缸盖凸轮轴孔划伤问题分析及排除

作者:徐 斌 李兆停 汪记伟 张义权 文章来源:吉利汽车研究院 发布时间:2014-06-26
分享到

在发动机缸盖研发试制过程中,经常遇到缸盖凸轮轴孔表面划伤问题,严重影响研发进度。本文从设备、毛坯、夹具、刀具和测量等方面进行分析,通过修改毛坯档宽构造、改善精镗刀具结构、优化加工参数以及夹具施力方式标准化等措施,最终解决了严重划伤问题。

随着汽车工业的蓬勃发展,发动机研发进展飞速,由此对发动机零部件试制工作提出了更高的要求。在缸体、缸盖等箱体类零件的试制过程中,经常会遇到间断细长孔的加工,该类孔长度400mm以上,长径比可达15倍,由5~6个档宽组成,其中缸盖凸轮轴孔加工难度最高。

某发动机缸盖采用DOHC结构,在进排气侧各有一个凸轮轴孔,各项要求如表1所示。在发动机缸盖试制过程中,凸轮轴孔出现啃刀、振刀现象(见图1、图2),内孔表面凹凸不平存在严重划伤,表面粗糙度超差,导致缸盖成品交付时间延期,影响项目进度。针对此问题,我们展开了深入研究。

原因分析

按照“人、机、料、法、环、测”思路进行分析,编制分析鱼骨图(见图3)。

1. 对人员、设备、环境及测量进行分析

(1)人员方面 试制调刀人员经过专门培训,掌握凸轮轴孔刀具调整方法,拥有完备的上岗资格。调试技术人员参与过多项生产线调试任务,前期主要负责发动机缸体生产线的调试,加工经验丰富。

(2)设备方面 精加工机床采用北一大隈MAR-500H卧式加工中心,重复定位精度0.004mm,机床能力指数Cmk值9.86,大于1.67要求值,稳定性能良好,完全满足发动机缸盖试制要求。

(3)温湿度方面 因加工时使用切削液,湿度对加工影响不大。加工车间拥有中央空调,温度恒定在20~25℃,刀具及材料等变形量可忽略不计,满足加工条件。

(4)测量方面 采用国际知名品牌设备(海克斯康及日本三丰),拥有年检合格证。另外三坐标和粗糙度设备的测量主要影响直径、圆柱度及表面粗糙度值等项目,与加工时的表面划伤无关。

经以上分析,来自“人、机、环和测”4个方面的原因非问题原因,可以排除。

2. 毛坯分析

(1)材质方面 本批次加工的缸盖和缸盖罩都符合要求,刀具及参数选择合理情况下,不会出现粘刀及啃刀现象。毛坯检测报告如表2所示。

(2)结构方面 经过图样及实物对比,可明显发现缸盖罩与缸盖在凸轮轴孔处档宽不一致,如图4所示,其中缸盖罩档宽为12.2mm,而缸盖档宽只有11mm。由此可知,加工时刀具都将先接触缸盖罩,切削0.6mm后才切削缸盖档宽,存在短时半切削现象,刀具单向受力,加大刀具跳动存在啃刀风险。

经上分析,毛坯方面存在设计结构缺陷,有啃刀风险,为问题原因。

3. 工艺分析

(1)工艺过程安排分析 缸盖凸轮轴孔加工分为四步进行,如表3所示。精镗余量0.3mm能够保证直径圆柱度等参数,关键在于考虑到凸轮轴孔精镗刀较长(400mm)而加设了一个引导孔,用于稳定因其本身自重而产生的强烈跳动,以保证引导孔的加工质量满足需要。所用引导孔加工镗刀如图5所示,凸轮轴孔精镗刀如图6所示。

(2)刀具分析 精镗刀具采用HSK63刀柄一体式自导向单刀片式精镗刀,自导向长度5mm,刀片材质为镀层碳化钨合金。精镗刀具圆周分布的4根碳化钨支撑导条用来吸收切削阻力和振动。

