張瑞強(qiáng)，陽　玲

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007；2.東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西柳州545007）

發(fā)動(dòng)機(jī)制造中孔系加工刀具的異常損耗研究

張瑞強(qiáng)1，陽玲2

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007；2.東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西柳州545007）

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程中的孔系加工工藝進(jìn)行了闡述，對(duì)孔系加工刀具磨損進(jìn)行了原因分析和狀態(tài)分類。并通過對(duì)刀具異常損耗的典型案例研究，解釋了迥然不同的因素造成刀具異常損耗的原因及其應(yīng)對(duì)的措施。系統(tǒng)地總結(jié)了影響孔系加工刀具壽命的原因，以及消除浪費(fèi)現(xiàn)場改善的方向與方法。

發(fā)動(dòng)機(jī)；孔系；鉆削；斷刀

缸體、缸蓋、曲軸作為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)制造中最重要的零部件（俗稱3C件），提供了發(fā)動(dòng)機(jī)澎湃動(dòng)力輸出所需要的油路、水路和氣路，而這些管路都是靠3C件中一條條油道、水道和氣道構(gòu)建而成。紛繁復(fù)雜的孔系特征，使孔系加工刀具成為3C件制造過程中最重要的刀具類型。秉承著“要么成本領(lǐng)先，要么與眾不同”的經(jīng)營理念，上汽通用五菱一路馳騁，紅海與藍(lán)海共搏，銷量與口碑齊飛！然而，伴隨著銷量倍增的，還有刀具維護(hù)的總成本，每年少則數(shù)千萬、多則上億，如何降本增效成為擺在技術(shù)管理人員面前的嚴(yán)峻課題。因此，針對(duì)刀具磨損及異常損耗的研究也愈發(fā)顯得重要且富有立竿見影的實(shí)際意義。本文通過對(duì)實(shí)際加工中常見問題的研究，找出了發(fā)動(dòng)機(jī)孔隙加工中刀具異常損耗的原因，為不同的因素造成刀具異常損耗提出了應(yīng)對(duì)措施。

1　孔系加工刀具磨損原因分析和狀態(tài)分類

在孔系加工中，常用的刀具有鉆頭、絲錐、鉸刀、鏜刀、立銑刀等在現(xiàn)代數(shù)控加工中心上，鉆削也是最常見的加工工藝，其基本原理如圖1所示，切削運(yùn)動(dòng)Ve由主運(yùn)動(dòng)Vc（鉆頭或工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)Vf（鉆頭的軸向運(yùn)動(dòng)）所組成的合成運(yùn)動(dòng)。

圖1　鉆削加工原理

由圖2很容易發(fā)現(xiàn)，鉆削與車銑不同，它是一種包容性的加工方式，其加工過程中切削液較難進(jìn)入切削區(qū)、切屑不易斷和不易清除，再加上刀具工況還受機(jī)床動(dòng)剛度、工件材質(zhì)、夾具剛性等工藝因素的影響，使得刀具磨損和破損的復(fù)雜性和隨機(jī)性大大增加。

圖2　T22059刀具圖

一般而言，刀具的正常磨損跟使用時(shí)間直接相關(guān)。另外，還有三種異常破損的類型：急劇磨損、崩刃和斷裂。

正常磨損與急劇磨損主要是后刀面磨損帶和橫刃磨損；

而崩刃是指在切削刃上產(chǎn)生小的缺口，刀具鋒利度降低，會(huì)惡化切削的穩(wěn)定狀態(tài)；

斷裂則是一種嚴(yán)重的破損，使刀具徹底失效。

從機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控來看，但正常磨損和急劇磨損沒有明顯差異，較難區(qū)分，但崩刃和斷裂可通過主軸負(fù)載監(jiān)控及斷刀檢測進(jìn)行有效識(shí)別。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，刀具的異常損耗指的主要就是崩刃和斷裂造成的刀具、設(shè)備及工件損失。本文將通過四個(gè)典型的實(shí)際案例，來進(jìn)行具體的分析探討。

2　案例分析

2.1案例1：缸體線OP90工位鉆頭T22059頻繁斷刀

缸體線數(shù)控加工中心OP90 T22059刀具（圖2）在鉆供油孔#314和VVT孔#313鉆孔過程中出現(xiàn)經(jīng)常斷刀，平均每月斷刀7把，直接造成了較大的刀具損失，并增加了設(shè)備故障停線時(shí)間，降低生產(chǎn)線產(chǎn)品輸出。在頻繁的斷刀過程中，出現(xiàn)在加工過程的缸體需要取出工件并進(jìn)行返修零件；同時(shí)斷刀后需要更換刀具，造成換刀以及測量停線平均110分鐘/月，對(duì)生產(chǎn)線的正常運(yùn)行造成了較大的瓶頸。

