缸體噴油嘴面銑削刀具頻繁出現(xiàn)崩刀斷刀的原因分析和解決思路

2022-07-05 09:48:18吳玲

時代汽車 2022年13期

吳玲

上汽通用五菱汽車股份有限公司廣西柳州市 545007

1 引言

增壓發(fā)動機活塞的熱負荷很高，主要通過活塞冷卻噴油嘴進行噴油冷卻。冷卻噴油嘴安裝角度直接影響冷卻效果，從而影響發(fā)動機的使用壽命，嚴重情況下可能會導(dǎo)致發(fā)動機抱缸等售后問題。

某產(chǎn)線近三個月生產(chǎn)增壓發(fā)動機缸體，頻繁發(fā)生噴油嘴銑削刀具崩刀斷刀的問題，降低噴油嘴面加工質(zhì)量，嚴重影響產(chǎn)線效率和加工制造成本。

2 噴油嘴面加工工藝分析

噴油嘴面在數(shù)控加工中心機床上采用立銑方式，刀具為4 刃立銑刀。加工工序只由一道工序完成銑削，即從毛坯面直接加工到精加工尺寸。加工余量為2±0.7mm，最大加工余量可達到2.7mm。噴油嘴面輪廓形狀不規(guī)則，并且在其中的一側(cè)有缸體毛坯阻擋，加工空間有限制。

圖1 噴油嘴面加工刀具和加工位置示意

3 噴油嘴面刀具崩刀斷刀原因分析

3.1 潛在原因分析

通過分析并經(jīng)過初步篩選，認為有以下7個因素能會造成刀具崩刀斷刀，分別如下：

（1）絲杠振動大；

（2）切削液濃度超出范圍；

（3）毛坯余量過大；

（4）缸體材質(zhì)硬度超上差；

（5）機床A 軸角度偏移；

（6）刀具加工路徑不合理；

（7）刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。

3.2 主要原因確認

3.2.1 絲杠有磨損，加工時振動大，導(dǎo)致崩刀

數(shù)控加工中心的伺服由3 個反饋系統(tǒng)構(gòu)成：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。位置環(huán)增益是決定對指令位置跟隨性的參數(shù)。增加位置環(huán)增益，能夠提高伺服電機的剛性，提高系統(tǒng)響應(yīng)性。但位置環(huán)增益越高，響應(yīng)性越高，定位時間越短，過大則會引起振動。

利用上述原理，當(dāng)數(shù)控加工中心的絲杠由磨損產(chǎn)生振動時，可以適當(dāng)下調(diào)絲杠增益，降低系統(tǒng)的響應(yīng)，緩解振動。

現(xiàn)場采集x/y/z 三個方向絲杠的振動曲線，沒有發(fā)現(xiàn)異常，但由于系統(tǒng)的配合，實際加工中也可能會產(chǎn)生振動。因此將機床x/y/z 方向絲杠的增益值同時調(diào)整至4000/5000/6000 改變系統(tǒng)的振動頻率驗證2天（系統(tǒng)設(shè)置范圍增益只能在4000 ～6000間調(diào)整），崩刀率均為50%，崩刀斷刀與絲杠振動無明顯關(guān)聯(lián)。

3.2.2 切削液濃度超出范圍

機床上的切削液主要起潤滑和冷卻刀具的作用，工藝要求在8%～10%。如果切削液濃度超出下限，刀具潤滑性能不足，在加工過程中受到的切削力會增大，旋轉(zhuǎn)扭矩增大，造成崩刀斷刀。

調(diào)查最近2 周的切削液濃度記錄表，切削液濃度為8.35%～9.4%，均在工藝要求范圍內(nèi)，但仍有小幅波動。因此在切削液濃度工藝范圍內(nèi)做調(diào)整，驗證濃度過低對崩刀斷刀的影響。將切削液濃度分別調(diào)整到8.2%、9.0%、9.8%連續(xù)跟蹤三天的加工數(shù)據(jù)。因為刀具側(cè)刃磨損長度過長會加劇崩刀斷刀風(fēng)險，因此將側(cè)刃的磨損長度作為刀具崩刀斷刀的評估方式。刀具在加工100 個缸體的壽命時，三個濃度對應(yīng)的磨損長度分別為7.115、7.152、7.129mm，側(cè)刃磨損長度差異不大。

