淺談汽車發(fā)動機制造企業(yè)的刀具應(yīng)用管理

陳承銳

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州545005）

0 引言

隨著汽車行業(yè)競爭的日趨激烈，發(fā)動機作為汽車的動力之源，成為各汽車廠、車型在市場角逐的核心競爭力。發(fā)動機重要零部件的制造涉及新材料、刀具和CNC機床的應(yīng)用、精確檢測等技術(shù)。其中，刀具選擇和先進的應(yīng)用管理對于提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本和提升產(chǎn)品品質(zhì)有著重要影響。

如何正確合理地選擇使用和應(yīng)用管理刀具已成為汽車發(fā)動機制造企業(yè)非常關(guān)注的問題。本文結(jié)合柳州五菱柳機動力有限公司機加工廠缸體、缸蓋加工制造中刀具應(yīng)用實例，從刀具選擇和應(yīng)用管理來闡述刀具管理在發(fā)動機制造企業(yè)中發(fā)揮的重要作用。

1 汽車發(fā)動機制造企業(yè)刀具應(yīng)用的發(fā)展趨勢

開展刀具應(yīng)用管理方法的最終目的是降本、增效、提質(zhì)，即通過刀具全生命周期管理，逐步建立刀具管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)刀具、人員、設(shè)備等資源的全面優(yōu)化。國際主流汽車發(fā)動機制造企業(yè)刀具管理，首先技術(shù)部門必需具有針對產(chǎn)品的刀具方案規(guī)劃能力；其次以強大的刀具系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如針對產(chǎn)品或生產(chǎn)線的刀具種類、型號、壽命、消耗、質(zhì)量、成本和效率分析等一系列技術(shù)數(shù)據(jù)，作為新產(chǎn)線刀具方案制定的依據(jù)；同時，刀具系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的合理應(yīng)用使整個汽車集團內(nèi)的刀具數(shù)據(jù)實現(xiàn)互聯(lián)、互通，形成有效的生產(chǎn)廠或生產(chǎn)線刀具考核機制、刀具供應(yīng)商評價機制。

2 刀具的選擇

2.1 標(biāo)準(zhǔn)刀具

五菱柳機機加工廠，在發(fā)動機缸體、缸蓋機加工中應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)刀具主要是加工工件上各個面（包括頂面、底面、前面、后面、左面、右面、主軸承蓋結(jié)合面、止推面和油封面等）的面銑刀類刀具和加工各種孔系（包括銷孔、螺紋孔、油道孔和水道孔等）的孔加工類刀具。

對于缸體和缸蓋大平面的粗、精加工和缸體、缸蓋重要密封面的精加工，盡量選用大直徑（如φ125 mm、φ200 mm、φ250 mm和φ315 mm或更大直徑）的標(biāo)準(zhǔn)面銑刀。對于缸體、缸蓋左面、右面和一些小平面的粗、精加工，則選用 φ100 mm、φ80 mm、φ63 mm和φ32 mm直徑標(biāo)準(zhǔn)的面銑刀。大功率粗加工面銑刀選用大進給、疏齒結(jié)構(gòu)，以提高生產(chǎn)效率；小功率精加工面銑刀選用小進給、密齒結(jié)構(gòu)帶修光刃，以提高表面粗糙度。盡量選用可轉(zhuǎn)位的符合ISO標(biāo)準(zhǔn)（或是企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）的刀片，材質(zhì)可以選用硬質(zhì)合金、立方氮化硼（CBN）、陶瓷或金剛石（PCD）。在滿足要求的前提下，刀片盡量選擇相同的型號規(guī)格，以方便管理和儲備庫存。例如：五菱柳機機加工廠銑刀片的選擇就充分考慮標(biāo)準(zhǔn)刀片通用性的原則，469/479缸蓋線缸蓋底面、頂面、左面、右面的粗銑和精銑刀片選用的是型號相同的ISO標(biāo)準(zhǔn)PCD刀片，469/479缸體的底面、頂面、前端、后端精銑刀片選用的是型號相同的ISO標(biāo)準(zhǔn)CBN刀片，469/479缸體的左側(cè)、右側(cè)、主軸承蓋結(jié)合面精銑刀片選用的是型號相同的標(biāo)準(zhǔn)陶瓷刀片。另外，在選擇面銑刀盤時，盡量選擇刀具調(diào)整和測量不需要特殊工具和儀器裝置的標(biāo)準(zhǔn)銑刀盤。

