摘要：缸體、缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零部件，端面銑削在這兩個(gè)零部件加工中占據(jù)重要位置，缸體、缸蓋的頂?shù)酌婧颓昂竺娑加休^高的粗糙度和平面度要求，達(dá)不到要求會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、質(zhì)量造成很大的影響。

　　2015年我廠在端面銑削過程中接連發(fā)生工件接刀痕嚴(yán)重、工件崩邊的現(xiàn)象，工藝人員對(duì)此類現(xiàn)象了解的不夠透徹，由此引發(fā)本文對(duì)端面銑削的深入研究與探討，提出對(duì)端面銑削加工現(xiàn)象的優(yōu)化解決方案。

加工現(xiàn)象技術(shù)分析

1. 加工現(xiàn)象

　　銑削是非常普通的加工方式。銑削屬于斷續(xù)切削，刀齒不斷切入切出工件，切屑厚度和切削面積不斷變化，沖擊載荷較大，易發(fā)生振動(dòng)，切削力在不斷變化。切削力處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)接刀痕并不明顯，粗糙度、平面度都不會(huì)有太大變化。通常所指的接刀痕為痕跡明顯、肉眼可辨，導(dǎo)致粗糙度、平面度超過工藝技術(shù)要求的刀痕。崩邊一般發(fā)生在鑄鐵加工中，切削振動(dòng)大，造成加工部位邊緣的掉渣現(xiàn)象（見圖1）。

圖  1

2. 接刀痕問題

　?。?）接刀痕產(chǎn)生的位置。切削力突變?cè)斐珊艽笳駝?dòng)，就會(huì)產(chǎn)生明顯的接刀痕。

　　接刀痕產(chǎn)生位置：①兩次走刀的交接處會(huì)產(chǎn)生接刀痕。②刀具沿加工路徑進(jìn)給過程中，刀具再次經(jīng)過已加工表面區(qū)域時(shí)，會(huì)產(chǎn)生微小的接刀痕跡，造成切削紋路發(fā)生些許變化，肉眼覺察不到，不影響加工質(zhì)量，通?？珊雎?。③刀齒切入或切出工件的位置也會(huì)產(chǎn)生接刀痕。刀齒切入時(shí)，載荷突然急劇增大，產(chǎn)生較大振動(dòng)；刀齒切出工件的瞬間，是一個(gè)卸載的過程，整個(gè)系統(tǒng)的彈性變形能瞬時(shí)釋放，產(chǎn)生較大振動(dòng)。故切入、切出過程均會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的刀痕，切出過程產(chǎn)生的刀痕比切入過程產(chǎn)生的刀痕嚴(yán)重。

　?。?）接刀痕產(chǎn)生的條件主要有以下幾種：

　　切削參數(shù)：加工余量大、進(jìn)給速度快，導(dǎo)致被加工表面擠壓變形大，容易產(chǎn)生接刀痕。

　　刀具的安裝誤差：刀片安裝誤差較大，會(huì)產(chǎn)生接刀痕。由于我廠調(diào)刀人員，從未經(jīng)過專業(yè)的調(diào)刀培訓(xùn)，專業(yè)素養(yǎng)及調(diào)刀經(jīng)驗(yàn)參差不齊，調(diào)刀控制手段及標(biāo)準(zhǔn)不足，控制端面跳動(dòng)的一致性有差別，不是每盤刀都能達(dá)到規(guī)定的換刀頻次。例：新缸體OP210序，精銑前后面，Ra=3.2μm，平面度0.1mm，換刀頻次800臺(tái)，生產(chǎn)線反饋一盤新刀，有時(shí)加工1個(gè)班200臺(tái)，接刀痕就很明顯，而經(jīng)驗(yàn)豐富的調(diào)刀人員調(diào)的端面銑刀確能達(dá)到規(guī)定的換刀頻次，得到生產(chǎn)線工人的認(rèn)可，既節(jié)約了換刀時(shí)間，又降低了成本。

　　主軸跳動(dòng)很大：機(jī)床主軸與刀具系統(tǒng)連接剛性不足，高轉(zhuǎn)速下，產(chǎn)生的巨大離心力會(huì)加速主軸軸承的磨損，同時(shí)引起機(jī)床加過過程中的急劇振動(dòng)，切削表面會(huì)形成特別明顯的刀痕。例：1.3缸體OP50序，后油封面加工，粗糙度3.2，平面度0.1，2015年設(shè)備改造前，主軸跳動(dòng)大導(dǎo)致刀痕較深，平面度不符合工藝要求，嚴(yán)重影響了工件的質(zhì)量。平面度不合格，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)后油封部位滲漏機(jī)油。當(dāng)時(shí)主軸維修困難，我廠為了應(yīng)對(duì)生產(chǎn)，重新匹配了兩次走刀的加工余量，同時(shí)降低進(jìn)給速度，暫時(shí)以犧牲刀具壽命為代價(jià)，完成了剩余的生產(chǎn)任務(wù)。

