淺析數(shù)控銑削4A9全鋁發(fā)動機缸體頂面質量

楊志豐 陳晨

摘 要：發(fā)動機缸體終檢的主要工作內容為目視檢查發(fā)動機缸體的加工缺陷與毛坯缺陷，首先，要檢查缸體最重要部位就是缸體的上表面（原因為與缸蓋連接），但終檢工作反饋，檢查發(fā)動機上表面時會出現(xiàn)周期性的網狀花紋（與正常加工方向相反的刃型痕跡），與正常切削方向產生的刃型痕跡重疊相交形成無高點的網狀花紋（交叉網紋）。網狀花紋增大了目視檢查的工作難度，且造成毛坯缺陷（砂眼、裂紋、缺肉等）和加工缺陷（壓傷等）由于反光并不易被發(fā)現(xiàn)。所以，通過理論學習與實際工作相結合，對上述現(xiàn)象來進行淺顯的分析。

關鍵詞：4A9 發(fā)動機缸體；精加工；平面銑削；花紋；網紋；面銑刀

中圖分類號：TG659 文獻標志碼：A

0 引言

發(fā)動機是汽車的心臟，缸體是發(fā)動機的關鍵基礎件之一，發(fā)動機缸體最主要的兩個工作的部件就是缸體和缸蓋，但是缸體與缸蓋之間并不是直接連接使用的，而是要隔著一層鋼制或者是銅制的墊片，所以缸體表面的制造精度，包括尺寸精度、形狀和位置公差、表面粗糙度等，對發(fā)動機的性能至關重要。缸體的銑削加工逐漸采用數(shù)控高速加工中心代替?zhèn)鹘y(tǒng)專用機床的生產線，這就對機床特性、刀具材料、工具系統(tǒng)、加工程序、切削液使用、測量工具的專用性提出了越來越嚴格的要求。

缸體的各個面的加工非常重要，因此選擇合適的刀具對加工效率和成本控制起關鍵的作用。重要的面有上下大面、前后端面、瓦蓋結合面和安裝曲軸用的止推面等等，這些加工面的質量直接影響缸體的質量，有很嚴格的公差要求，一般粗加工甚至精加工，可在加工中心上以及專用機床上加工。缸體作為發(fā)動機的一個重要部件材料可以大致分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵（CGI）和鑄鋁。隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，對這些零部件的加工提出了更高的要求。

沈陽航天三菱汽車發(fā)動機制造有限公司（以下簡稱為“航天三菱”）4A9缸體2線精加工缸體上面是由進口三菱重工業(yè)的臥式鏜銑加工中心完成，數(shù)控系統(tǒng)采用專門加工汽車零部件的C70系統(tǒng)。此機床選用加工平面的刀具類型為數(shù)控面銑刀，工具系統(tǒng)中刀柄為HSK63刀柄、夾具為定位銷加動力卡爪，切削液在主軸處及夾具上方，相互配合使用來進行缸體的精加工。

在缸體頂面的加工過程中，在頂面表面粗糙度符合規(guī)定要求，但是加工后有視覺刀紋，如圖1所示，刀紋的出現(xiàn)給終檢人員帶來了工作上的煩惱和檢查時間的增加，影響了生產進度?？墒撬蜋z測量班用三坐標測量機床測量反饋后，并沒有測量出高點，即平面度是在公差范圍內的。對此要進行一系列的分析來找出產生網狀花紋的產生原因。

1 機床精度方面

在機床方面，采用三菱重工業(yè)進口的臥式鏜銑加工中心，影響加工結果的原因很多，傳動導軌、線性傳動機構、主軸導軌，機床本體的剛性，工作臺的安裝精度與剛度等等。

主軸的回運動轉誤差是指主軸的實際回轉軸線與平均回轉軸線相偏離的程度，其符合程度是主軸回轉精度。主軸回轉誤差可分解為3種形式，純軸向竄動、純徑向竄動和純角度擺動。臥式加工中心安裝好銑刀后，由于加工路徑是從下往上切削，刀具體連接主軸直接受力，產生主軸的軸向擺角。但此走刀路徑克服了主軸徑向擺角，即：在加工中主軸軸線和工件平面的夾角為90°。

對于精加工銑削平面來講，純軸向竄動和純徑向竄動這兩個對平面度誤差并不是很重要，所以可以忽略，所以要單獨分析純角度擺動；但從加工表面的質量來分析主軸對于工件的影響，重點使用主軸裝配的剛性與刀具在工作時的突出量是關鍵，如果沒有仔細考慮就進行加工就可能產生問題。

假設不假思索就讓主軸和刀具突出很長，錯誤裝配后會造成主軸與刀柄、刀柄與銑刀體的裝配剛度下降。這會使加工面受到較大的阻力刀具刀尖上翹后，切削刃后半圓側朝下接觸工件的已加工表面造成二次加工，產生振紋，同時也極有可能使面銑刀切削刃發(fā)生缺口。

