缸蓋凸輪軸孔加工精度分析及工藝優(yōu)化?

王麗娜

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津300350)

汽缸蓋為發(fā)動機(jī)核心零件，加工工藝復(fù)雜，精度要求高，直接影響發(fā)動機(jī)性能和壽命，故發(fā)動機(jī)缸蓋的加工質(zhì)量至關(guān)重要。凸輪軸孔精度保證和表面質(zhì)量控制為缸蓋加工過程中的難點(diǎn)，凸輪軸孔精度不合格將導(dǎo)致凸輪軸抱死，影響發(fā)動機(jī)動力學(xué)性能。

某直列四缸發(fā)動機(jī)缸蓋(如圖1所示)為鋁合金(材料為AlSi7Cu0.5Mg0.3)，其凸輪軸孔為五檔臺階孔，長徑比達(dá)18，屬典型的深孔加工，孔精度要求較高，如表1所示。

表1 某缸蓋凸輪軸孔加工精度要求

凸輪軸孔為典型細(xì)長孔，對同軸度、圓柱度及表面粗糙度要求很高。缸蓋安裝瓦蓋后，凸輪軸瓦蓋為壁厚較薄的半圓柱零件，且瓦蓋上設(shè)計有用于潤滑的溝槽，安裝瓦蓋后凸輪軸孔的加工過程為不連續(xù)切削，如何保證表面質(zhì)量及生產(chǎn)節(jié)拍為加工時的一大難題。

1 凸輪軸孔加工工藝及存在問題

缸蓋為鋁制薄壁工件，加工過程中變形量大，工藝設(shè)計上通常選用高效的加工設(shè)備和高速切削刀具進(jìn)行加工。

傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)缸蓋凸輪軸孔加工工藝是選用細(xì)長鏜桿鏜削加工。因細(xì)長鏜桿剛性較差，加工后常出現(xiàn)凸輪軸孔同軸度差、位置度差、孔徑尺寸分散、粗糙度差、黑皮等問題，直接影響發(fā)動機(jī)的性能。因此如何保證凸輪軸孔的加工精度及表面質(zhì)量是缸蓋生產(chǎn)制造中的關(guān)鍵難題。

隨著發(fā)動機(jī)性能不斷優(yōu)化，凸輪軸孔加工精度及表面質(zhì)量要求大大提高，需不斷優(yōu)化工藝以滿足凸輪軸孔的技術(shù)要求。目前發(fā)動機(jī)主機(jī)廠多采用整體式鏜刀加工凸輪軸孔。

1.1 加工工藝

通過對圖紙分析及總結(jié)生產(chǎn)經(jīng)驗，凸輪軸孔加工過程中主要在保證方凸輪軸的精度及表面質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)適用度。

凸輪軸孔經(jīng)粗加工后，進(jìn)排氣側(cè)及后端大外蓋凸輪軸孔直徑均為26 mm，加工過程需要T01到T05五把刀具完成加工。

如圖2、圖3所示，T01刀具完成引進(jìn)排氣側(cè)第一檔引導(dǎo)孔及第五檔半精加工至?28 mm，并將后端大瓦蓋加工至?29 mm、孔口倒角加工至?30.16 mm。

如圖4、圖5所示，T02刀具將E2/E3/E4/I2/I3/I4檔直徑加工至?28 mm。

如圖6、圖7所示 T03刀具將 E5/I5檔及引導(dǎo)孔加工至?28.5 mm，加工后的孔為進(jìn)排氣測凸輪軸孔精鏜刀的引導(dǎo)孔。

如圖8所示，T04刀具將排氣側(cè)凸輪軸孔E1～E5檔加工至成品?29H10 mm，大瓦蓋孔加工至成品?30.16 mm。

如圖9所示，T05刀具將進(jìn)氣側(cè)凸輪軸孔I1～I(xiàn)5檔加工至成品?29 mm。

因進(jìn)排氣側(cè)凸輪軸孔存在差異，排氣側(cè)增加一檔大瓦蓋，且大瓦蓋與前端五檔同軸度要求為0.03 mm，故加工進(jìn)排氣側(cè)凸輪軸孔采用兩把細(xì)長刀具分別加工進(jìn)氣側(cè)、排氣側(cè)全部凸輪軸孔。T04/T05刀具為知名刀具公司制造，為復(fù)合整體式鏜刀，刀桿設(shè)計有硬質(zhì)合金導(dǎo)向條以保證加工精度，PCD刀片鑲嵌于刀桿上，所有刀片均可以軸向和徑向調(diào)整。