经分析,由于第一档直径为32.7mm,精镗刀具在进入第二档时才开始切削。由于该刀具的自导向长度明显过短,在进入凸轮轴孔第二档时无法完全起到导向作用,容易引起第二档啃刀,与实际加工中的现象较为符合。

(3)夹具分析 定位采用“一面两销”定位方式,由于为缸盖小批试制加工,从费用及实用性考虑,采用进气排气侧手动施力夹紧,如图7所示。

经过现场测量:圆柱销直径为11.885mm,菱形销直径为11.889mm,精加工定位时的孔径为12.003~12.007mm,装夹时能够顺利安装,无卡死现象存在。但因是手动夹紧,未将加力方式标准化,故操作者在不同的夹紧点有加力差异,导致加工时存在跳动或者松动的可能。

(4)加工参数分析 对原先加工中的参数进行分析,根据切削公式计算线速度及每齿进给量:

 

式中 d——刀具直径;

n——机床转速;

Vc——刀具切削线速度;

Vf——机床进给速度;

f——刀具的进给量;

Z——刀片数。

将已知参数代入公式计算得出:Vc=80m/min,f=0.1m/r。将此结果告知刀具厂家,得到明确回复:Vc偏小,而f偏大很多,需要进行优化。

(5)切屑液分析 加工缸盖使用的是奎克HDSI切削液,浓度值稳定在7%~8%,具有良好的润滑冷却功能,不会造成划伤现象。

综上所述,我们得出结论,刀具自身引导过短,导致刀具跳动无法得到有效控制,为啃刀及划伤现象的主要原因。夹具手动施力方式,加工时存在松动风险,加工参数不合理,需要优化。

解决措施

根据以上分析确认毛坯质量、刀具及夹具为主要问题点,于是我们提出如下解决措施:

1. 毛坯整改

联系发动机开发部及毛坯供应商,减小缸盖档宽,将上下档宽统一为11.5mm,保证上下加工的一致性,提高加工性能。

2. 工艺整改

(1)刀具整改 重新制作一把自导向长度为10mm凸轮轴孔精镗刀。

(2)增加调刀要求 提高精镗刀及最终精镗刀的调刀要求,其中导向精镗刀具跳动5mm以内,直径控制在24.70~24.72mm之内,最终精镗刀跳动4mm以内。另保证刀尖比导向块尖角(径向)高出5~7um,以保证导向条的挤光作用,防止导条参与加工破坏刀具及工件质量。

(3)参数调整 考虑提高线速度,并降低刀具导向进入凸轮轴孔时产生的跳动,避免引起扎刀及粘刀现象,选择如下参数:Vc=120m/min,f=0.03m/min,代入公式(1)和(2),计算得出:n=1500r/min,Vf=50mm/min。由此确定了精加工参数的刀具转速和进给速度。

在试切过程中,可通过切削声音来判断刀具的转速与进给参数是否合理,对以上参数再进行调整。

3. 夹具调整

检测并调整手动夹紧力矩,记录调试时夹具的跳动情况,如表4所示。从表中可看出,在力矩满足45Nm时,加工跳动为5um,超过45Nm对减轻跳动无帮助现象且存在变形可能。于是,仍然采用原先的手动夹具,但是对夹紧力进行了量化并固化,以45Nm为标准规定。

结语

在以上调整完成后的调试过程中,凸轮轴孔的表面粗糙度质量明显得到改善,再无划伤现象出现,不良品率大幅度下降,发动机缸盖试制得以顺利进行。试制加工与量产条件不同,在加工各方面都相对不够成熟的时候,应充分做好设备、毛坯、工艺编排及刀具、夹具设计等前期准备工作,试制过程中灵活运用,由此才能保证试制质量及进度要求,同时也能够更好地反馈设计缺陷,以便及时改正。

目前在缸盖凸轮轴轴孔量产中,已经出现精密直线镗孔等先进技术,如图8所示,其主要原理为夹具前端安装滚动导向套,得以克服细长孔摆动大的缺陷,并大大了提高加工效率。

收藏
赞一下
0
/
正在提交,请稍候…