发动机缸体机油泵孔粗加工技术分析

■天津一汽夏利汽车股份有限公司内燃机制造分公司 （300380） 刘崇泉

发动机缸体机油泵孔粗加工技术分析

■天津一汽夏利汽车股份有限公司内燃机制造分公司 （300380） 刘崇泉

摘要：为迅速降低加工成本，以本公司1.3L发动机缸体机油泵孔加工实例为基础，通过对缸体机油泵孔加工过程的技术分析，最终找到有效应对措施，达到延长刀具寿命、降低刀具单台成本的目的。

2013年，我厂对沈阳布卡特委博公司（BW）的4台设备进行升级改造，2014年初投入使用。发现粗加工机油泵孔工位的φ25mm立铣刀单台成本急剧增加，刀具寿命降低到原来的1/2，而同序其他刀具成本没有此现象发生。本文从该工位的加工状况、刀具系统、切削程序及工艺过程进行深入探讨，最终确定了较为合理的加工方式。

1. 加工过程工艺分析

（1）加工现状分析。加工部位：缸体前端面机油泵孔粗加工，缸体材质HT250，硬度195～235HBW，机油泵孔部位如图1所示。加工寿命、费用对比如表1所示。

加工现象：加工过程中，振动明显，声音很大，加工一定数量的工件加工后，机油泵孔侧面有明显的振刀痕产生，手摸非常明显，而且下端尺寸变小，呈喇叭形状。如图2所示。

图1

图2

表1

（2）加工部位分析。①粗加工，加工余量大，轴向端铣加工余量为2.7mm，径向侧铣加工余量为2.7mm，机油泵孔深度14.7mm。脆性金属加工过程中切削力集中在切削刃附近，加工余量大，容易造成切削刃磨损、崩刃。②机油泵孔底面为断续表面，加工难度较大，端铣加工过程中必须保证至少一个切削刃参与切削，否则容易造成较大的振动，引起刀具崩刃，影响刀具寿命及工件表面质量；机油泵孔侧面加工为侧铣方式，机油泵孔侧面往往会出现斜度，刀具的端部侧刃有让刀现象，加工深度越深，这种现象就越明显，φ25mm立铣刀在加工工件的内轮廓侧面时，刀具只有一边受力，因此它受到一个远离工件方

向的水平分力，铣刀在该水平分力的作用下，发生远离工件方向的变形，致使加工出来的工件会出现上端余量小、下端余量大的情况。③加工部位尺寸要求较高，虽然为粗加工，但有尺寸公差要求，表面粗糙度值Ra=6.3μm，加工侧面与底面结合部位需要清根。

（3）刀具系统分析。现刀具系统为株洲钻石φ25mm整体硬质合金4刃立铣刀+德国钴领液压刀柄（见图3）。

图3

增大株洲钻石φ25mm整体硬质合金4刃立铣刀的刚性，减少振动，可提高工件加工精度、增加刀具寿命且降低刀具成本。

增大刚性的措施：①横截面积增大：不改变φ25mm立铣刀直径，切削刃数量可由4刃变为6刃，增大立铣刀心部直径，排屑槽变浅，立铣刀刚性增强，刃数增多，同时参与侧面铣削的刃数变多，加工过程越平稳，刀具振颤越小；也可改变立铣刀直径，将立铣刀直径变为φ32mm，立铣刀刚性也会得到增强。②缩小刀具悬伸直径比：φ25mm立铣刀在侧铣加工过程中，处于悬臂状态，刀具端部受侧向力产生挠曲变形（挠度δ与悬伸L的3次方成正比）；悬伸越小，刚性越大，挠曲变形越小，加工过程中振动越小，尺寸精度越高，振刀痕越轻；φ25mm立铣刀悬伸与直径之比为65mm/25mm=2.6，硬质合金刀体最大悬伸直径比可达6，所以该工位刀具悬伸直径比没有问题。③更改刀具材料：现刀具为整体硬质合金刀具，是目前加工脆性金属的通用刀具材料，现刀具基体WC颗粒直径为0.8～1.3μm，为增强刀具的整体硬度和切削刃的强度，可要求厂家将刀具基体WC颗粒变为超细颗粒，直径为0.2～0.5μm，硬质合金棒材基体颗粒WC直径越小，刀具的强度、硬度越高，但成本相对增加。

外委修磨立铣刀，而且只能修磨一次，造成刀具成本增加。此立铣刀本厂无法修磨，只能外委修磨。φ25mm立铣刀底刃与侧刃都参与切削加工，一旦修磨侧刃，φ25mm立铣刀直径变小，现加工程序按立铣刀刀心为刀位点编制，不具备刀具半径补偿功能，为保证工件尺寸精度，若想修磨该刀具，必须用电火花将使用部位锯断，重新开刃，才能继续使用。

