汽車發動機機油泵殼體加工工藝優化

摘要：以TU5JP4汽車發動機機油泵為研究對象，其主要使用在神龍汽車有限公司系列乘用車發動機中。在該款機油泵加工制造過程中，殼體是其主要加工部件，所占生產時間最長，是影響機油泵的整體生產效率的主要要素。對現有機油泵殼體加工工序做了分析并進行了時間測量，每件產品加工時間為597 s；采用更改刀具和工藝參數以及更改毛坯設計的方法改進后，每件產品加工時間縮短為463 s，該改進為有類似結構的機油泵殼體加工提供了參考。

關鍵詞：汽車發動機；機油泵殼體；切削加工

中圖分類號：TH162 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2013）04-0055-04

機油泵直接影響著發動機的整機性能，尤其是發動機的使用壽命和節能效果[1，2]。本文論述的機油泵（1011TU5）是一種齒輪式機油泵，具有效率高、功率損失小及工作可靠等特點，主要使用在神龍汽車有限公司系列乘用車發動機中。由于該款機油泵對神龍汽車有限公司供貨量很大，月產量達20 000件以上，所以提高單件的生產效率有很大的意義。而機油泵殼體加工是影響機油泵制造生產效率的重要因素，通過機油泵殼體加工工藝的優化，縮短其加工時間，可以提高機油泵的生產效率。

1 TU5JP4機油泵結構與工作原理

TU5JP4機油泵是一種采用外嚙合方式的齒輪式機油泵，主要由殼體、主動軸、主動齒輪、從動軸、從動齒輪、泵蓋、機油集濾器、傳動鏈輪等組成，見圖1。機油泵工作時，由發動機傳來的動力通過鏈輪傳遞給機油泵殼體內的主動齒輪帶動其旋轉，進而帶動從動齒輪作反方向的旋轉，將機油從進油腔沿齒隙與機油泵殼壁送至出油腔。這樣，進油腔處便形成低壓而產生吸力，把油底殼內的機油吸進油腔。由于主、從動齒輪不斷地旋轉，機油便不斷地被壓送到需要潤滑的部位。

2 TU5JP4機油泵殼體結構與工藝分析

2.1 機油泵殼體結構分析

TU5JP4機油泵殼體材料為鋁合金AS9U3，拉伸強度為240～310 MPa，硬度為80～110 HBS，是機油泵主從動齒輪安裝的載體，其毛坯通過壓鑄而成，主要加工部位為主從動軸孔、主從動齒輪室、泵蓋安裝平面、安裝螺紋孔等，其結構如圖2所示。

2.2 機油泵殼體加工工藝分析

機油泵殼體主要部位加工采用數控加工中心進行加工，其主要加工工序為銑安裝平面、擴M6螺紋底孔、攻M6螺紋、擴主從動軸孔、擴齒輪室孔、鏜主從動軸孔及齒輪室孔、擴限壓閥孔、精鏜限壓閥孔等。經過測量，銑安裝平面、擴M6螺紋底孔、攻M6螺紋、擴主從動軸孔、鏜主從動軸孔及齒輪室孔加工工序占整個殼體加工時間為74%，見圖3，這些工序也是影響殼體加工時間的主要工序，殼體的單件加工總時間為597s，減少以上工序加工時間就可以減少殼體總的加工時間。

由于殼體加工采用的是數控加工中心，在數控加工中，正確合理地選擇切削參數對確保產品質量、提高生產率、降低生產成本起著十分重要的作用。近年來，隨著數控技術的普遍應用以及各種先進制造技術的迅速發展，生產輔助時間大大降低，相應地，切削時間所占的比重就大大提高。因此縮短切削加工時間，對提高生產率起著重要的作用[3]。所以在確定好加工工件、機床以及在保證刀具耐用度的前提下，影響生產效率的主要因素為切削速度、進給量等[4]。對于機油泵殼體加工中，影響殼體加工時間的主要工序采用的切削參數，都是使用了多年的工藝參數，具體的參數見表1。由表中可以看到銑安裝平面、擴M6螺紋底孔、擴主從動軸孔工序中切削速度較低；而攻M6螺紋工序由于底孔位置有偏差，攻絲速度過快會導致絲錐折斷和螺紋過大，不能采用較高的轉速和進給；鏜主從動軸孔及齒輪室孔工序切削速度已經達到398 m/min，并且該工序采用的Mapal導條式復合鉸刀，切削參數已被刀具廠家設定為最佳，無法更改。所以只能從提高銑安裝平面、擴M6螺紋底孔、擴主從動軸孔工序的切削參數來提高生產效率。