　　刀具磨損：毛坯硬度的不均勻會(huì)造成刀具過早磨損，刀具一旦到達(dá)急劇磨損階段（見圖2），切削力必然急劇增大，造成振動(dòng)，刀痕自然明顯很多，影響工件質(zhì)量及表面粗糙度。一般情況下，刀具磨損是產(chǎn)生接刀痕的主要原因。例：天內(nèi)的鑄鐵粗加工（見圖3），正態(tài)切削，刀具磨損到急劇磨損階段后，振動(dòng)噪聲變大，刀痕紋路清晰，手摸較明顯。

   

圖  2     

           

圖  3

工件未夾緊：如果夾緊力不足，會(huì)導(dǎo)致工件松動(dòng)，加工中產(chǎn)生震顫，產(chǎn)生接刀痕。

3. 崩邊問題

　　新缸體OP50序，2015年2月設(shè)備廠家為保節(jié)拍、提高生產(chǎn)效率，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了維護(hù)，但在3月和4月刀片的換刀頻次由100臺(tái)降至40臺(tái)，40臺(tái)后繼續(xù)加工，缸體左右凸臺(tái)面發(fā)生崩邊現(xiàn)象。刀具壽命偏低，刀具單臺(tái)費(fèi)用兩個(gè)月居高不下。

　　伊斯卡樣本表明，該刀片適用于鑄鐵加工，切削速度范圍100～400m/min，而本工序切削速度為301m/min。鑄鐵加工，刀具磨損，導(dǎo)致橫向切削力加大，造成銑刀盤即將切出工件的瞬間，將工件上留存的最后一點(diǎn)加工余量擠掉，工件表面發(fā)生崩邊現(xiàn)象。刀具磨損越早，崩邊現(xiàn)象發(fā)生的概率越大。解決辦法如下：

　?。?）優(yōu)化切削速度。

　　將切削速度由301m/min降至163m/min，為彌補(bǔ)節(jié)拍的不足，同時(shí)調(diào)整了進(jìn)給速度。依據(jù)金屬切削原理：合理速度內(nèi)，切削速度降低20%，刀具壽命提高50%。降低切削速度后，該刀具單臺(tái)費(fèi)用由12元/臺(tái)降至6元/臺(tái)，按年產(chǎn)3萬臺(tái)缸體計(jì)算，年可節(jié)約資金18萬元。此時(shí)換刀頻次達(dá)到100后，崩邊現(xiàn)象才會(huì)產(chǎn)生，保證了質(zhì)量，同時(shí)也節(jié)約了頻繁換刀的時(shí)間。

　　（2）刀盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化。原刀盤（見圖4）主偏角為90°，刀具在離開缸體邊緣時(shí)的切削力全部為橫向切削力，過大的拉力使工件邊緣最后的加工余量剝落，造成表面崩邊情況。

　　為了近一步降低成本，提高刀具壽命。我廠現(xiàn)地現(xiàn)物，利用現(xiàn)有資源，轉(zhuǎn)序再利用開展降成本工作。原刀盤直徑為Φ80mm，標(biāo)準(zhǔn)刀盤。利用曲軸OP10序刀盤（見圖5）替換原刀盤。

圖  4        

                  

圖  5

　　兩刀盤基本參數(shù)如附表所示。

基本參數(shù)對(duì)比表

　　切削三要素不變的前提下，由于刀片同時(shí)使用量由10片變?yōu)?2片，每個(gè)刀片的進(jìn)給量相對(duì)變小，等同于每個(gè)刀刃產(chǎn)生的切屑厚度變薄，由粗糙度簡(jiǎn)化公式可知，小的進(jìn)給量可適當(dāng)?shù)奶岣吖ぜ砻娴拇植诙?，小的進(jìn)給量可以減小刀具離開缸體邊緣時(shí)的切削力。同時(shí) 80°主偏角同90°主偏角比，可將切削力分解到兩個(gè)方向，弱化了橫向拉力對(duì)缸體邊緣崩邊現(xiàn)象的影響，增強(qiáng)了刀片壽命。