通過觀察，發(fā)現(xiàn)兩孔鉆孔直徑7.7 mm，#313鉆深150.5 mm，#314鉆深125.5mm，鉆頭直徑小，長度深。在深孔鉆過程中，易發(fā)生排屑不暢，鉆頭受力不均衡折斷的情形。

據(jù)此分析工藝做出以下調(diào)整：鉆#313時(shí)，當(dāng)鉆深到90mm、120mm時(shí)各增加1次退刀，每次退刀5 mm，；#314鉆深90 mm時(shí)增加一次退刀，退刀5 mm，數(shù)控程序修改如圖3所示。

圖3　增加退刀程序后的NC程序

經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，增加退刀工藝后，有效解地決了T22059鉆頭頻繁損壞的問題，每年節(jié)約刀具成本13.44萬，節(jié)約返修成本與停線損失25.82萬，成功地解決了困擾生產(chǎn)線的瓶頸。

2.2案例2：缸體線OP170工位絲錐T215連續(xù)斷刀

故障發(fā)生時(shí)，首先在OP170B加工中絲錐T215出現(xiàn)連續(xù)斷刀4把，接著在OP170A出現(xiàn)T215連續(xù)斷刀3把，造成隔離并返修缸體39件。

對(duì)斷刀的工件進(jìn)行檢查時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)上道工序鉆頭T214加工出來的孔要么缺少倒角，要么倒角偏小，如圖4所示。

圖4　斷刀工件狀態(tài)

基于T214加工結(jié)果異常，取下機(jī)床上鉆頭T214檢查，外觀正常，但量取刀長發(fā)現(xiàn)比芯片值短了2.25 mm，確認(rèn)T214在加工過程中鉆頭回縮（見圖5），導(dǎo)致底孔深度變淺，T215加工時(shí)被撞斷。造成刀具回縮及刀具回縮為何機(jī)床斷刀檢測沒有報(bào)警的原因如下。

圖5　T214與T215

鉆頭T214固定在液壓刀柄上，靠圖6中壓緊螺絲進(jìn)行鎖緊。既然刀具出現(xiàn)回縮現(xiàn)象，肯定鎖緊裝置出現(xiàn)問題，使用扭力扳手驗(yàn)證后確認(rèn)螺絲松動(dòng)，造成液壓刀柄夾緊力不足，致使加工過程中鉆頭軸向縮刀。后續(xù)檢查發(fā)現(xiàn)，機(jī)床采用的機(jī)械式斷刀檢測的精度設(shè)置不足，未能識(shí)別2.25 mm的刀長變化，故而機(jī)床未能有效識(shí)別報(bào)警。

圖6　液壓刀柄原理圖

鎖定根本原因后，通過以下兩方面進(jìn)行問題解決：

（1）在調(diào)刀過程中對(duì)刀柄的夾緊情況進(jìn)行確認(rèn)后，確保出庫刀具合格；

（2）提高斷刀檢測功能的精度，并定期校驗(yàn)，降低刀具崩刃等刀長變化較小的情況下，導(dǎo)致的批量工件返修、報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3案例3：缸體線OP50工位鉆頭T217異常斷刀

缸體線OP50加工主油道孔#122（圖7）的刀具T217連續(xù)斷刀11把，批量返修零件20件，停線時(shí)間750min，造成巨大的浪費(fèi)，影響生產(chǎn)效率。

圖7　主油道孔#122

分析發(fā)現(xiàn)，斷刀發(fā)生的時(shí)機(jī)比較一致，均發(fā)生在下圖紅X位置（圖8），加工過程中無任何報(bào)警。更換刀具加工首件刀具即折斷，問題橫亙眼前，只要不解決，機(jī)床就無法運(yùn)行，生產(chǎn)就無法進(jìn)行。

圖8　故障時(shí)斷刀位置示意

面對(duì)這奇怪的現(xiàn)象，維修人員通過頭腦風(fēng)暴（圖9），整理出6個(gè)可能造成該故障末端因素，然后逐個(gè)進(jìn)行排查。

圖9　頭腦風(fēng)暴圖

（1）主軸跳動(dòng)過大

CBM1050A使用WEISS HSK64電主軸，使用250 mm量棒進(jìn)行測量，公差要求量棒遠(yuǎn)端250 mm處徑向跳動(dòng)小于0.012mm，實(shí)際測量近端徑跳0.002 mm，遠(yuǎn)端250 mm處徑跳0.004 mm.主軸徑跳在公差要求范圍內(nèi)，排除。

