宋鳳敏，趙玉祥，楊憲，張雪萍，姚振強，趙同銘

(1.山東水利職業(yè)學(xué)院，山東日照 276826; 2.上海交通大學(xué)，上海 200240; 3.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

發(fā)動機缸孔加工精度控制方法研究

宋鳳敏1，趙玉祥2，楊憲2，張雪萍2，姚振強2，趙同銘3

(1.山東水利職業(yè)學(xué)院，山東日照 276826; 2.上海交通大學(xué)，上海 200240; 3.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

通過對汽車發(fā)動機缸孔進行鏜削變形仿真和鏜削運動軌跡的分析，采取位置變化因子和進給量變化因子，使進給量沿加工深度逐漸變化的方法，改變相應(yīng)位置的變形量，同時通過改變刀路密疏程度，修正缸體缸孔的形狀，提高了缸孔尺寸、圓度和圓柱度的精度以及平臺網(wǎng)的質(zhì)量。

發(fā)動機缸孔;鏜削;加工精度控制

汽車發(fā)動機缸孔加工的最后兩道工序分別為缸孔鏜削和珩磨，生產(chǎn)線上缸體缸孔使用四軸聯(lián)動臥式鏜削中心，按圖1所示001號→002號→003號→004號順序進行鏜削加工，然后使用某公司生產(chǎn)的珩磨機，分粗珩、半精珩和精珩3道工序，珩磨時主軸順時針旋轉(zhuǎn)。

圖1 缸孔鏜削和珩磨加工順序

日常抽檢項目包括兩道工序的尺寸精度、圓度、圓柱度和粗糙度檢測。發(fā)現(xiàn)鏜削時缸孔大部分內(nèi)孔呈“束腰形”(兩端直徑大，中間部分小)，珩磨后呈“小束腰形”(兩端直徑小，中間部分稍大)，如圖2所示。文中通過變化進給量的值改變材料變形大小和刀路密疏程度，以修正鏜削孔的形狀使之呈“小束腰形”，珩磨后得到較理想的圓柱狀內(nèi)孔。

圖2 內(nèi)孔截面圖

1 尺寸匹配法推出鏜削內(nèi)孔形狀

由于機床、刀具、工件材料、缸體結(jié)構(gòu)和冷卻等條件的影響，缸孔不是理想的圓柱狀。理論上缸體本身的結(jié)構(gòu)特點對鏜削的最終尺寸和圓度影響特別大，加工過程中，孔壁薄弱的地方變形大，去除量小，加工完成后，恢復(fù)變形，該處直徑值?。?］，生產(chǎn)中常稱為讓刀或欠切削，反之為多吃刀或過切削。

1.1 基于Abaqus軟件分析缸孔鏜削變形

鏜削時切削用量如下:粗加工切削深度ap= 0.425 mm，精加工時a'p=0.1 mm;進給量f=800 mm/min(0.232 mm/r);主軸轉(zhuǎn)速n=3 450 r/min，v=πDn=752.76 m/min。由鏜削力經(jīng)驗公式計算得出:指向孔壁的背向力Fp=82.02 N，切向切削力FC=128.29 N，軸向進給力Ff=106.85 N。利用Abaqus仿真軟件對缸體加工時受力變形進行仿真［1］，缸體底面采用一面兩銷定位約束5個自由度，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 缸體鏜削變形圖

(1)XZ截面的Z方向中間變形量最大，半徑方向最大值為2 μm。

(2)YZ截面下端變形量比上端大，向外突;中間部分向孔心變形，造成過切，多吃刀。

1.2 實際鏜削缸孔形狀

實際測量結(jié)果顯示，缸孔尺寸值和加工時材料形變情況相符:

(1)X方向的孔深度中間部位比兩端尺寸值小(其差值稱為弓高)，呈束腰形，弓高平均值為6.5 μm，最大處13.2 μm。

(2)Y方向的孔深度中間部位比兩端尺寸值大，呈腰鼓形，弓高平均差值為2.58 μm。

(3)X方向束腰程度比Y方向腰鼓程度嚴重，按各截面的平均計算，缸孔呈束腰形，兩端直徑尺寸大、中間小。

由日常檢測數(shù)據(jù)和加工變形仿真分析結(jié)果，可將缸孔簡化成理想的束腰形，如圖2所示。假設(shè)鏜削孔為理想圓柱形，由珩磨機制［2－5］決定珩磨后缸孔呈腰鼓形，如圖2(c)所示，即孔中間部分珩磨去除量大于兩端的值。

