬顆粒物殘留。通過抽檢10 件當(dāng)前工藝加工油道后的交叉孔毛刺狀態(tài)，內(nèi)窺鏡觀察毛刺翻邊朝向，其毛刺方向不一致，有朝向主油道內(nèi)的，也有向主油道孔外的（圖3），主油道孔外毛刺占比70%，殘留較多（表1）。

為此，通過分解缸體油路，找出主要相交油道的“主干道”（主油道），結(jié)合設(shè)備夾具及加工節(jié)拍要求，調(diào)整油道加工工藝順序，使所有交叉油孔加工后，毛刺方向朝向一個(gè)孔內(nèi)（或朝向一個(gè)方向），便于一次性去除。最終，確定方案調(diào)整油道加工工藝順序，先加工主油道，后加工交叉油道使毛刺統(tǒng)一朝向主油道軸線。

2.2 主油道毛刺去除優(yōu)化研究

油道交叉孔的毛刺去除，在行業(yè)內(nèi)通常使用非接觸性的高壓水柱沖洗去毛刺及接觸式的鋼絲毛刷去毛刺[4]。高壓水柱沖洗毛刺往往去除不徹底，殘留毛刺較多；鋼絲毛刷去毛刺也是某型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體在用工藝，其去毛刺有一定局限性，在鑄鐵缸體高硬度的特性下毛刺去除也存在不徹底情況，并且毛刷在磨損后期鋼絲有極大概率掉落，造成外部輸入的金屬顆粒物污染，卡滯在油道內(nèi)嚴(yán)重影響缸體下線質(zhì)量。

對(duì)此，可研究發(fā)動(dòng)機(jī)缸體去毛刺專用刀具，徹底去除油道內(nèi)毛刺翻邊，避免鋼絲掉落卡滯風(fēng)險(xiǎn)，便于清洗工位徹底沖凈油道金屬顆粒雜物（圖4）。

2.3 油道清洗優(yōu)化研究

在行業(yè)內(nèi)保證清潔度、去除金屬顆粒物的最終手段仍是清洗技術(shù)，以浪涌清洗方式把缸體內(nèi)絕大多數(shù)鐵屑、雜質(zhì)沖到過濾液當(dāng)中，再輔以定點(diǎn)固定高壓沖洗把一些帶角度無(wú)法隨沖洗液流出缸體的殘留金屬顆粒物沖出缸體內(nèi)部[5]，最終烘干下線實(shí)現(xiàn)缸體腔內(nèi)清潔。

排查缸體清洗工位工藝設(shè)定，當(dāng)前浪涌清洗順序?yàn)椋鹤⑺擞壳逑础c(diǎn)清洗—泄水（圖5）。定點(diǎn)清洗時(shí)水箱是滿的，抵消了噴嘴噴出的水流壓力，進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)法有效去除油道金屬顆粒雜質(zhì)?？紤]可將浪涌清洗順序優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)清洗無(wú)紊流干擾。

定點(diǎn)清洗過程中，清洗油道盲孔時(shí)噴嘴角度當(dāng)前是對(duì)中直噴，對(duì)于盲孔位置的金屬顆粒物易造成底部堆積，不利于清洗。可研究?jī)?yōu)化清洗噴嘴角度或者噴淋方式將金屬顆粒物沖出孔外。

2.4 優(yōu)化研究小結(jié)

以上，從發(fā)動(dòng)機(jī)缸體油道的加工工藝進(jìn)行拆解研究，明確后續(xù)優(yōu)化驗(yàn)證方向?yàn)榧杏偷烂谭较?，便于后工位進(jìn)行清理。如圖6 所示，對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體清理毛刺手段措施進(jìn)行研究，立足當(dāng)下去毛刺效果現(xiàn)狀和不足，對(duì)去毛刺刀具提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方向，設(shè)計(jì)一款油道交叉孔專用去毛刺刀具，徹底去除缸體腔內(nèi)交叉孔金屬顆粒毛刺。