發(fā)動機缸體和缸蓋上的孔系主要包括三大類，即螺紋孔系、銷孔系、水道孔和油道孔系。其中，螺紋孔的加工工藝是先鉆螺紋底孔再攻螺紋；銷孔的工藝是先鉆底孔再鉸或鏜銷孔；水道孔和油道孔大多是深孔，對于深孔加工一般要先預(yù)鉆引孔再鉆深孔。對于粗加工的鉆頭、小直徑的擴刀和立銑刀，如果加工鑄鐵件，應(yīng)盡量選用帶內(nèi)冷和涂層并且可重磨的整體硬質(zhì)合金刀具；如果加工鋁合金件，則盡量選用帶內(nèi)冷、可重磨的整體式或焊接式硬質(zhì)合金刀具。對于精加工鉸刀或鏜刀，如果加工鑄鐵件，應(yīng)盡量選用帶內(nèi)冷和涂層并且可重新修磨的整體式硬質(zhì)合金鉸刀或可轉(zhuǎn)位的焊接CBN刀片；如果加工鋁合金件，則盡量選擇帶內(nèi)冷的焊接PCD鉸刀或采用可轉(zhuǎn)位的焊接PCD刀片。對于絲錐，如果加工鑄鐵件，應(yīng)選用帶內(nèi)冷和涂層的硬質(zhì)合金切削絲錐；如果加工鋁合金件，M8以下的螺紋孔盡量選擇擠壓絲錐，M8以上的螺紋孔盡量選擇切削絲錐[1]。

2.2 非標(biāo)刀具

對于現(xiàn)代化的發(fā)動機缸體、缸蓋加工生產(chǎn)線都會采用多種機型的柔性生產(chǎn)線，為了提高通用性，刀體應(yīng)盡可能選用分體式或是模塊式快換結(jié)構(gòu)，刀片盡可能采用符合ISO標(biāo)準(zhǔn)（或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）的刀片。除個別精加工刀具首次調(diào)整需在機床上完成外，盡量選擇能夠?qū)崿F(xiàn)線外調(diào)整和測量，且無需特殊工具和儀器裝置的刀具結(jié)構(gòu)。精加工非標(biāo)鏜刀類刀具結(jié)構(gòu)的選擇要從長期使用調(diào)整的方便性、穩(wěn)定性及加工成本等方面考慮，一般初期投入都較高，但加工穩(wěn)定性好。

下面以五菱柳機機加工廠發(fā)動機缸體的主軸承孔和缸蓋的氣門閥座導(dǎo)管孔加工為例，來闡述非標(biāo)精加工刀具的選擇原則。

（1）缸體主軸承孔加工

主軸承孔的加工工藝分三步：粗鏜（裝主軸承蓋前）—半粗鏜（裝主軸承蓋后）—精鏜。主軸承蓋合裝前的主軸承孔粗鏜刀選用刀桿和模塊式鏜頭（如圖1），刀片選用標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金刀片，因5個主軸承孔的鏜孔距離長，采用同時兩頭鏜的方式進行。在主軸承孔直徑相差不大的前提下，更換鏜頭，可滿足不同機型的加工。

圖1 粗鏜主軸承孔鏜刀

主軸承蓋合裝后的主軸承孔半精鏜選用了工件不能旋轉(zhuǎn)180°的數(shù)控專機設(shè)備，5個主軸承孔的鏜孔距離長，采用鏜模座（中心架）支承[2]，選用“拉鏜”式刀具鏜削（如圖2），用5個鏜刀頭同時鏜削，提高生產(chǎn)效率。主軸承蓋合裝后的半精加工要注意控制好鏜刀頭壽命，刀頭磨損太嚴(yán)重容易導(dǎo)致后面主軸承孔的精鏜刀加工不穩(wěn)定，引起曲軸孔同軸度、位置度等超差和孔起線。