假設(shè)缸孔的珩磨去除量和鏜削余量一致，兩者進行疊加［6］，理論上能得到理想的圓柱形狀，如圖4所示。

圖4 疊加原理

實際生產(chǎn)中，缸孔珩磨后最終形狀為小束腰形，弓高為2.13 μm，即鏜削內(nèi)孔時中間去除材料少，形成的束腰形狀起主要作用，在規(guī)定的時間內(nèi)完成珩磨切削，最終沒能完全修正內(nèi)孔的束腰形狀，而呈現(xiàn)小束腰形，如圖5所示。

圖5 實際生產(chǎn)中的內(nèi)孔形狀

由圖4疊加原理可知，如果要得到近似柱形內(nèi)孔，在珩磨工序去除量一定的情況下，可以反向推斷出鏜削時內(nèi)孔束腰形狀的大小程度及鏜削余量。生產(chǎn)中通過進給量的變化改變材料的變形量和刀路密疏程度，以控制孔徑大小，修正孔的形狀。

2 基于MATLAB軟件仿真鏜削軌跡

2.1 勻速鏜削軌跡仿真

假設(shè)材料沒有變形，利用MATLAB對缸孔鏜時切削刃的軌跡和內(nèi)孔圓柱面展開進行仿真。加工時使用組合鏜刀，一次裝夾和走刀完成，4個切削刃，1個精加工刀刃1號和3個半精加工刀刃 (2－4號)按間隔90°均勻分布在圓周上，半精加工刀刃與精加工刀刃間隔1.2 mm，如圖6所示。

圖6 組合鏜刀

缸體生產(chǎn)線上鏜削相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 生產(chǎn)加工參數(shù)

以表1中的參數(shù)進行仿真，得到如圖7所示，恒定進給量為800 mm/min的三維軌跡及圓柱面展開圖，白色處是沒有去除材料的地方，刀路疏密程度一致，即內(nèi)孔各處的去除量一致，理想狀態(tài)下內(nèi)孔各處直徑尺寸一致。

圖7 進給量為800 mm/min時三維軌跡及圓柱面展開圖

而實際生產(chǎn)中，內(nèi)孔中間部位直徑值偏小，需要在中間部位減小進給量的值以加密刀路，同時由于減小進給量，作用在孔壁上的力變小，材料變形量減小，最終使此處孔徑加大。

2.2 變速鏜削軌跡和孔內(nèi)壁形貌仿真

鏜削過程中，保持鏜削線速度和背吃刀量不變，使進給量隨切削深度 (Z向位置)逐漸變化，實現(xiàn)刀路密集或稀疏?；跍y量結(jié)果對缸孔深度進行劃分，建立缸體缸孔深度與進給量的關(guān)系模型?？赘叨葹?20 mm，中間變速部分高度為100 mm，兩端各10 mm以進給量為800 mm/min勻速加工;中上部位進給量遞減至300 mm/min，中下部進給量遞增至800 mm/min，如表2所示。

表2 實驗方案相關(guān)參數(shù)

圖8 F=800→300→800 mm/min軌跡圓柱面展開圖

缸孔內(nèi)壁展開圖如圖8所示，刀路逐漸密集和稀疏。并運用stem和meshz命令實現(xiàn)三維曲面的可視化［7］，初步嘗試引進半精加工和精加工余量修正系數(shù)，以便獲得更加接近實際工況的三維曲面。內(nèi)孔各位置去除量 (比例放大)如圖9所示。

圖9 內(nèi)孔去除量仿真圖

逐漸改變進給量使刀路逐步密集或稀疏，增減相應(yīng)部位的材料去除量，與材料變形造成結(jié)果相抵消，使缸孔內(nèi)壁中間部位形狀和加工質(zhì)量連續(xù)變化，以修正內(nèi)孔形狀和使尺寸達到生產(chǎn)要求。