1.2 加工過程出現(xiàn)問題

凸輪軸孔加工過程中精度和表面質(zhì)量問題較多，部分問題頻繁發(fā)生，直接影響產(chǎn)品合格率和制造成本。以下為該類型缸蓋生產(chǎn)過程中凸輪軸孔加工出現(xiàn)的典型問題:

(1)凸輪軸孔同軸度不合格，加工表面完好。

(2)凸輪軸孔同軸度合格，缸蓋下緣半圓孔無劃傷，瓦蓋半圓孔有劃傷。

(3)凸輪軸孔同軸度超差，表面存在劃傷、黑皮等缺陷。

使用上述加工工藝加工該機(jī)型凸輪軸孔后，存在劃傷、同軸度超差等問題，且表面粗糙度較差。

2 影響凸輪軸孔加工質(zhì)量因素分析

自該缸蓋投入批量生產(chǎn)以后，針對上述凸輪軸孔加工過程中出現(xiàn)的問題，從人、機(jī)、料、法、環(huán)等5個方面(圖10)進(jìn)行分析、改善、試驗、觀察和提出最終解決措施，以提高凸輪軸孔的加工精度和表面加工質(zhì)量。

2.1 人為因素的影響

凸輪軸孔加工過程中涉及人為操作的過程有:工件上下料過程、刀具調(diào)整過程、工件測量過程。下面從這3個方面分析人為因素對凸輪軸孔加工精度及表面質(zhì)量影響。

(1)生產(chǎn)線操作者均為經(jīng)工藝人員培訓(xùn)考察后，具備操作能力后上崗，且操作過程中需完全按照作業(yè)指導(dǎo)書執(zhí)行。該缸蓋機(jī)加工生產(chǎn)線凸輪軸孔加工工序為桁架機(jī)械手自動上下料，無需人工操作，故與操作人員無關(guān)。

(2)刀具調(diào)整需人工更換、調(diào)整刀片，刀具調(diào)整人員均經(jīng)過上崗培訓(xùn)，已掌握刀具調(diào)整方法。通過檢查刀具調(diào)整操作指導(dǎo)書發(fā)現(xiàn)，調(diào)刀過程中調(diào)刀人員僅用肉眼觀察刀片是否完整，而加工凸輪軸孔關(guān)鍵鏜刀為PCD刀片，PCD刀片具有晶相排列規(guī)則的特點(diǎn)，出現(xiàn)微小瑕疵時肉眼不易發(fā)現(xiàn)。因此在調(diào)刀作業(yè)指導(dǎo)書中規(guī)定裝刀前對刀片利用放大鏡進(jìn)行檢測，以保證刀片合格。

(3)工件凸輪軸孔跳動及直徑測量為人工將工件放置于專用檢具工裝進(jìn)行檢測，檢具放到凸輪軸孔測量，且反復(fù)測量兩次氣電檢具自動采集數(shù)據(jù)后輸出測量結(jié)果；位置度、同軸度等由三坐標(biāo)測量完成，為自動測量過程，且每日測量前對探針進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)以上分析可排除人為因素對測量過程產(chǎn)生的影響。

2.2 設(shè)備對加工過程的影響

對刀具更換全新合格刀片后，凸輪軸孔仍存在之前的問題。此時對機(jī)床精度進(jìn)行排查，對主軸跳動及Z軸行程直線度進(jìn)行檢測。從表2中可以看出，主軸的跳動及直線度合格。