　　粗糙度簡(jiǎn)化公式

　　Ra=f2/8R

　　式中，f為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量(mm/min)；R為刀尖圓弧半徑(mm)。

走刀路線技術(shù)分析

　　數(shù)控加工過程中，刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡稱為走刀路線。走刀路線反應(yīng)了工件的加工過程，確定合理的走刀路線是保證銑削加工精度和表面質(zhì)量的重要工藝措施之一，走刀路線的合理關(guān)系到加工的生產(chǎn)效率及刀具壽命，因此每道工序的走刀路線都非常重要。保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，走刀路線盡量最短，保持刀具一直吃刀。前期的工藝設(shè)計(jì)多考慮刀盤直徑、刀盤結(jié)構(gòu)、刀盤位置、銑削方式和刀具切入切出過程等因素，刀具全生命周期的70%取決于前期的工藝設(shè)計(jì)，工藝設(shè)計(jì)一旦設(shè)計(jì)完成，刀具成本也就固定了，后續(xù)改善優(yōu)化只是一些輔助措施。

1. 端面銑削方式―順銑和逆銑

　　如圖6所示，順銑可以理解為銑刀切入時(shí)切屑的厚度大于切出時(shí)切屑的厚度；逆銑可以理解為銑刀切入時(shí)切屑的厚度小于切出時(shí)切屑的厚度。刀片切入工件時(shí)承受壓應(yīng)力，切出時(shí)承受拉應(yīng)力；拉應(yīng)力更容易導(dǎo)致刀片產(chǎn)生裂紋、蹦刃，若要提高刀片壽命，就得減小刀片切出時(shí)的拉應(yīng)力。順銑，切出時(shí)切屑薄拉應(yīng)力小；逆銑，切出時(shí)切屑厚拉應(yīng)力大。對(duì)刀具壽命而言，順銑方式要好于逆銑方式。

圖  6

　　逆銑過程，端面銑刀剛剛切入時(shí)，刀片本身存在極細(xì)小的刀刃倒棱，加工余量很薄，刀片擠壓、摩擦產(chǎn)生大量的切削熱，造成工件表面硬化現(xiàn)象，切屑存在于刀片前刀面，再次切削造成工件質(zhì)量變差?，F(xiàn)大多數(shù)機(jī)床采用順銑方式，優(yōu)點(diǎn)：順銑時(shí)，切屑由厚變薄，當(dāng)端面銑刀前刀面切出工件的一瞬間，載荷突然釋放，容易產(chǎn)生振動(dòng)，但此時(shí)切屑很薄，切削力很小，載荷波動(dòng)不會(huì)太大，故刀具壽命增加。

2. 銑削過程分析

　　銑削過程分為四個(gè)階段：非切入階段、切入階段、切削階段和切出階段。

　?。?）端面銑刀切入策略：圓弧切入好于直接切入，斜著切入好于直接切入。切入策略原因分析：

　　直接切入方式（見圖7）。未滿刀切削與滿刀切削相比，未滿刀切出處產(chǎn)生厚的切屑，導(dǎo)致刀具加工過程中振動(dòng)較大，刀具刃口容易失效、刀具壽命變差。若要采用此種方式直接切入，則在滿刀切之前，為降低刀痕的影響，可將每轉(zhuǎn)進(jìn)給降為正常進(jìn)給的50%。我廠的缸體、缸蓋頂?shù)酌婕扒昂竺婕庸?，都是采用直接切入方式，并且每轉(zhuǎn)進(jìn)給沒有降低，這是需要注意的。

　　圓弧切入方式（見圖8）。切出處切屑很薄，降低了切削力，振動(dòng)降低，提高了刀具壽命。

  

圖  7     

             

圖  8

　　斜切方式。刀盤與工件成一定角度切入，目的是對(duì)刀盤切出處切屑厚度進(jìn)行控制，間接提高銑刀片壽命。平滑切入工件是必要的，剛切入時(shí)進(jìn)給應(yīng)該降至50%，滿刀切時(shí)恢復(fù)到正常的每轉(zhuǎn)進(jìn)給。

　?。?）端面銑刀切出策略。定義：切出角=銑刀切出點(diǎn)和刀盤中心點(diǎn)的連線與銑刀盤中心線的夾角。

　　經(jīng)過世界第一刀具集團(tuán)公司試驗(yàn)驗(yàn)證，切出角在（30°～90°與-90°～-30°）之間時(shí)刀片壽命較高，切出角范圍在±30°時(shí)，刀片壽命偏低（見圖9），故刀盤與工件位置關(guān)系影響刀片壽命。刀盤寬度為工件寬度2倍時(shí)，采用對(duì)稱銑削方式（見圖10），此時(shí)切出角為30°，刀盤布置是否合理，以此位置為基準(zhǔn)，透徹全面的了解刀盤布置原理，迅速解決刀盤布置不合理，引發(fā)的刀片壽命偏低問題。

