發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋排氣面刀痕的解決措施

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋排氣面產(chǎn)生接刀痕的原因進(jìn)行分析，在疫情封閉生產(chǎn)期間，暫時(shí)無(wú)維修能力的情況下，通過(guò)修改銑刀軌跡消除刀痕，保障了生產(chǎn)任務(wù)。01

序言銑削加工是應(yīng)用最廣泛的平面加工方式之一。由于銑削屬多齒斷續(xù)加工，存在周期性的沖擊，加工條件較為惡劣[1]，因此如何保證銑削加工表面質(zhì)量有著重要意義。02

問(wèn)題背景發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋排氣面（以下簡(jiǎn)稱排氣面）是與排氣管支架連接的結(jié)合面。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)做功后高壓氣體的密封性，排氣面表面粗糙度值Rz

要求為10μm（近似表面粗糙度值Ra為1.6～3.2μm），平面度要求0.04mm（見(jiàn)圖1）。缸蓋采用硅鋁合金壓力鑄造，排氣面由毛坯廠先進(jìn)行粗加工，再由缸蓋生產(chǎn)線GROB臥式加工中心采用PCD銑刀高速銑削精加工。圖1

缸蓋排氣面工序示意裝配中零星出現(xiàn)排氣面發(fā)生泄漏的發(fā)動(dòng)機(jī)，拆解后發(fā)現(xiàn)排氣面存在較明顯的接刀痕（見(jiàn)圖2），但表面粗糙度和平面度未超差。圖2

缸蓋排氣面接刀痕03

問(wèn)題分析該工序主要加工進(jìn)排氣面及安裝進(jìn)排氣支架的各個(gè)凸臺(tái)面，因此生產(chǎn)線規(guī)劃時(shí)選擇了直徑50mm的面銑刀。這樣做的好處是減少加工時(shí)刀庫(kù)換刀次數(shù)，但在銑削排氣面時(shí)必須接刀完成。仔細(xì)觀察排氣面的接刀痕，對(duì)比銑刀環(huán)切加工軌跡（見(jiàn)圖3），可以發(fā)現(xiàn)接刀痕主要是在銑刀軌跡換向點(diǎn)產(chǎn)生的。排查產(chǎn)生接刀痕可能的原因如下。圖3

銑刀環(huán)切加工軌跡1）工件材質(zhì)偏軟，銑刀在軌跡換向點(diǎn)處有停頓。已加工表面的金屬材料回彈，產(chǎn)生刀痕。質(zhì)保檢測(cè)該批次缸蓋硬度在正常范圍，因此排除該項(xiàng)可能。2）夾具夾緊力不足，銑刀加工至換向點(diǎn)時(shí)切削力方向改變，導(dǎo)致缸蓋發(fā)生移動(dòng)，銑刀過(guò)切產(chǎn)生刀痕。檢查夾具液壓夾緊壓力、夾具定位、夾緊元件均正常。因此排除該項(xiàng)可能。3）Z

軸絲杠副或軸承存在間隙。銑刀在軌跡換向處，對(duì)Z

軸軸向的切削力變小。Z

軸軸向間隙釋放產(chǎn)生竄動(dòng)，引起過(guò)切。4）X

軸、Y

軸和Z

軸導(dǎo)軌副存在間隙，銑刀在軌跡換向時(shí)切削力方向改變。主軸滑臺(tái)產(chǎn)生擺動(dòng)，導(dǎo)致刀具過(guò)切。5）主軸與加工面不垂直，當(dāng)?shù)毒邠Q向時(shí)拖刀紋方向改變，產(chǎn)生接刀痕。針對(duì)第3）、第4）點(diǎn)，如果機(jī)床運(yùn)動(dòng)副存在間隙，則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備剛度下降。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，會(huì)在銑削表面產(chǎn)生振紋。機(jī)床增益參數(shù)均為原廠設(shè)置值，加工表面除了接刀痕外，未發(fā)現(xiàn)明顯的振紋。為了進(jìn)一步確定原因，采用球桿儀對(duì)機(jī)床檢測(cè)（見(jiàn)圖4）。球桿儀及軟件用于檢測(cè)數(shù)控機(jī)床的幾何誤差，以及由控制器和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)引起的運(yùn)動(dòng)誤差[2]。通過(guò)程序讓機(jī)床運(yùn)行一段圓弧或整圓，并由傳感器測(cè)得運(yùn)動(dòng)中半徑的微小偏移量，再經(jīng)軟件將其采集。如果機(jī)床沒(méi)有任何誤差，繪制出的數(shù)據(jù)將顯示出一個(gè)真圓。出現(xiàn)任何誤差都將使該圓變形。從真圓偏離出的數(shù)據(jù)揭示出數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)伺服及機(jī)床各軸的問(wèn)題和誤差。a）檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