（2）刀具跳動(dòng)大

刀具加工前將刀具安裝到主軸上，測量刀具遠(yuǎn)端跳動(dòng)0.006 mm，加工首件斷刀，排除刀具跳動(dòng)大造成斷刀的可能。

（3）預(yù)鉆孔漏加工

在T217加工前用量具確認(rèn)預(yù)鉆孔加工合格，接著T217加工結(jié)果仍然斷刀，排除了預(yù)鉆孔漏加工的可能。

（4）夾緊力不足

該工位Y向液壓夾緊力要求為0.6MPa，加工過程中測量工件液壓加緊壓力達(dá)到0.6MPa，并且穩(wěn)定，確認(rèn)夾緊力不足不是主要原因。

（5）夾具定位面有鐵屑

檢查機(jī)床定位面沖洗裝置，未發(fā)現(xiàn)堵塞，沖洗功能正常，深度清潔驗(yàn)證無改善，排除。

（6）冷卻液供給異常

由于加工過程中，機(jī)床外冷噴淋使得無法看清機(jī)床內(nèi)部情況，在ME軟件追蹤信號(hào)，空運(yùn)行發(fā)現(xiàn)主軸高壓冷卻沒有打開，同時(shí)機(jī)床沒有報(bào)警。如圖10所示，Q10105即主軸高壓冷卻電磁閥打開信號(hào)。因此，確認(rèn)冷卻液供給異常。

圖10　ME軟件追蹤信號(hào)

首先，要了解一下加工過程中高壓冷卻打開的流程，見圖11.NC程序執(zhí)行M51代碼→PMC對(duì)M51解碼→主軸高壓冷卻電磁閥Q10105得電→復(fù)位M51代碼→NC執(zhí)行下一程序。

圖11　高壓冷卻打開流程

經(jīng)FANUC PMC信號(hào)追蹤，確認(rèn)M51代碼被正確解碼，上述5個(gè)步驟正常執(zhí)行，但是Q10105在接通后64 ms，信號(hào)斷開（圖12）。

圖12　Q10105信號(hào)追蹤

確認(rèn)了冷卻液異常是導(dǎo)致斷刀的直接原因，采取了多問幾個(gè)為什么的方式來逐步解決。

（1）Q10105在接通后64ms，信號(hào)會(huì)斷開。

根據(jù)梯形圖（圖13），進(jìn)一步分析Q10105接通后又?jǐn)嚅_的原因在于M00178使能信號(hào)斷開。

圖13　PMC控制程序

（2）M00178使信號(hào)斷開。

由于刀庫門關(guān)閉到位信號(hào)I10107誤信號(hào)（斷開64 ms后又接通，見圖14），因此造成M00178異常斷開。

圖14　M00178信號(hào)追蹤

（3）刀庫門誤信號(hào)造成M00178使能信號(hào)斷開。

經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)在程序上M00178使用的一個(gè)支路條件利用了刀庫門關(guān)閉到位信號(hào)，因此當(dāng)該信號(hào)錯(cuò)誤地觸發(fā)后將使M00178信號(hào)斷開，見圖15.

圖15　信號(hào)調(diào)用程序

綜上：由于主軸高壓冷卻通過M51代碼來控制，但PMC程序中串入了刀庫門關(guān)閉到位信號(hào)，當(dāng)該信號(hào)誤觸發(fā)時(shí)造成高壓冷卻沒有打開，同時(shí)高壓冷卻輸出點(diǎn)接通時(shí)間沒有達(dá)到高壓冷卻報(bào)警所需要的時(shí)間，因此機(jī)床業(yè)沒有任何報(bào)警，PMC程序存在潛在漏洞。

最終，通過優(yōu)化PMC程序，取消串入的刀庫門關(guān)閉到位信號(hào)，從原理上杜絕了刀庫門誤信號(hào)造成高壓冷卻沒有打開的隱患。

通過該故障舉一反三，發(fā)現(xiàn)機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)的驟停也是造成刀具損壞的一大原因。而往往很多冷卻、過濾系統(tǒng)的報(bào)警信號(hào)會(huì)直接觸發(fā)機(jī)床主軸驟停，帶來很多不必要的損失。因此，將這些重要度較低的報(bào)警級(jí)別降級(jí)處理，設(shè)置為“循環(huán)結(jié)束后停止”，不失為一種簡單又有效的做法，值得推廣和借鑒。

2.4案例4：缸體線OP60工位絲錐T22035頻繁斷刀

在2014年5月20日至5月29日這時(shí)間，缸體線OP60工位絲錐T22035在加工#108孔時(shí)頻繁斷刀，具體信息見表1.