同時(shí)，對(duì)清洗技術(shù)進(jìn)行分析研究，明確當(dāng)前清洗方式存在的問題，為后續(xù)優(yōu)化浪涌清洗及定點(diǎn)清洗提供參考，進(jìn)一步提升產(chǎn)品清潔度。

3 方案驗(yàn)證及實(shí)施效果

3.1 優(yōu)化油道加工順序

通過優(yōu)化各交叉油孔的加工順序，使油道交叉位置的毛刺朝向主油道中心，驗(yàn)證5 件優(yōu)化加工順序后毛刺朝向情況，均向主油道一側(cè)突出。對(duì)比5 件優(yōu)化前后工件去毛刺效果，優(yōu)化后油道毛刺去除效果較好，陸續(xù)通過最終清洗工位，油道金屬顆粒度有明顯差異，優(yōu)化工藝順序后缸體油道金屬顆粒度明顯降低（圖7）。

3.2 油道去毛刺刀具優(yōu)化

根據(jù)當(dāng)前油道交叉孔毛刺的形態(tài)方向及去毛刺效果評(píng)估，工藝上已經(jīng)通過先加工主油道再加工交叉油道的方式將所有交叉孔毛刺方向集中在主油道內(nèi)。我們提出一種新的專用的油道去毛刺刀具（圖8）。

去毛刺刀具的設(shè)計(jì)：要關(guān)注堅(jiān)固殘留毛刺的去除效果，應(yīng)當(dāng)使用硬度較高的合金材料作為刀頭（圖9）。還要避免刀具損傷主油道內(nèi)壁及孔口，刀具尺寸應(yīng)當(dāng)略小于主油道直徑。新的專用去毛刺刀具采用硬質(zhì)合金刀頭，耐磨、壽命長(zhǎng)，能夠?qū)?jiān)固的毛刺徹底去除。創(chuàng)新性地增加刀具冷卻側(cè)噴孔，當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)入主油道內(nèi)時(shí)，切削液沖出使刃口與交叉孔壁接觸，刀具環(huán)繞孔壁進(jìn)行毛刺去除工作。

在去毛刺過程中刀具前端冷卻孔同時(shí)噴出冷卻清洗液，能夠?qū)⑶邢飨聛淼拿虥_洗到缸體表面，便于清洗，避免殘留。

根據(jù)產(chǎn)品主油道孔徑加工刀具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：φ12.00±0.05 mm，去毛刺刀具最大切削直徑設(shè)計(jì)為φ12.05 mm，基于去毛刺刀具功能設(shè)計(jì)，去毛刺刀具刃口直徑設(shè)計(jì)應(yīng)低于φ11.95 mm，則取去毛刺刃口設(shè)計(jì)直徑φ11.90 mm。

結(jié)合設(shè)計(jì)理念：去毛刺刀具旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生偏移，使刀具環(huán)切去除孔內(nèi)毛刺。則需要設(shè)計(jì)刀具旋轉(zhuǎn)過程中冷卻液沖擊反力大小及轉(zhuǎn)速進(jìn)給參數(shù)，確定刀具旋轉(zhuǎn)偏移修正系數(shù)。偏移距離與刀具加工過程中的轉(zhuǎn)速、切削力、作用力等相關(guān)，綜合計(jì)算后設(shè)計(jì)刀具內(nèi)冷開孔方式及刃口設(shè)計(jì)。

專用去毛刺刀具參數(shù)的設(shè)定：結(jié)合以往使用去毛刺毛刷的參數(shù)設(shè)定以及刀具加工工藝參數(shù)設(shè)定的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比不同參數(shù)的毛刺去除效果。根據(jù)刀具直徑以及硬質(zhì)合金刀頭材質(zhì)，查手冊(cè)得出建議切削參數(shù)Vc =80 ～ 100（m/min），每齒進(jìn)給f =0.5 ～ 1.0（mm/T），去毛刺刀具共2 個(gè)刃口，故每轉(zhuǎn)進(jìn)給fp =1.0 ～ 2.0（mm/r），根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)設(shè)定3 組參數(shù)進(jìn)行對(duì)比（表2）。