表2 加工中心主軸跳動及工軸行程直線度數(shù)值

加工中心主軸的Z軸行程直線度是影響加工孔的軸線與基準(zhǔn)獲得平行度的最大因素，且精加工凸輪軸孔刀具為刀桿帶導(dǎo)向條刀具，加工時導(dǎo)向條起到導(dǎo)向作用可對機(jī)床主軸和刀具的行程直線度進(jìn)行修正。在加工過程中，如圖11所示排氣側(cè)凸輪軸孔Y方向的坐標(biāo)反復(fù)變化，且 E1檔與E5檔Y方向坐標(biāo)值相差校多，導(dǎo)致排氣側(cè)凸輪軸孔的同軸度較差，且排氣側(cè)頻繁出現(xiàn)劃傷現(xiàn)象較進(jìn)氣側(cè)多一些。

對加工排氣側(cè)凸輪軸孔刀具T04精鏜刀軸向進(jìn)給行程進(jìn)行跳動測量，經(jīng)測量遠(yuǎn)端跳動為8 μm，近端跳動為2 μm，故排除因刀具跳動原因?qū)е屡艢鈧?cè)凸輪軸孔同軸度不合格。

排除刀具原因后，對加工中心夾具進(jìn)行檢測。如圖12所示為加工凸輪軸孔夾具，及發(fā)動機(jī)缸蓋在加工中心中加工的工件姿態(tài)。對夾具工作臺分別在0°、90°、180°、270°測量工作臺面左右側(cè)高度，結(jié)果如表3所示。經(jīng)測量夾具工作臺放置工件進(jìn)排氣側(cè)高度差異最大為0.034 mm，差異較小，在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，故夾具工作臺高度不存在問題，不是造成凸輪軸孔傾斜的原因。

表3 夾具進(jìn)排氣側(cè)工作臺高度數(shù)值測量表 mm

下一步對夾具定位支撐塊進(jìn)行測量，以分析是否由于定位支撐塊高度不一致的問題導(dǎo)致排氣側(cè)凸輪軸孔傾斜嚴(yán)重，凸輪軸孔同軸度及位置度超差。如圖13所示，定位支撐塊1用于支撐進(jìn)氣側(cè)后端定位支撐塊2用于支撐進(jìn)氣側(cè)前端定位支撐塊3用于支撐排氣側(cè)前端，這位支撐塊4用于支撐排氣側(cè)后端。

測量各定位支撐塊端面高度及定位支撐塊下端墊片厚度如表4所示。根據(jù)測量結(jié)果分析，定位支撐塊高度最多相差0.088 mm，且為1＃、2＃定位支撐塊，為缸蓋凸輪軸孔排氣側(cè)所處位置，與上述凸輪軸孔傾斜方向一致。故定位支撐塊高度為造成凸輪軸孔傾斜、同軸度超差的一個原因。

根據(jù)測量結(jié)果對墊片進(jìn)行調(diào)整，以保證加工后凸輪軸孔同軸度合格。將2＃墊片高度調(diào)整為4.94 mm，3＃墊片高度調(diào)整為4.91 mm。調(diào)整墊片后測量4個定位支撐塊高度差小于0.02 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 定位支撐塊高度及墊片厚度值 mm

表5 調(diào)整墊片后排氣凸輪軸孔Y向尺寸

調(diào)整墊片后加工3件缸蓋凸輪軸孔，測得凸輪軸孔各孔位位置坐標(biāo)如表5所示。對墊片調(diào)整后，排氣側(cè)凸輪軸孔同軸度良好，五檔凸輪軸孔Y向尺寸偏差小于0.02 mm。故通過調(diào)整定位支撐面高度，解決了排氣側(cè)凸輪軸孔同軸度較差的問題，但進(jìn)排氣側(cè)凸輪軸孔仍存在劃傷還需分析其他原因。