圖2 半精鏜主軸承孔“拉鏜”刀

主軸承孔的精鏜通常由導(dǎo)條鏜刀（粗鏜2刃、半精鏜1刃、精鏜1刃）來完成，一長一短配合使用，短刀加工4、5檔，長刀加工1、2和3檔（如圖3）。刀柄和刀體通過凸緣連接保證刀具相對主軸的最佳跳動控制，刀體上的導(dǎo)條起到導(dǎo)向和修光的作用，通過調(diào)整刀片相對導(dǎo)條的直徑（OH）來保證主軸承孔的尺寸精度，調(diào)整刀片相對導(dǎo)條的斜度(背錐)保證表面粗糙度。

圖3 精鏜主軸承孔導(dǎo)條鏜刀

（2）缸蓋氣門閥座導(dǎo)管孔加工

缸蓋氣門閥座底孔喉口處的粗加工刀具是焊接式成型刀，氣門閥座導(dǎo)管底孔的精鉸采用整體焊接式硬質(zhì)合金復(fù)合鉸刀。座圈非氣門密封角度的精鏜和導(dǎo)管的精鉸引孔通常復(fù)合在一把刀具上（一般引孔小Φ0.07～0.08 mm），座圈氣門密封角度的精鏜和導(dǎo)管的精鉸也通常復(fù)合在一把刀具上。以479進氣側(cè)氣門閥座加工為例，氣門閥座座圈的第一次精鏜包括2個角度120°/60°（單刀片）和導(dǎo)管引孔，氣門閥座座圈的這2個角度靠刀具本身的修磨角度來保證，刀片正常磨損后可刃磨重復(fù)使用，導(dǎo)管引孔精鉸采用焊接式PCD單刃鉸刀（如圖4），焊接式鉸刀正常磨損后可進行刃磨重復(fù)使用，降低了刀具成本。氣門閥座座圈的第二次精鏜氣門密封角度90°（單刀片）和導(dǎo)管孔，導(dǎo)管精鉸采用可調(diào)式PCD單刃鉸刀（如圖5），可調(diào)整工件的孔徑，更好地保證孔徑和密封面/導(dǎo)管孔同軸度工藝要求。

圖4 氣門閥座導(dǎo)管引孔鉸刀

圖5 氣門閥座導(dǎo)管鉸刀

3 刀具的應(yīng)用管理

3.1 刀具的使用壽命管理

刀具的全壽命周期包括采購期、使用期和報廢期，刀具的全壽命周期管理是指滿足生產(chǎn)制造需求的前提下，以刀具成本為主線，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)營效益分析，包括刀具的選用和組合、采購、入庫、出庫、使用、回收、修磨和報廢[3]。本文談?wù)摰氖堑毒呤褂闷冢诘毒呤褂闷谥饕M行刀具庫存管理、刀具工藝管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、刀具現(xiàn)場管理等。刀具庫存管理主要對刀具的出入庫和回收進行管理，以保證生產(chǎn)現(xiàn)場刀具使用的安全庫存量，并及時將庫存信息反饋給工藝技術(shù)員，輔助工藝技術(shù)員決策；反饋給采購人員，及時采購刀具。刀具工藝管理主要面向工藝技術(shù)員，通過提供刀具參數(shù)信息，輔助現(xiàn)場編程人員制定走刀路線和切削參數(shù)的加工編程；與刀具供應(yīng)商保持技術(shù)交流、溝通，支持現(xiàn)場使用刀具優(yōu)化選用，并對刀具圖紙進行管理。刀具基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理是刀具全壽命周期管理中最基礎(chǔ)的一個環(huán)節(jié)，它通過對刀具基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理和維護，來推動其他環(huán)節(jié)的有效運行，刀具的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括：刀具型號、刀具基本參數(shù)、刀具幾何參數(shù)、刀具組件參數(shù)、設(shè)備參數(shù)和使用壽命等。刀具現(xiàn)場管理主要通過生產(chǎn)計劃、工作時間、產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍來制定刀具需求量，配刀室進行備貨，調(diào)刀工提前配刀備用（一用一備：設(shè)備加工使用1套，現(xiàn)場刀具柜備用1套），減少刀具準(zhǔn)備時間，提高生產(chǎn)效率；通過現(xiàn)場操作工對刀具的使用信息、設(shè)備加工信息、工件加工信息的反饋，分析刀具加工性能，并完善刀具使用壽命信息，更精確及時更換刀具，保證產(chǎn)品質(zhì)量和避免刀具磨損受力斷裂。

