提升缸體主軸承結合面寬度加工能力案例淺析

吳勇

摘 要 本文針對缸體某條生產線部分機型主軸承蓋結合面寬度加工能力低的問題提出相關解決方案，以實際生產數據為研究基礎，然后通過關聯圖解法，尋找到各個潛在的末端因素，逐一驗證，分析出問題的癥結之處。以缸體主軸承蓋結合面的加工工藝為起點，提出適用于大批量柔性生產線上工藝優化的方案，第一步利用錐度補償原理解決結合面寬度傾斜問題，第二步優化刀具切削路徑解決寬度波動范圍大問題，最終提升缸體主軸承結合面寬度的加工能力，獲得更穩定的加工質量，降低發動機運行過程中故障率的風險。

關鍵詞 缸體 主軸承蓋結合面 錐度補償 切削路徑 加工能力

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A

0緒論

眾所周知，發動機缸體曲軸孔是發動機缸體制造加工過程中較為關鍵和復雜的工藝之一，然而在加工缸體曲軸孔的前提是作為軸瓦載體的主軸承蓋子與缸體主軸承蓋結合面之間能夠保證精密的配合。由于主軸承蓋結構承載著曲柄連桿機構往復運動所施加的交變載荷，主軸承蓋結構的疲勞強度直接影響著缸體的使用壽命，主軸承蓋與缸體良好的配合能實現曲軸回轉運動過程中平穩性，使曲軸運轉時不會存在串動、跳動等不利于發動機正常運行的現象。

如圖1為某型號缸體與五檔主軸承蓋裝配圖，圖2為單個蓋子與缸體裝配示意圖，（1）發動機缸體；（2）主軸承蓋子；（3）連接螺栓；（4）曲軸孔；L為主軸承蓋結合面寬度。為了保證裝配軸承蓋后曲軸孔質量，采用缸體與軸承蓋兩側過盈配合的設計，配合尺寸和公差為100h8/h6。這種配合方式能減小在曲軸孔加工過程中軸承蓋的振動，能提高在重復裝配時曲軸孔質量的穩定性。

現有的發動機缸體與曲軸裝配順序為，在機加工線內缸體加工完主軸承蓋結合面后安裝主軸承蓋子，用螺栓擰緊，然后通過精密設備完成曲軸孔的加工。然后在裝配線內以缸體為基體，將主軸承蓋子拆下后再裝入軸瓦和加工好的曲軸，最后再將之前拆下的主軸承蓋子重新裝上。從這個裝配過程中不難發現，如果缸體與主軸承子之間不能保證正確的過盈配合，蓋子經過重復拆裝后很可能因為蓋子與缸體結合面之間存在臺階導致曲軸抱死等現象。

缸體主軸承蓋結合面寬度的加工質量是保證缸體與主軸承蓋子過盈配合的基礎，本文從提高主軸承蓋結合面寬度加工質量的穩定性和可靠性出發，尋找主軸承蓋寬度加工能力不穩定的工藝原因，分析出適用于柔性生產線上大批量制造穩定的發動機缸體主軸承蓋結合面寬度質量控制的工藝優化策略。

1加工現狀描述

1.1工藝要求

對于缸體主軸承蓋結合面的加工，現有生產線上采用德國進口的全自動臥式數控加工中心加工，與其他專機方案相比相比，具有加工成本低、效率高、易維護等優勢。

現有加工工藝分為兩步，第一步在粗加工單元粗銑，第二步在精加工單元進行精銑，并利用在線marposs測頭對精銑后寬度進行補償加工和調整。由于粗銑余量分配多，公差范圍較大，加工均能滿足要求，不存在質量問題，故在此對粗銑加工不做詳述。

1.2生產質量現狀

在現有大批量柔性生產線上本工廠主要利用統計質量控制（SPC）法監控制造過程質量，根據要求按規定的抽檢頻次進行測量，生成相應數據，然后工程師分析數據后采取相應的控制和預防措施。

根據GM制造系統要求，為保證產品的質量，在進入批量生產制造前，需要對設備的固有加工能力進行分析，確認設備本身能力可達到預期的加工穩定性，機床各階段能力如圖3所示。只有當Ppk值達到預期才能保證后期運行時質量的穩定性，在Ppk值達標后通過后期人為干預和系統修正保證Cgk值≥1.33時則產品合格率方可≥99.9937%。

工廠現場實際抽檢QDAS數據統計時，其中超出公差范圍后現場會立即復檢決定是否是批量問題，復檢數據未正常生成數據，僅供分析用。現有缸體主軸承蓋結合面寬度加工能力值Ppk僅為0.54，按照分布計算合格品率僅為95.45%，存在很大的質量風險。

2問題分析

2.1分析數據

對于現場加工能力低的問題，現場的直接質量表現應為CMM測量超差次數頻繁。為了找到問題根源，對現場測量數據進行歸類分析，找到問題癥結所在。統計缸體生產線主軸承蓋寬度測量超差次數，對測量超差情況進行分析，發現缸體主軸承蓋結合面寬度過程能力低的主要癥結體現為兩類問題：（1）寬度傾斜；（2）寬度過大/過小（寬度值波動大）。