液压刀柄是一种应用很广泛的刀柄，采用这种夹紧系统，可使刀具系统径向跳动精度和重复定位精度控制在3μm以内。大量实践证明，使用液压刀柄的刀具寿命都得到很大的提升。液压刀柄油腔内的油可增加阻尼，具有优良的减振性能，可降低切削加工中产生的振动，提高工件的表面质量，但普通的液压刀柄大多用于半精、精加工。本工位采用的是普通液压刀柄，若是采用强力液压刀柄（见图4），减振效果会更好些。强力液压刀柄采用高强度合金钢制造，转矩传递是普通液压刀柄的2倍，刚性好、不易变形且能提高机床主轴寿命。目前可与夹紧系统最好的热套刀柄性能相媲美，有助于进一步提高刀具系统刚性，保证动力的平稳传递，提高刀具寿命，降低加工成本。

图4

（4）切削程序及工艺分析。此加工程序不带刀具半径补偿功能。增加刀具半径补偿功能（FANUC数控系统，左刀补G41），编程方式改为直接按工件轮廓轨迹编程。当刀具直径发生变化时，可利用刀具半径补偿功能，用手动方式在控制面板上输入新的刀具半径，不必修改加工程序。此优化使修磨刀具利用率增加2倍以上，降低加工成本。

图5

工艺路线。现状：立铣刀刀具底刃和侧刃同时参与切削，粗加工加工余量较大，切削条件恶劣。刀具切入工件加工路线（见图5），从B点插铣至轴向深度尺寸14.7mm，沿BO直线继续加工至所需轮廓，沿圆A逆时针加工轮廓与底面，铣削整圆后，移动到B点退刀。BO加工阶段，

φ25mm立铣刀切入切出工件轮廓时，一半顺铣一半逆铣，每刃承受的余量较大，尤其是切出阶段承受拉应力（硬质合金的抗压程度是抗拉强度的4倍），对刀齿寿命有很大影响；沿圆A加工阶段，此加工方式为顺铣加工方式，很合理，刀具切出时的薄切屑保证了刀具寿命，但脆性金属加工，以减轻刀具振颤为主。

优化加工路线（见图6）。可将原加工路线B点插铣和直线BO铣削（见图5）优化为螺旋插补铣（刀具作圆弧插补的同时Z轴同步作轴向运动），加工路线沿圆弧BC（见图6），采用圆滑切入方式。此圆弧BC段保证了φ25mm立铣刀从机油泵孔侧面切出时，切屑厚度为零，减轻了φ25mm立铣刀切入、切出轮廓时产生大的切削振动，可以允许较高的进给速度及提高刀具寿命。

切削参数。整个加工过程，存在底刃和侧刃同时加工的现象，加工过程噪声很大，机床振动严重，正常加工立铣刀振动越小越好，为提高刀具寿命，保证工件的表面质量，需合理匹配加工参数。加工参数如表2所示，优化加工参数如表3所示。

切削三要素对刀具寿命影响。切削速度V、每转进给f及背吃刀量ap。只变化其中一个要素，若切削速度提高20%，则刀具寿命下降50%；若每转进给提高20%，则刀具寿命降低20%；若背吃刀量提高50%，则刀具寿命降低20%。

按表3更改切削速度及每转进给量，减轻了刀具加工过程中的磨损，延长了刀具寿命，同时调整该工序其他刀具来弥补节拍的不足，达到降低成本之目的。

背吃刀量。如果降低切削速度与每转进给量，改变不了φ25mm立铣刀加工过程中的振动问题，则可进一步改善背吃刀量。受工艺系统刚度和强度限制，可将加工过程分两次走刀，为保证节拍可提高进给速度，因大量试验表明，加工余量越小，切削速度和进给速度可以越高。第一刀让φ25mm立铣刀侧刃参与切削；第二刀让φ25mm立铣刀底刃参与切削，如图7所示。

对走刀方式进行优化，背吃刀量与切削力大小成正比，减小背吃刀量，降低加工过程中的切削力，提高刀具寿命，降低加工成本。

图6

图7

2. 制定改善措施

通过以上调查与分析，为降低刀具成本，本厂采取应急式措施，解决机加工刀具成本问题。现制定了由快到慢的刀具改善计划：

（1）对刀具加工参数进行优化。原切削速度太高，降低33%，为保节拍调整同工序其他刀具参数。

（2）对刀具加工路线进行优化。采用圆弧切入方式圆滑切入加工部位，同时采用螺旋插补铣方式。

（3）着手对加工程序进行改进：①采用新的编程方法，增加刀具半径补偿功能，增加修磨刀具的使用次数，降低刀具成本。

表2

表3

3. 实施效果

根据以上多方面的技术分析，现对刀具的加工参数及切削程序进行了优化。优化后加工过程平稳，噪声明显降低，刀具成本从11月份起大幅降低，工件质量得到了改善。换刀频次、修磨次数及单台费用如表4所示。该刀具原外委修磨，现用厂内德国瓦尔特五轴数控工具磨床修磨，进一步节约了刀具成本。

4. 结语

本文从理论与实践的基础上，针对生产中出现的问题，采取由快到慢的解决方式，制定了可行的刀具改善计划，使刀具成本由单台费用5元降到1.5元，该刀具单台费用降幅70%，若按全年10万台产量计算，该刀具可节约资金35万元，达到了预期的效果，解决了该刀具成本过高的问题。

表4

收稿日期：（20150705）