3.2 刀具切削程序的管理和參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

工件的加工程序，因個人的思維習(xí)慣不同，編寫的加工程序會有較大差異，為了便于管理，對加工程序進行統(tǒng)一管理，由工藝程序員專人負(fù)責(zé)。熟悉零件圖紙，清楚機床特性和夾具定位、夾緊要求，制定合理的工藝路線，選擇合適的刀柄、刀具、切削參數(shù)、切削用量，形成一套標(biāo)準(zhǔn)的刀具加工切削程序，同時對切削程序進行備份。日常加工中由專人進行切削程序的優(yōu)化，新刀具、新材料、新工藝、新設(shè)備、新工裝的試加工驗證，減少過多人員調(diào)整切削程序而造成的質(zhì)量問題、刀具損壞等不良情況。生產(chǎn)班組只負(fù)責(zé)在更換刀具時，進行刀補的微調(diào)，并鎖定調(diào)整范圍，避免撞刀。

工藝程序員對各工序刀具切削程序的機械坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系、刀具編號、加工位置、刀補號、刀補值等參數(shù)進行規(guī)定（詳見表1工件坐標(biāo)系和刀具明細表），并目視現(xiàn)場，讓員工清楚各工序加工程序和刀具切削信息。

工件坐標(biāo)系和刀具明細表

4 刀具的刃磨管理

由于刀具材料很硬，一般只能采用磨削來改變其外形。在刀具刃磨中常見的刀具磨床有以下幾種：（1）磨槽機：磨鉆頭、立銑刀等刀具的槽或背；（2）磨頂角機：磨鉆頭的錐形頂角（或稱偏心后角）；（3）修橫刃機：修正鉆頭的橫刃；（4）萬能刀具磨床：磨外圓、槽、背、頂角、橫刃、平面、前刀面等，常用于數(shù)量少、形狀復(fù)雜的刀具；（5）CNC磨床：一般是五軸聯(lián)動，功能由軟件確定。一般用于修磨數(shù)量大、精度要求高，但不復(fù)雜的刀具，如鉆頭、立銑刀、鉸刀等。各個企業(yè)可根據(jù)自身的需求選用合理的磨床，五菱柳機選用的是臺灣品牌的萬能刀具磨床。磨床砂輪：（1）磨粒，不同材質(zhì)的砂輪磨粒適合于磨削不同材質(zhì)的刀具。刀具的不同部位需要使用的磨粒大小也不同，以確保刃口保護和加工效率的最佳結(jié)合。氧化鋁：用于磨高速鋼（HSS）刀具，砂輪價廉，易修正成不同的外形用于修磨復(fù)雜的刀具；CBN（立方碳化硼）：用于磨HSS刀具，價高，但耐用。金剛石：用于磨硬質(zhì)合金（HM）刀具，價高，但耐用。（2）形狀，為了方便磨削刀具的不同部位，砂輪有不同的形狀。最常用的有：平行砂輪（磨頂角、外徑、背等）；碟形砂輪（磨螺旋槽、銑刀的主/副切削刃、修橫刃等）。砂輪經(jīng)過一段時間的使用后需要修正其外形（包括平面、角度及圓角R），砂輪用清理石把填充在磨粒間的切屑清理掉，可以提高砂輪的磨削能力。

4.1 刃磨標(biāo)準(zhǔn)的建立和效果確認(rèn)