圖2 側(cè)刃磨損長度

3.2.3 毛坯余量過大

毛坯余量過大，刀具切深過大，當(dāng)切深超過刀具承受范圍，刀具受力過大易造成崩刀斷刀。

連續(xù)抽檢當(dāng)前生產(chǎn)線上5 件工件噴油嘴安裝面余量，同4 個月前工件正常抽檢的余量進行對比，當(dāng)前生產(chǎn)線上工件較4 個月前工件毛坯余量大。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)近4 個月問題爆發(fā)的原因為：產(chǎn)線另一機型的噴油嘴面發(fā)生銑不完有黑漆皮殘留的問題，發(fā)生率約0.1%，當(dāng)時對產(chǎn)品毛坯尺寸進行檢查，發(fā)現(xiàn)若尺寸都在極限值時，噴油嘴面最低處的余量僅0.2mm，易發(fā)生殘留漆皮現(xiàn)象，因此將三套模具進行修模，使毛坯的噴油嘴面增加1mm 加工余量。毛坯供應(yīng)商同時擅自將該方案直接應(yīng)用到本文研究的機型，導(dǎo)致最近4 個月集中爆發(fā)崩刀問題。

在公差控制范圍內(nèi)，將刀具加工深度分別-0.2mm 和-0.4mm 驗證，各跟蹤2 把刀具的加工情況，加工余量越少刀具壽命越長。

表1 減少加工余量驗證

3.2.4 缸體材質(zhì)硬度高

缸體材質(zhì)硬度高，會造成刀具的異常磨損進而導(dǎo)致崩刀。

將成品庫正常工件和問題爆時崩刀工件批次各挑選3 件檢測硬度，檢測結(jié)果均在要求范圍內(nèi)，且和正常工件無明顯差異，因此崩刀與缸體硬度無明顯關(guān)聯(lián)，見表2。

表2 缸體硬度調(diào)查數(shù)據(jù)

3.2.5 機床A軸夾具角度發(fā)生改變

如圖3 所示，在數(shù)控加工中心中，如果夾具的旋轉(zhuǎn)軸為水平X 方向，則稱這種夾具為A 軸夾具。

圖3 A軸夾具

如果機床A 軸夾具角度發(fā)生改變，也會使刀具與加工面不垂直，刀具受力不均產(chǎn)生振動，加劇刀具磨損甚至崩刀。

分別挑選3 件正常工件和3 件崩刀工件，檢測噴油嘴安裝面傾角，傾角數(shù)據(jù)均在要求20±0.5°范圍內(nèi)，未見異常，說明機床A 軸夾具轉(zhuǎn)角未發(fā)生改變。（A 軸夾具轉(zhuǎn)角數(shù)值與噴油嘴安裝面傾角一致）。

表3 噴油嘴面傾角

3.2.6 刀具加工路徑不合理

如果加工路徑不合理，排屑不暢，刀具容易被鐵屑憋住導(dǎo)致崩刀。

如圖4 為加工的具體程序步驟：

在Y 方向初始位置，切削深度Z 方向刀具從距離目標深度7mm處一次加工到0.2mm處后，再回到3mm 位置進行排屑和剩余面橫向的加工，之后再從3mm 處進入到距離目標位置0.5mm 處出加工，這里有三個關(guān)鍵點：（1）入刀的第一刀目的為修正側(cè)面的不均勻毛坯面，加工余量為從Z 向毛坯面到距離目標位置0.2mm 處；（2）全面銑削的第一刀加工余量為毛坯面到距離目標位置3mm 處，第二刀加工余量為3-0.5=2.5mm，第三刀為0.5mm；（3）完成第二刀后，刀具退回到2mm 處進行排屑。

由此分析可能原因：（1）入刀的第一刀加工余量過大；（2）全面銑削第二刀后的排屑空間僅2mm，可能存在不足。因此重新分配第一第二刀余量、加大排屑空間進行驗證：

圖5 優(yōu)化后加工程序解析

圖6 刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖示

（1）原入刀的第一刀也分為兩次加工，1 次為從Z 向毛坯面到距離目標位置2mm處，1 次為從2mm 加工到0.2mm 處；（2）全面銑削第二刀后刀具退回到3mm 處進行排屑，相比之前增加了1mm 排屑空間。每隔50 件檢查刀具磨損狀態(tài)，如磨損過大則下刀。驗證后，刀具壽命明顯提升，回到壽命由原來的平均112 件提升到250 件以上，且未崩刀。