2.3 加工工藝方法優(yōu)化

通過對上面各項的分析及改善，連續(xù)加工3件工件后，進(jìn)排氣側(cè)凸輪軸孔同軸度有明顯改善，凸輪軸孔的加工精度有了很大提升。但凸輪軸孔表面加工質(zhì)量仍較差，仍存在劃傷現(xiàn)象。故需考慮加工工藝方案是否存在問題，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量較差。

對原凸輪軸孔加工工藝方案進(jìn)行如下分析:原加工工藝為將缸蓋進(jìn)排氣側(cè)后端第一檔加工至?28.5 mm、排氣側(cè)大瓦蓋孔加工為?29.5 mm，精鏜刀精加工排氣側(cè)時以大瓦蓋孔為支撐加工后端第一檔、后端第一檔加工至成品后依次以后面檔位支撐加工前面檔位，實際加工過程中大瓦蓋孔直徑為29.5 mm而刀桿導(dǎo)向直徑為29 mm(圖14)。故分析得出加工第一檔時無導(dǎo)條支撐，容易出現(xiàn)振刀現(xiàn)象，直接影響凸輪軸孔的加工效果；同理精加工進(jìn)氣側(cè)凸輪軸孔時，以后端進(jìn)氣半圓孔為支撐加工后端第一檔，后端第一檔加工至成品后依次以后面檔位支撐加工前面檔位，實際加工時半圓孔直徑為29 mm且刀桿導(dǎo)向直徑為29 mm，但導(dǎo)條支撐部分過少，無法完全起到支撐作用，故加工效果不理想。

為解決凸輪軸孔劃傷、黑皮及圓度差等問題，在前述凸輪軸孔加工工藝方案上進(jìn)行優(yōu)化。參考其他缸蓋制造廠家凸輪軸孔的加工工藝進(jìn)行分析，為避免進(jìn)排氣孔精加工時產(chǎn)生震動且保證導(dǎo)條起到制成作用，故在精加工進(jìn)排氣凸輪軸孔時將后端面第一檔引導(dǎo)孔加工至成品尺寸。優(yōu)化后的加工工藝方案如下所述。

原T01、T02刀具加工內(nèi)容及尺寸不變，仍將進(jìn)排氣側(cè)1～5檔均加工至29 mm，排氣側(cè)后端大瓦蓋直徑加工至29.5 mm；將原T03刀具進(jìn)行更改，直接將進(jìn)排氣側(cè)后端第一檔引導(dǎo)孔直徑加工至29 mm，將排氣側(cè)大瓦蓋直徑加工至成品尺寸30.16 mm；進(jìn)排氣側(cè)凸輪軸孔選用一把全新精鏜刀T04完成精加工，將進(jìn)排氣側(cè)2～4檔凸輪軸孔直徑加工至成品尺寸29 mm。更改后T03、T04刀具結(jié)構(gòu)及尺寸如圖15、16所示。

采用優(yōu)化后的加工工藝方案加工凸輪軸孔，加工后無劃痕、黑皮等發(fā)生，且圓度、同軸度等精度均有很大提升。工藝優(yōu)化后整體方案減少1把精鏜刀，加工過程中減少換刀時間有效的提高了生產(chǎn)效率，降低制造成本，減少刀具調(diào)整時間

3 結(jié)語

凸輪軸孔加工是缸蓋加工流程中的難點(diǎn)，其質(zhì)量缺陷會直接導(dǎo)致凸輪軸抱死，影響發(fā)動機(jī)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)性能。針對某機(jī)型缸蓋凸輪軸孔加工過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，從人機(jī)料法環(huán)5個方面進(jìn)行分析，重點(diǎn)剖析現(xiàn)有加工工藝方案存在的問題，對刀具方案進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后無劃傷、黑皮、位置度超差等現(xiàn)象發(fā)生。且工藝優(yōu)化后整體方案減少1把刀具，加工過程中減少換刀時間，有效的提高了生產(chǎn)效率，降低制造成本，減少刀具調(diào)整時間。