擁有一套好的刀具刃磨標(biāo)準(zhǔn)是衡量一個刃磨中心是否專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。刃磨標(biāo)準(zhǔn)一般規(guī)定了不同刀具在切削不同材質(zhì)時其切削刃的技術(shù)參數(shù)，包括刃傾角、頂角、前角、后角、倒刃、倒棱等參數(shù)，工藝工程師把刃磨刀具的圖紙打印裝訂成冊，放置在刃磨中心，給予指導(dǎo)刃磨人員操作。例如：高速鋼（HSS）鉆頭與硬質(zhì)合金（HM）鉆頭的區(qū)別。HSS鉆頭：頂角一般是118°，有時大于 130°，刀刃鋒利，對精度（刃高差、對稱度、周向跳動）要求相對低，橫刃有多種修法。HM鉆頭：頂角一般為140°，直槽鉆常常為130°，三刃鉆一般為150°，刀刃和刀尖（棱邊上）不鋒利，往往被鈍化（或稱倒刃和倒棱），對精度要求高，橫刃常被修成S形，以利于斷屑、排屑。

刃磨效果的確認(rèn)通常采用刀具檢測儀進行，刀具檢測儀一般分三類：對刀儀、投影儀和萬能刀具測量儀。對刀儀主要用于加工中心等數(shù)控設(shè)備的對刀準(zhǔn)備，用來檢測長度、角度、半徑、階梯長等參數(shù)；投影儀的功能也是用來檢測角度、半徑、階梯長等參數(shù)，但上述二者一般不能測量刀具的后角。而萬能刀具測量儀則可以測量刀具的絕大部分幾何參數(shù)，包括后角。所以，一般汽車發(fā)動機制造企業(yè)用于刀具的刃磨配備對刀儀或者投影儀可滿足使用，刀具專業(yè)修磨中心（刀具制造商）則必須配備萬能刀具測量儀。

4.2 刃磨刀具的管理

為了降低刀具消耗，提高刀具使用壽命，必須推廣實施刀具強制更換（刀具更換周期），生產(chǎn)班組更換下來的刀具（存放在生產(chǎn)現(xiàn)場舊刀具柜）由刃磨中心管理人員收回，送至刃磨中心進行刃磨，同時將新的或刃磨合格的刀具裝配調(diào)試合格放置生產(chǎn)現(xiàn)場備用刀具柜中。刀具刃磨中心管理人員需做好舊刀具回收，新刀具領(lǐng)用，刃磨合格/報廢的型號規(guī)格、數(shù)量、使用工序、時間、更換原因等記錄，同時將生產(chǎn)現(xiàn)場刀具使用情況、刃磨質(zhì)量及其他有關(guān)刀具信息及時反饋給工藝工程師。工具室人員必須按照“以舊換新”的管理原則進行管理，同時將磨損刀具、斷裂刀具進行分類存放，工藝工程師和刀具刃磨人員不定期（每周、一個月）對工具室的磨損刀具再進一步分類，將可刃磨使用的刀具進行重新刃磨再回用。如：長鉆頭留給短鉆頭工序使用，粗銑工序使用精銑工序磨損刀片。工藝工程師依據(jù)收集的刀具使用情況進行完善刀具更換周期、刃磨圖紙標(biāo)準(zhǔn)和刀具存貨量等信息。

5 結(jié)束語

綜上所述，刀具的應(yīng)用和管理對現(xiàn)代汽車發(fā)動機生產(chǎn)制造十分重要，其對生產(chǎn)效率和制造成本的重大影響引起越來越多的企業(yè)重視和思考。選擇合理的刀具使用和刀具刃磨再利用旨在提高生產(chǎn)效率、提升加工質(zhì)量并降低刀具成本。刀具技術(shù)應(yīng)用和管理是一個動態(tài)的過程，目前推行的芯片采集信息、MES系統(tǒng)互聯(lián)和超硬材料應(yīng)用等，需要工藝技術(shù)人員能夠及時更新業(yè)務(wù)知識，為生產(chǎn)過程優(yōu)化和持續(xù)改進打好基礎(chǔ)，為企業(yè)的發(fā)展作出應(yīng)有貢獻。