b）球桿儀結(jié)構(gòu)圖4

球桿儀檢測(cè)球桿儀檢測(cè)結(jié)果（見(jiàn)圖

5

）顯示“反向間隙”“反向躍沖”“直線度”等參數(shù)均在合理范圍，但Z軸垂直度達(dá)－89.9μm/m，超出±30μm/m的正常范圍。圖5

球桿儀檢測(cè)結(jié)果04

解決措施由于正值疫情封閉生產(chǎn)期間，維修出勤人數(shù)較少，產(chǎn)量壓力較大。因此我們決定先通過(guò)銑削軌跡優(yōu)化以消除刀痕，維持生產(chǎn)，待封閉生產(chǎn)結(jié)束再對(duì)機(jī)床進(jìn)行維修。排氣面原銑削采用環(huán)切軌跡加工。環(huán)切軌跡的優(yōu)點(diǎn)是銑削長(zhǎng)度短，加工效率高。刀具不需要反復(fù)切入切出工件，對(duì)機(jī)床和刀具沖擊較小。我們出于加工精度考慮，將銑削軌跡改為單向行切加工軌跡（見(jiàn)圖6）。并針對(duì)沿著進(jìn)給方向和垂直于進(jìn)給方向兩種情況，分別消除主軸與加工面不垂直引起的刀痕[3]。圖6

單向行切加工軌跡針對(duì)主軸在進(jìn)給方向平面內(nèi)與進(jìn)給方向不垂直引起的刀痕，當(dāng)逆著主軸偏轉(zhuǎn)方向進(jìn)給時(shí)，銑刀圓周必須完全銑出工件表面再抬刀，否則會(huì)在抬刀位置產(chǎn)生方向不一致的圓弧狀刀痕（見(jiàn)圖7）。此時(shí)銑刀還會(huì)對(duì)已加工表面二次切削，對(duì)刀具壽命不利。當(dāng)順著主軸偏轉(zhuǎn)方向進(jìn)給時(shí)，只需銑刀加工出表面就可抬刀，此時(shí)加工表面只有順著加工方向的圓弧狀刀痕（見(jiàn)圖8）。從質(zhì)量穩(wěn)定性角度出發(fā)，我們采用銑刀完全切出加工表面后再抬刀的加工方式。圖7

逆著主軸偏轉(zhuǎn)方向進(jìn)給示意圖8

順著主軸偏轉(zhuǎn)方向進(jìn)給示意主軸在垂直進(jìn)給方向平面內(nèi)與加工表面不垂直時(shí)，會(huì)產(chǎn)生貫穿工件表面的直角狀接刀痕（見(jiàn)圖9）。這種刀痕肉眼觀察和手摸都很明顯，對(duì)裝配面的密封性損害也極大。此時(shí)可每次抬刀后，利用臥式加工中心的旋轉(zhuǎn)軸，略微偏轉(zhuǎn)一個(gè)很小的角度（本案例偏轉(zhuǎn)0.02°），且每次銑削深度相應(yīng)地略微退后（本案例銑削0.005mm）。使兩次下刀銑出的表面夾角由直角變?yōu)橐粋€(gè)鈍角（見(jiàn)圖10）。此時(shí)刀痕肉眼觀察和手摸都很平滑，表面粗糙度和平面度也完全滿足公差要求。當(dāng)裝配排氣管支架時(shí)，在結(jié)合面還安裝有襯墊。當(dāng)接刀痕呈鈍角時(shí)，襯墊的變形量能完全彌補(bǔ)平面的高低落差。當(dāng)接刀痕呈直角時(shí)，襯墊的變形量不能彌補(bǔ)刀痕產(chǎn)生的縫隙，存在泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。圖9

主軸在垂直進(jìn)給方向平面內(nèi)直角狀接刀痕

圖10

主軸在垂直進(jìn)給方向平面內(nèi)鈍角狀接刀痕需要注意的是，在偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸后，如果后一刀的加工深度比前一刀深，則仍會(huì)產(chǎn)生銳角狀的接刀痕。此時(shí)應(yīng)觀察兩次行切加工出的刀痕，調(diào)整下刀深度，使接刀痕呈鈍角?？梢杂^察銑削表面，如果刀痕到對(duì)應(yīng)銑刀直徑刀痕的象限點(diǎn)（見(jiàn)圖11），那么說(shuō)明這個(gè)面較深，而相鄰的面較淺。這里還有一個(gè)判斷行切相鄰兩個(gè)面高低的經(jīng)驗(yàn)，手指沿垂直進(jìn)給方向來(lái)回摸接刀痕。從低的面向高的面摸，能感覺(jué)到接刀痕，反之不能。圖11

刀痕到對(duì)應(yīng)銑刀直徑刀痕的象限點(diǎn)

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結(jié)束語(yǔ)修改銑刀軌跡后，采用行切法加工的排氣面刀痕改善效果明顯（見(jiàn)圖12）。裝配時(shí)未再發(fā)生排氣面泄漏的問(wèn)題。但采用行切軌跡后銑削距離為561.85mm，原環(huán)切軌跡長(zhǎng)度為418.45mm。修改后加工距離增加了143.4