   

圖  9    

                 

圖  10

3. 刀盤直徑與走刀路線

　?。?）刀盤直徑。刀盤直徑的選擇主要由加工工件寬度決定。當(dāng)加工平面面積不大時(shí)，刀盤直徑一般為切削寬度的（1.3～1.6）倍，可有效保證切屑的形成和排出。精銑加工條件允許的情況下，可采用較大面銑刀一次走刀加工完成。

　　選擇刀盤直徑時(shí)盡量選擇通用的標(biāo)準(zhǔn)刀盤。目前行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)刀盤直徑已經(jīng)固化，刀盤直徑大致為Ф50mm、Ф63 mm、Ф80 mm、Ф100 mm、Ф125 mm、Ф160 mm、Ф200 mm、Ф250 mm和Ф315 mm等。標(biāo)準(zhǔn)刀盤通用性強(qiáng)，價(jià)格便宜，可替換。

　　刀盤直徑的確定。刀盤直徑D的大小與切入角A、切出角B及工件寬度E有關(guān)系，不管刀盤相對(duì)于工件如何布置，采用什么樣的銑削方式，確定刀盤直徑的原理是相同的。例：按如圖11方式布置刀盤。

　　E=（D/2）sinB－（D/2）sinA

　　D=2E/（sinB－sinA）

        
圖  11

　　由上述公式可看出，只要選定刀盤徑向切入深度、切入角和切出角，則銑刀盤直徑就已確定。

　?。?）走刀路線。當(dāng)加工平面面積較大時(shí)，可選擇刀盤直徑合適的銑刀，分多次走刀。多次走刀必然面臨切削方向改變的情況，切削方向改變時(shí)產(chǎn)生的加工現(xiàn)象可理解為直接切入工件的情況。加工過程中，銑刀換向時(shí)，應(yīng)變?yōu)閳A角路線加工（見圖12），可保證銑刀切出時(shí)鐵屑厚度較薄，降低切削力，降低振動(dòng)，增強(qiáng)刀具壽命，推遲了接刀痕產(chǎn)生的時(shí)間，提高了工件質(zhì)量；圖12切入時(shí)，采用的是斜切切入方式有助于刀片壽命的提高。我廠所有的面銑加工，走刀路線有切削方向變化的，都采用如圖13所示方式。

     

圖  12      

           

圖  13

　　例如。我廠缸體加工兩條生產(chǎn)線，后油封面加工兩種不同的走刀路線。圖14為1.3缸體線后油封面加工走刀路線。刀盤為非標(biāo)刀盤，價(jià)格昂貴；切入方式為直接切入方式，現(xiàn)狀：剛切入時(shí)每轉(zhuǎn)進(jìn)給沒有優(yōu)化，容易產(chǎn)生振紋；一次走刀完成加工，但刀盤布置方式為對(duì)稱方式布置，對(duì)稱銑削，加工過程中順銑和逆銑同時(shí)存在，雖不是最佳方案，但也算合理。

圖  14

　　圖15為1.5缸體線后油封面加工走刀路線。刀盤為標(biāo)準(zhǔn)刀盤，價(jià)格便宜；銑削方式為不對(duì)稱順銑方式，刀盤換向時(shí)采用圓弧加工

路線過渡，非常合理，刀片壽命比圖14的銑削方式高。加工過程需重點(diǎn)關(guān)注后油封面中間部位的粗糙度，兩刀盤交接處容易產(chǎn)生刀痕。

圖  15

結(jié)語

　　本文在理論與實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對(duì)加工過程中產(chǎn)生的接刀痕與崩邊現(xiàn)象進(jìn)行了大量的闡述，并提出了一系列的具體優(yōu)化方案，多方位全角度的拓展了工作思路，可指引工藝人員迅速解決、消除生產(chǎn)中遇到的不良加工現(xiàn)象。本文對(duì)提升產(chǎn)品質(zhì)量，提高工作效率，降本增效有一定的借鑒意義，值得引起重視與推廣。

本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2016年第19期8-11頁

作者：天津一汽夏利汽車股份有限公司內(nèi)燃機(jī)制造分公司劉崇泉

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標(biāo)簽：加工、發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車

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文章名稱：《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體端面銑削加工技巧》

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