淺析如何降低缸蓋座圈加工崩刀

屈猛 熊慶遲

關鍵詞：座圈 加工 刀痕 崩刀 座圈材質成分

1 座圈工藝

缸蓋是發動機的重要部件，其座圈在缸蓋做功中起著重要作用，座圈與氣門配合直接影響發動機功率、油耗及性能[1-3]。目前座圈主要是由粉末金屬材料燒結壓制而成，具有高硬度、耐高溫、耐磨損的特性，以保證其在高溫環境下能穩定工作。座圈自有特性導致其在加工時容易出現刀具崩刃和刀具耐用度低等問題，為此，本文針對刀具加工座圈常見問題進行了分析和改進。

2 問題現狀

某主機廠加工缸蓋采用刀片裝配可調式刀具精鉸進、排氣座圈，目前主流的座圈加工工藝分為粗加工和精加工，粗加工刀具（如圖1 所示）加工座圈大部分余量及導管底孔的導向孔，保證設備節拍。精加工刀具為長柄刀桿，先加工導管底孔，再加工座圈55° ＼60°及45°密封面（如圖2 所示），45°密封面由于材料本身硬度問題，頻繁出現刀片崩刀導致座圈密封面出現刀痕和臺階質量問題（如圖3 所示）。

團隊統計了1 月-10 月段座圈刀片崩刀次數及每月座圈返修數量，崩刀刀具加工壽命平均為80 件，每次崩刀會產生返修零件，每次崩刀后都需要追溯隔離并進行返修，嚴重影響產品質量和成本控制。

如果對座圈的加工質量不加以控制，那么有刀痕的座圈就會造成發動機壓縮比不足，影響排放或者功率降低，發動機抖動等潛在失效風險，對客戶的滿意度有很大的影響。嚴重情況下，可能導致售后拉回，更會影響企業的品牌價值。因座圈加工質量難控制，各座圈供應商目前都缺乏有效的解決措施，所以座圈加工也成為了各主機廠的瓶頸工位。

3 原因分析

為解決座圈刀痕質量問題，團隊通過收集大量的基礎數據進行分析：

3.1 人員因素

崩刀大多發生在過程，并非出現在換刀首件，說明刀片在裝上機床時狀態可以，與人員操作無直接關系。

3.2 設備因素

統計生產線4 臺機床發生次數，并檢查機床加緊壓力、主軸跳動、拉刀力，結果顯示4 臺機床崩刀發生頻次吳明顯差異，檢查機床相關參數合格，與設備無直接關系。

在刀具選擇上，目前公司多家工廠均采用同樣的刀片，檢查刀具調刀標準文件及調刀尺寸無異常，通過統計發現崩刀問題發生在刀片各個壽命區間，且修磨刀片與新刀片發生概率相當，與刀片無直接關系。

3.3 座圈因素

通過檢測座圈硬度、金相及成分均符合圖紙要求，與座圈無直接關系。

3.4 工藝因素

主機廠多家基地車間均采用相同的工藝以及刀具進行加工，試用不同加工參數，對崩刀問題無改善;統計4 臺機床切削液溫度及壓力正常，機床監控無報警。切削濃度未出現超差，提高切削液濃度驗證無明顯的改善。

基本排除人員、設備刀具、物料原因導致崩刀，團隊計劃通過刀片、座圈材料的優化解決刀具崩刀問題。

4 措施驗證

團隊計劃通過不同的刀片供應商驗證對座圈切削是否有所改善，使用供應商W、供應商Z、供應商T 以及供應商M 四個供應商進行驗證，結果如下（如表1 所示），其他供應商刀片無法有效改善座圈崩刀情況。

團隊通過切削液及加工參數優化，改善崩刀情況，分別做了多組驗證：a、刀片、座圈供應商、加工參數不變情況下，提升切削液濃度，驗證崩刀改善，無改善;b、刀片、座圈供應商、切削液濃度不變情況下，優化刀具參數提高進給量、降低進給量，驗證崩刀改善，無改善，通過驗證發現切削液濃度及刀具加工參數，無法改善座圈崩刀情況。

團隊統計分析崩刀座圈的相關工藝要求，發現崩刀座圈尺寸均符合工藝要求（如表2所示），比崩刀座圈與正常零件座圈金相（如圖4 所示），并無差異，而且分析檢測座圈化學成分，排氣座圈成分、進氣座圈均在合格范圍內。

通過研究座圈材質成分作用，決定驗證在圖紙要求范圍內增加機加工助劑以提高切削性能，添加原則為機加工助劑不能影響材料的尺寸及力學性能，團隊決定在座圈材料圖紙標準范圍內，微調化學成分，增加硫化物：硫化錳（MnS），硫化鐵（FeS），二硫化鉬（MoS2），改善座圈的機加工切削性能。

為確認座圈增加硫化物后，相關的尺寸、力學性能不受影響，團隊對新添加了硫化物的座圈進行密度、硬度、金相組織、化學成分測試，結果均在合格范圍。進行座圈耐磨性測試，結果如下（如表3、圖5 所示）

測試說明：藍色為試驗前密封帶數據，紅色為試驗后密封帶數據，推定磨損量計算公式為：X=（L2-L1）/（1/tgα+1/tgβ），單位mm;其中X 表示磨損量，L1表示試驗前密封帶寬度，L2 表示試驗后密封帶寬度，α 表示內圓與密封面角度，β 表示端面與密封面角度。

5 成果展示

經過驗證3 輪進排氣座圈增加硫化物驗證，加工未出現座圈崩刀問題，且座圈相關尺寸，泄漏及刀具磨損情況均未出現異常，刀具能到達壽命下刀。團隊收集加工座圈泄露數據（如圖6 所示）數據穩定，且明顯優于正常未添加硫化物座圈加工的泄露尺寸。

驗證結論：增加硫化物后，有助機加工切削性能。

6 改善座圈加工的其他經驗分享

由于座圈材料的特殊性，加工控制難度較大，在保持刀具及機床穩定性的同時，座圈本身質量控制也相當重要，以下是根據制造經驗總結的座圈制造工藝中的控制要點及失效模式（如表4 所示），后續團隊問題解決中提供幫助。

7 結束語改善座圈加工的其他經驗分享

通過對座圈成分的優化分析，并基于刀具加工進行了改進。通過實際驗證，這種改善有效解決座圈加工崩刀產生刀痕問題，對生產線的的效率、成本、質量提升具有重大意義。