3 TU5JP4機油泵殼體工藝優化

3.1 銑安裝平面工序優化

銑機油泵殼體安裝平面是該平面的最終加工工序，該工序在產品調試階段使用的是Mapal公司的鋁合金面銑刀，最多可裝刀片8片。Mapal原裝的硬質合金刀片，價格約2 000元/片，打刀時損失較大。所以測試階段為了減少打刀的情況，將刀片數量降低為4片，降低意外打刀時的損失。由于油泵殼體是鋁合金材料，加工刀具材料可以選擇硬質合金、金屬陶瓷、PCD等，因金屬陶瓷刀具因脆性較大，抗彎強度和沖擊韌性低，使用受到限制，不適合粗加工，僅用于精加工；而硬質合金刀具和PCD刀具在加工使用中在多數情況是可以相互替換的，在粗加工時應采用不含TiC的無涂層的硬質合金刀具，PCD刀具由于其不同的晶粒尺寸具有更廣泛的應用，可實現高速、高精度、高穩定性加工，而國內對其應用也比較成熟。所以在產品量產后，為降低成本，將Mapal的硬質合金刀片改為國產的PCD刀片[5]，但切削參數未按照PCD刀片進行調整，仍按照硬質合金刀片的切削參數進行生產。現將刀片數量由4片改為8片，按照PCD刀片參數調整，提高轉速至3 500 r/min，提高刀具切削速度至1 374 m/min，提高進給量至1 000 mm/min，刀具結構如圖4所示。

3.2 擴M6螺紋底孔工序優化

機油泵殼體毛坯為鋁合金壓鑄件，為防止螺紋孔內產生縮孔和氣孔，預留了6個螺紋底孔，鑄出的底孔為Φ4的通孔，如圖5所示。由于鑄孔的位置度偏差較大，使用硬質合金鉆頭進行擴孔時其中心和預留孔中心不同心，易出現折斷或出現橢圓孔，最后只能采用高速鋼鉆頭低速加工并允許鉆頭隨底孔導偏?，F在改變毛坯設計，將鑄造的Φ4的通孔改為Φ3的鑄造淺盲孔，如圖5所示，既不至于增加此處的氣孔，又有利于鉆頭一次鉆孔，改善了鉆頭的切削條件，采用整體硬質合金鉆頭加工底孔，并采用ER32-12彈簧夾頭刀柄，其跳動為0.02 mm，經過現場調試，可以將進給量提高到800 mm/min，切削速度提高為47 m/min。

3.3 擴主從動軸孔工序優化

本工序是粗加工，該工序要給精加工鏜孔留出余量，采用的是JT40-ER32-80刀柄見圖6，采用的刀具是長度為70 mm的Φ11.7銑鉸刀，刀具本身跳動0.02 mm，加上裝夾誤差，整體跳動將超過0.05 mm。刀具跳動太大時，高轉速銑刀容易發生嘯叫，影響尺寸精度，導致該工序切削參數無法提高[6]?，F采用液壓刀柄，這種刀柄如擰緊加壓螺栓，可以提高封閉油腔內的油壓，使油腔內壁均勻而對稱地向軸線方向膨脹，起到夾緊刀具的作用。液壓刀柄具有極高的夾持回轉精度，使多刃刀具各切削刃得到均勻使用，在鉆、擴孔切削中有效地減小橫向力，防止發生斷刀。刀具擺差降低至0.003 mm以內，夾持扭矩可達75～150 Nm ，具體參數見表2。通過刀柄的改進后，可以將該工序進給量提高到1 000 mm/min，切削速度提高為113 m/min。

3.4 工藝優化結果分析

通過上述各工序的改進，可以得到改進后的各工序切削參數，通過時間測量可以得到加工后的各工序加工時間并和改進前的加工時間對比，見表3。從表3中可以看到通過改進銑安裝平面、擴M6螺紋底孔、擴主從動軸孔工序的切削參數，減少了擴M6螺紋底孔鉆頭折斷的現象，使總加工時間縮短了134 s，同時減少了兩臺數控加工中心的使用時間，為其他品種的機油泵產品的加工讓出了生產能力。

4 結語

通過對TU5JP4機油泵殼體的加工工序的分析，可以發現銑安裝平面、擴M6螺紋底孔、擴主從動軸孔工序的切削參數有提高空間，所以對上述工序進行了優化，增加了銑安裝平面的刀片的數量；改變了機油泵殼體螺紋底孔毛坯設計和使用硬質合金鉆頭；改擴主從動軸孔工序的JT40-ER32-80刀柄為液壓刀柄；同時提高各工序的進給量和切削速度。經過以上的改進和工藝參數的優化，使加工時間縮短了134 s，為該公司其他鋁合金殼體件殼體加工提供了改進和優化的方向。

參考文獻：

[1] 曾慶生，楊毅，王湘江.轉子式機油泵多學科優化設計[J].內燃機工程，2009，10：73-77.

[2] 童寶宏，桂長林，陳華等.發動機機油泵供油特性的神經網絡建模[J].內燃機學報，2007，25（3）：265-270

[3] 武關萍，翟建軍，廖文和.數控加工切削參數優化研究[J].中國機械工程，2004，3：235-237.

[4] 吳軍，鄭小軍.高速銑削工藝優化研究在數控加工中的應用[J].機械設計與制造，2012，7：90-92

[5] 張自平.鋁合金薄壁件高速銑削加工工藝優化[D].吉林大學，2006

[6] 付敏.高速銑削鋁合金加工技術的研究[D].哈爾濱理工大學，2004.