計(jì)算轉(zhuǎn)速和進(jìn)給如下：

分別驗(yàn)證3組參數(shù)及毛刷去毛刺效果，發(fā)現(xiàn)③組去毛刺效果較好。毛刷去毛刺有殘留，低轉(zhuǎn)速下專用去毛刺刀具也去除不完全，如②組加工情況；而高轉(zhuǎn)速下去除毛刺的同時(shí)也剮蹭孔壁出新的毛頭，如④組。綜上考慮，應(yīng)當(dāng)使用較高轉(zhuǎn)速及較高進(jìn)給（適當(dāng)）S2273F4546，配合設(shè)備及夾具對(duì)缸體內(nèi)部油道的毛刺進(jìn)行充分清理（圖10）。

3.3 油道清洗優(yōu)化

如圖11 所示，對(duì)浪涌清洗工藝順序進(jìn)行優(yōu)化，泄水后再定點(diǎn)清洗，避免定點(diǎn)清洗時(shí)紊流影響清洗效果，同時(shí)解決了因?qū)_現(xiàn)象導(dǎo)致水流壓力降低的問題，增大了清洗壓力和水量。對(duì)于定點(diǎn)清洗則將油道盲孔噴嘴清洗角度由直噴改為斜噴，噴淋側(cè)壁避免水柱將金屬顆粒雜質(zhì)沖積到盲孔底部，解決油液循環(huán)時(shí)金屬顆粒又被帶出來影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的問題。

完成對(duì)油道加工工藝優(yōu)化、專用去毛刺刀具的設(shè)計(jì)、清洗技術(shù)的優(yōu)化，某型缸體油道的金屬顆粒度得到了有效控制。如圖12所示，缸體的清潔度問題得到了很好的解決，措施實(shí)施后連續(xù)抽檢21 件缸體，油道金屬顆粒度合格率提升到了100%。

4 結(jié)論

綜上，從加工工藝布局、專用刀具設(shè)計(jì)、清洗方式優(yōu)化三個(gè)方面進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)缸體金屬顆粒度超差問題攻關(guān)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)缸體腔內(nèi)金屬顆粒的去除效果，有效保證發(fā)動(dòng)機(jī)清潔度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。最終，某型缸體油道的加工工藝是：先加工主油道孔，再加工盲孔及與主油道交叉油孔，使油道交叉孔處毛刺翻向主油道徑向；設(shè)計(jì)交叉孔去毛刺專用刀具替代鋼絲毛刷進(jìn)行主油道毛刺環(huán)切去除；優(yōu)化清洗順序及噴槍方式，利用高壓清洗液將缸體腔內(nèi)殘留金屬顆粒物沖出，對(duì)油道毛刺進(jìn)行徹底清潔。

在實(shí)現(xiàn)缸體金屬顆粒物去除目標(biāo)的同時(shí)，產(chǎn)線整體節(jié)拍不變，油道去毛刺節(jié)拍降低了5.0 s，清洗節(jié)拍增加了2.0 s，總生產(chǎn)效率未受影響。加工油道的刀具損耗單件成本不變，去毛刺工裝及刀具單件成本降低了0.16 元/ 件，同時(shí)避免了鋼絲毛刷去毛刺殘留脫落卡滯鋼絲的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量有較大幫助（表3）。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體切削加工工藝的研究，分解金屬顆粒物質(zhì)產(chǎn)生的過程，收集分析金屬顆粒物的形態(tài)及殘留狀態(tài)，匯總數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)研究，可以有效提升針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體清潔度相關(guān)問題解決的效率。本次研究的成果，這對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)的品質(zhì)把控和產(chǎn)能效率提升有著重要借鑒意義，進(jìn)而為發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定而高效運(yùn)行提供重要保障。

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作者簡(jiǎn)介：

曾維康，本科，助理工程師，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋機(jī)加工工藝。