表1　斷刀信息統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上表可以知道，斷刀發(fā)生在不同模塊、不同生產(chǎn)線（如圖16），且實(shí)際壽命遠(yuǎn)低于預(yù)設(shè)壽命。根據(jù)之前的經(jīng)驗(yàn)，先后排除設(shè)備、刀具、環(huán)境的影響。由于時(shí)間相對(duì)集中，排查毛坯為同一廠家、同一批次，懷疑毛坯鑄造異常，因此挑選同批次的樣件進(jìn)行金相、硬度分析。

圖16　被測工件位置

2.4.1該案例的金相分析

缸體材料為灰鑄鐵，其金相組織標(biāo)準(zhǔn)為“珠光體+石墨+少量鐵素體”（圖17），石墨形態(tài)為A型和少量B型（即片狀和菊花狀），石墨長度級(jí)別為4～8級(jí)。

圖17　灰鑄鐵正常金相組織100X

通過金相對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

#108孔周圍金相組織為“萊氏體型碳化物+珠光體”（圖18），石墨形態(tài)為D型和E型（即枝晶點(diǎn)狀和枝晶片狀），石墨分布不均勻，局部無石墨。與標(biāo)準(zhǔn)組織不符，金相組織不合格。

圖18　#108孔周圍金相組織100 X

芯部金相組織為“珠光體+石墨+萊氏體型碳化物”（圖19），石墨形態(tài)為D型和E型（即枝晶點(diǎn)狀和枝晶片狀）。與標(biāo)準(zhǔn)組織不符，金相組織不合格。

圖19　芯部金相組織100X

2.4.2硬度測量

缸體硬度標(biāo)準(zhǔn)為：192—241HBW.

#108孔周圍硬度：均超上限值241HBW，圓周區(qū)域硬度過大。

芯部硬度：接近上限值241HBW，在合格范圍內(nèi)。

從被檢樣塊來看，硬度由芯部不斷向邊緣增加，如表2所示。

表2　硬度測量記錄

2.4.3檢測結(jié)果分析

從檢測結(jié)果來看，#108孔周圍區(qū)域金相組織異常，出現(xiàn)了“白口”現(xiàn)象（即有針條狀萊氏體型碳化物和珠光體存在，造成硬度偏大，從而導(dǎo)致加工過程中T22035頻繁斷刀。

從鑄造來講，是由于毛坯此位置在鑄造冷卻過程中出現(xiàn)“激冷”，造成“白口”的現(xiàn)象。通過鑄造工藝的微調(diào)即可消除該問題。

3　孔系加工刀具異常損耗的主要來源

以上四個(gè)案例展示了不同因素造成的孔系加工刀具異常損耗，分別是工藝、刀具、設(shè)備、工件因素，都是非常典型的案例。

歸類來講，造成孔系加工刀具異常損耗的主要有以下五大方面：

（1）機(jī)床：主軸磨損、跳動(dòng)過大、機(jī)床進(jìn)給不穩(wěn)、數(shù)控程序異常、切削液供應(yīng)故障、過濾系統(tǒng)故障、液壓系統(tǒng)波動(dòng)等。

（2）夾具：定位元件、夾緊裝置、夾具主體、夾具與機(jī)床傳動(dòng)部件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等。

（3）刀具：刀具本身結(jié)構(gòu)、材料、跳動(dòng)、性能。

（4）切削參數(shù)：背吃刀量、進(jìn)給量、切削速度。

（5）工件：毛坯材質(zhì)、成型工藝、硬度、強(qiáng)度、表面形態(tài)。

刀具切削過程是一個(gè)系統(tǒng)工程，包含工藝、切削摩擦學(xué)、工件、刀具、機(jī)床、夾具、切削液等多個(gè)因素和變量的復(fù)雜系統(tǒng)，而且這些因素和變量之間又存在著極強(qiáng)的相關(guān)性和相互作用。系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是其正常工作的條件，要維持系統(tǒng)穩(wěn)定，就要保證各個(gè)因素與變量的穩(wěn)定。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程中，刀具的異常損耗原因形形色色、多種多樣，有的問題單一，有的環(huán)環(huán)相扣，都需要嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的分析，動(dòng)態(tài)的考慮問題，才能撥云見日，消除、抑制異常損耗。

Study on the Abnormal Loss of Hole Machining Tool in Engine Manufacturing

ZHANG Rui-qiang1，YANG Ling2
（1.SAICGM Wuling Automobile Limited by Share Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China；2.Dongfeng Liuzhou Automobile Co.Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

In this article，themachining technology of holes in engine manufacturing was expounded，the principle of tool wearing is analyzed and the degree of wear is classified.Through the typical case study of tool abnormal loss，explains the factors of the different causes of the abnormal wear and tear，and the solvingmeasure.Sums up the causes of affecting the life of the tool，aswell as eliminating waste improving direction and methods on the site systematically.

engine；holes；drilling；tool breaking

TH17

A

1672-545X（2016）05-0123-05

2016-02-09

張瑞強(qiáng)（1987-），男，河南許昌人，本科，工程師，研究方向：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)的設(shè)備維護(hù)與管理；陽玲（1986-），女，廣西桂林人，本科，工程師，研究方向:汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)中的質(zhì)量分析與管理。