2 刀柄方面

由于加工工藝采用高速銑削平面，高速切削加工是集成材料科學、工程力學、機械動力學和制造科學于一體的高新加工技術，在汽車制造、航天航空和機械、模具加工多個行業(yè)得到了越來越廣泛的應用。高速銑削在高速加工中扮演了非常重要的角色，在高速加工中有近40%來自于高速銑加工，而高速銑削工具系統(tǒng)是高速銑削機床的重要組成部分，其性能將影響到加工質量和加工效率。

本工序的機床所使用的高速刀柄是由三菱重工業(yè)生產提供的進口HSK63刀柄，這種刀柄是由德國阿亨工業(yè)大學機床研究所研究的一種新型的高速短錐形刀柄，特點是空心、中空薄壁結構、短錐、錐度為1∶10；雙定位（錐面和端面同時定位、夾緊），刀柄在主軸中的定位為過定位；使用由內向外的外脹式夾緊機構，造成錐面嚴格的過盈配合來保證連接剛度。

實際加工時切削力會產生彎矩和扭矩，承載彎矩的力與拉緊力有關。實際上，刀柄上承受的彎矩是由橫向作用在刀具上的力產生的，拉緊力會增加作用在刀柄錐面上的總載荷，在切削加工處所產生動態(tài)激振的持續(xù)作用下，刀柄承受能力明顯下降，在載荷的作用下，刀柄開始處于彈性變形階段，之后進入裝夾的承載階段，刀柄和主軸配合的結合面產生摩擦力，形成很高的扭轉剛性。在克服這個摩擦扭矩之后，剛性隨之下降，繼續(xù)增加載荷并隨著轉速的增加，徑向剛度將有所降低，同時產生主軸刀具的軸向擺角。相對于最主要的主運動執(zhí)行機構機床主軸來說，它的影響是最大的，但從主軸的穩(wěn)定性來說，它涉及的產生加工表面質量的好壞是由主軸回轉運動誤差所影響。

3 面銑刀刀具結構方面

面銑刀的刀具結構選用因素：加工上表面面銑刀類型有：疏齒、細齒、密齒。

本工序選取的類型為密齒。密齒面銑刀應用工序是精加工銑削，但從“密齒”兩個字可以看出：每個刀齒配備的容屑槽非常小，刀片的數(shù)量選擇必須使得切屑適當卷曲并且要離開切削區(qū)域，切屑容屑空間不當將導致憋屑，損壞刀刃并影響表面不光潔會有擠壓類型的刃型痕跡，即：第三切削變形區(qū)域產生無高點“刀花”。

分析刀片幾何角度參數(shù)：使用的刀片是磨制的，精加工刀刃十分鋒利、平直（刀具刃口已經用磨條精磨過），刀尖角度中背前角（軸向前角）與側前角（徑向前角）選取后從加工結果看應該是側前角>初始接觸角、背前角<余偏角。

此種刀具刀尖角度的選用極大地抑制了切削力矩的產生，并使剪切角度變大，切屑變得很薄。宏觀上來講就是主軸和刀具不產生軸向擺角，刀具后半圓接觸工件與冷卻液澆注效果不良一起提供了導致加工出網紋的不良條件。這也是出現(xiàn)網狀花紋的主要原因之一。

4 切削液方面

4.1 噴射方式

切削液的噴出主要噴射工作方式有主軸內外直接噴灑式和天花板噴灑式。

面銑刀安裝好后是呈倒錐形，面銑刀刀片的切削刃被刀具體所蓋?。词故莾壤洌?，主軸上的冷卻液垂直噴出后，切削刃有被刀具體阻擋沖不到的可能，或經過加工表面與待加工表面反射到刀片上。冷卻液作用大打折扣。天花板噴灑式只是能澆注到加工工作半圓，由于主軸處于高速旋轉加工狀態(tài)，并因旋轉產生離心力作用，后半圓可能完全澆注不到，后半圓刀刃沒有受到切削液作用，和已加工表面發(fā)生了干涉，產生了網紋。

4.2 切削液本身的問題

黏度不夠，刀具表面粗糙度過大，刀具表面與加工面之間不起困液現(xiàn)象（困油現(xiàn)象），也就達不到潤滑的作用。切削液本身經過高壓流動，產生氣泡經過內冷流道噴出后，沖洗面銑的刀片前刀面時，會因為流體沖擊產生氣泡（消泡劑效果不好）導致前刀面瞬間接觸不到切削液，造成刀刃和過渡表面、切屑和前刀面產生干摩擦切削磨損并隨著切削溫度急劇上升，即前刀面“過燒”，前刀面產生月牙洼磨損，后刀面同時提前到達刀具平均磨損寬度VB（這就是網紋無高點的主要原因），就會在第三切削區(qū)域產生擠壓修光痕跡，即網狀花紋。

結語

本文提出的4個方面對于產生網狀花紋的原因的主要原因，如能在生產中克服這4個方面中的任何幾點，都能減輕或完全解決產生網狀花紋的情況，改善發(fā)動機的生產質量，提高發(fā)動機終檢的效率，以此提高生產效率。

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