3 缸孔鏜削實驗

3.1 鏜削程序優(yōu)化思路

原來生產(chǎn)線上的缸孔鏜削程序非常簡單，僅一段直線進給G1Z#29H3F#2程序段，其中#2為進給量，#29為缸孔深度?，F(xiàn)在選用2個宏變量#27(Z向位置變化因子)和#28(進給量變化因子)優(yōu)化鏜削用戶宏程序［8－9］。

3.2 實驗過程及結(jié)果

使用德國MAG的XS321四軸聯(lián)動臥式鏜削中心對13只B12缸體 (編號為B1至B13)以表2中參數(shù)進行了進給量變化加工實驗。

第1只缸體選用了位置變化因子#27=0.1和進給量變化因子#28=1.0進行鏜削缸孔，使用氣動塞規(guī)采取五截面四方位法 (如圖10)進行了直徑測量，各截面的平均直徑尺寸偏差如圖11所示，內(nèi)孔形狀呈腰鼓形，理論上不利于珩磨加工。

圖10 測量用的五截面和四方位

第2只缸體選用了#27=0.1和#28=0.5進行鏜削缸孔，使用同樣的檢測手段進行測量，各截面的尺寸偏差分布如圖12所示，內(nèi)孔呈微束腰形，弓高平均1.0～1.8 mm，截面2至截面3之間近似圓柱形。

圖12 B2缸孔平均直徑尺寸偏差分布(#28=0.5)

圖11 B1缸孔平均直徑尺寸偏差分布(#28=1.0)

而程序優(yōu)化前缸孔呈較大束腰形，各截面尺寸偏差分布如圖13所示，弓高平均5.0～6.8 mm。

比較圖11～圖13可知:進給量變化因子#28在0～0.5之間取值時，缸孔形狀呈束腰形 (#28在0.5～1之間取值時，缸孔多數(shù)呈腰鼓形)，#28取值越小，孔中間部位值越小，束腰形程度越嚴重。實際生產(chǎn)需要比圖13中束腰形狀小些的內(nèi)孔，所以選用#28 =0.3對第3只缸體進行鏜削缸孔，使用同樣的檢測手段進行測量，各截面的平均尺寸如圖14所示，缸孔內(nèi)壁直徑變化趨勢呈小束腰形，弓高平均2.3～3.1 mm。另外，由于珩磨機制所致珩磨頭到達截面5的概率小，要求鏜削時第5截面的尺寸稍大些，圖14所示缸孔尺寸符全該項生產(chǎn)需要。

以#28=0.3為進給量變化因子連續(xù)加工10只缸體，然后進行珩磨。發(fā)動機缸體缸孔的質(zhì)量最終要以珩磨質(zhì)量參數(shù)作為評判標準，所以在生產(chǎn)線上隨機抽取10只未優(yōu)化鏜削程序的珩磨缸體，將兩組加工參數(shù)進行比較，如表3—7及圖15—17所示。

圖14 B3孔平均直徑尺寸偏差分布(#28=0.3)

圖13 程序優(yōu)化前孔平均直徑尺寸偏差分布(#28=0)

表3 程序優(yōu)化前后珩磨尺寸偏差比 mm

表4 程序優(yōu)化前后珩磨圓度比較 μm

表5 程序優(yōu)化前后珩磨圓度柱比較 μm

表6 程序優(yōu)化前后珩磨平臺網(wǎng)質(zhì)量比較

表7 程序優(yōu)化前后珩磨平臺網(wǎng)問題次數(shù)

圖15 珩磨缸孔平均直徑尺寸偏差分布

圖16 程序優(yōu)化后超差最嚴重的缸孔平臺網(wǎng)質(zhì)量波紋圖

圖17 程序優(yōu)化前超差最嚴重的缸孔平臺網(wǎng)質(zhì)量波紋圖

(1)缸孔珩磨直徑尺寸偏差分布情況

由圖15和表3可知:程序優(yōu)化后缸孔形狀趨于近似圓柱形，特別是截面2至截面4間的缸孔一定程度上修正了孔的形狀。同時孔各截面平均直徑尺寸比程序修改前孔徑尺寸小約0.002 2 m，避免上極限值超差，減小了珩磨去除量。