2.2原因分析

如圖4為問題原因分析關聯圖，針對問題的兩大癥結，分析所有可能的潛在相關原因。此處采用關聯圖法是考慮到機床的實際加工年齡影響，排除了環境等外因的干擾，結合現場各部門資深員工的分析，得出9個末端因素：（1）坐標系補償調整不及時；（2）程序補償方式不合理；（3）測頭重復性精度不好；（4）主軸拉刀力不足；（5）傳動絲杠磨損；（6）夾具主夾緊力不足；（7）定位孔直徑小/位置度超；（8）#299定位面加工傾斜；（9）刀具加工路徑不合理。

2.3要因確認

在確認問題要因時均采用數據收集和前后對比等直觀的方法來判斷。坐標系補償不及時方面，利用現場CMM員工描繪的趨勢圖來判斷現場員工的執行力；程序補償方式不合理方面，通過更改測頭補償方式前后對比驗證；測頭重復精度不好方面，利用不同測頭對不同機床的零環進行重復性測量精度對比驗證，分析測頭精度數據；主軸拉刀力可以通過維修部門定期檢查的數據判斷；傳動絲杠磨損方面直接通過更換新絲杠對比前后效果；夾具主夾緊力直接通過現場實際測量確認結果；前工序定位銷孔的直徑和位置度通過抽檢QDAS數據分析有無異常；定位面是否傾斜也可通過大量QDAS數據分析判斷；刀具加工路徑是否合理，通過更改不同的加工路徑對比前后效果驗證。經過長時間生產數據和設備部件檢查，最終找到2個要因，即程序補償方式不合理和刀具加工路徑不合理。其他非要因確認過程不在此進行贅述。endprint

3工藝優化分析

3.1程序補償方式優化

現有程序里存在測頭補償參數，直接彌補寬度上的整體差異，同時利用錐度補償參數調整五檔整體寬度成比例變化。但此種補償方式并不能從根本上解決五檔之間的錐度，由于機床其他系統因素的影響，會存在五檔軸承蓋中某一檔或多檔與整體不成比例，此時便無法完全滿足五檔主軸承蓋寬度均在公差要求中值。

針對現有程序補償方式的缺陷，對現有的CNC補償程序進行修改驗證，取消錐度補償，增加五個獨立變量分別控制五個檔的寬度。更改補償方式后驗證跟蹤一個月主軸承蓋五檔寬度的錐度，五檔之間錐度得到消除，至此主軸承蓋結合面寬度傾斜的問題得到解決。

3.2刀具加工路徑優化

分析主軸承蓋的刀具加工方式，該銑刀設計于同時加工主軸承蓋安裝結合面#961和寬度#962，采用 76銑刀，從上至下先加工一側，再從下至上再加工另一側，而由于現有刀具存在左右旋向差異，即同樣的路徑會存在順銑和逆銑兩種方式，現場由于為節省刀具管理成本，在生產線模塊一使用左旋刀具，模塊二使用右旋刀具，再根據刀具路徑分析出模塊一加工方式為逆銑加工，而模塊二為順銑加工。

根據多種刀具路徑驗證數據發現，多臺機床對順銑方式加工出來質量表現更穩定，更改刀具加工路徑驗證。根據本廠實際生產數據來看，現有刀具在目前機床加工精度的情況下，順銑加工對于零件表面加工質量更好，寬度也更穩定，最終將各臺機床刀具方式路徑優化成順銑方式解決波動大問題。同時跟蹤刀具磨損方面沒有變化，表面加工質量改善良好，達到驗證效果。

4效果跟蹤

各有效措施逐步開展并完成，措施實施后缸體線主軸承蓋寬度加工頻繁超差問題得到解決，主軸承蓋寬度過大、寬度過小、寬度傾斜等問題的超差問題大幅度減少，測量合格率顯著提升。從加工能力的角度來看，缸體主軸承蓋結合面寬度的過程能力逐步提高。措施全部實施以后主軸承蓋寬度的過程能力Ppk穩定在1.33以上，如圖5所示，達到批量制造階段的加工能力要求。

5總結

本文針對關鍵特征發動機缸體主軸承蓋結合面寬度加工能力低的問題提供一種清晰的解決思路，對于設備本身制造的能力未考慮在內，例如機床導軌磨損、伺服反饋精度等的影響都不可忽略，此文并未展開闡述。這里僅從工藝方面進行部分優化，達到一種較為理想的效果，可行性高，實施成本低，且效果顯著。對于發動機機加工線制造過程中其他復雜的問題解決具有一定的指導意義。

參考文獻

[1] 劉洪德.主軸承蓋結構優化設計[J].機械工業出版社，1977.

[2] 趙同銘.基于統計質量控制的發動機缸體曲軸孔加工優化策略[J].裝備制造技術，2012.endprint