(2)缸孔圓度和圓柱度分布情況

由表4和表5可知:程序優(yōu)化后缸孔的圓度和圓柱度均有所提高，一處圓柱度稍差，最大值為5.64m，但在技術(shù)要求范圍之內(nèi)。

(3)珩磨后平臺網(wǎng)質(zhì)量對比

珩磨的最后一道工序是用油石將缸孔表面的網(wǎng)紋的尖峰磨掉，形成微小的平臺，以提高活塞環(huán)對缸孔內(nèi)壁的氣密性能，降低排氣量，提高功率;加大缸孔的支撐度，減少了初期磨損;形成的油膜改善了活塞環(huán)在缸孔內(nèi)作往復(fù)運動時的潤滑條件;減小了機油的散失，進而降低了機油消耗。平臺珩網(wǎng)紋評價項目有粗糙度Rz、核心粗糙度深度Rk、去除的谷值高度Rpk、去除的谷值深度Rvk、支承率Mr2［10］，如表6和表7所示。

如表6和表7所示:鏜削程序優(yōu)化后加工的缸體經(jīng)珩磨加工出的平臺網(wǎng)質(zhì)量較優(yōu)化前有所提高，表6中粗糙度Rz最大值由8.131 μm降低至5.65 μm，平均值由4.165 μm降低2.541 μm，Rvk降低了1 μm;表7中問題次數(shù)由原來粗糙度值超差28項降低至5項，Rvk值偏大超差由24項降低至3項，總問題次數(shù)大大降低。

從圖16可看出:程序優(yōu)化后缸孔平臺網(wǎng)紋比較均勻，測量段中沒有突然變化現(xiàn)象;程序優(yōu)化前的波紋圖17，變化較明顯。

4 結(jié)論

發(fā)動機缸體結(jié)構(gòu)上的不對稱性，導(dǎo)致了缸體上各部位剛度間的差別，因此加工缸孔時，各孔受力變形情況存在差異，引起的變形導(dǎo)致缸孔加工時出現(xiàn)少吃刀或多吃刀現(xiàn)象，從而使得去除材料不均引起內(nèi)孔尺寸、圓度和圓柱度誤差。

文中介紹一種修正發(fā)動機缸孔形狀和提高精度的方法，通過選取位置因子和變化進給量變化因子優(yōu)化鏜削宏程序，使進給量沿Z向深度在缸孔上半部分逐漸變小，下半部分逐漸增大，一方面調(diào)整缸孔薄弱部位受力大小，另一方面改變刀路的密疏程度，將原來不同方位不同形狀的內(nèi)孔，調(diào)整成各方位變形大體一致的“小束腰形”，使之珩磨后近似理想的圓柱形狀，同時在一定程序上提高了尺寸精度、圓度、圓柱度和平臺網(wǎng)紋的質(zhì)量。但頻繁變化進給量加工會影響機床進給系統(tǒng)的精度，此種方法目前沒有用于大批量生產(chǎn)。

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Study on Process Precision Control Method for Engine Piston Hole Boring

SONG Fengmin1，ZHAO Yuxiang2，YANG Xian2，ZHANG Xueping2，YAO Zhenqiang2，ZHAO Tongming3
(1.Shandong Water Polytechnic，Rizhao Shandong 276826，China; 2.Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China; 3.SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China)

Through boring distortion simulation and boring trajectory analysis for automobile engine piston hole，a process method was presented in which position change factor and feed speed change factor were used to make the feed rate gradually decease and then increase to original value.Thus the deformation in corresponding positions of the piston bore was controlled.At the same time，the level of the tool path intensity was changed，thereby the shape was amended.So the cylinder hole size precision，the roundness and the cylindricity，the quality of the plateau honing net vein are improved.

Engine piston hole;Boring;Machining precision control

TP29

A

1001－3881(2014)8－039－5

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.014

2013－03－18

國家科技支撐計劃項目 (2012BAF06B03);山東省高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師國內(nèi)訪問學(xué)者項目

宋鳳敏 (1978—)，女，碩士研究生，主要從事數(shù)控專業(yè)教學(xué)研究和機電產(chǎn)品開發(fā)。E－mail:stj08@163.com。