邵 丁，李瑞亮，劉 耀，鄭升鴻，姜永軍

(1.秦川集團(西安)技術研究院有限公司，西安 710016；2.寶雞吉利發(fā)動機有限公司，陜西 寶雞 721013)

0 引言

高新技術、新能源、新材料的涌現(xiàn)為人民生活水平的提高提供了更多的便利。尤其在汽車方面的數(shù)據(jù)顯示，人民對汽車的需求和保有量也日益增長，這對汽車行業(yè)既是機遇又是挑戰(zhàn)。

如何研究并生產(chǎn)出更安全、更環(huán)保的汽車是一重大課題。發(fā)動機是汽車的“心臟”，而缸體更是發(fā)動機三大重要的部件之一，提高其質(zhì)量和平穩(wěn)運行率，對發(fā)動機、甚至整車的動力和燃油性能都有至關重要的影響[1-2]。目前發(fā)動機缸體的生產(chǎn)有多種形式，其中以高速、高精度、高智能、敏捷柔性化的一體化加工中心設備為主體、其他專機為輔的組合方式，在降低成本的前提下又能大大提升缸體的加工質(zhì)量和加工效率及機械性能備受青睞。目前國內(nèi)外學者對發(fā)動機缸體的研究主要集中于柔性生產(chǎn)、工藝設備[3-6]，但對實際生產(chǎn)中影響某一加工特性穩(wěn)定性的因素分析較少。

本文以發(fā)動機缸體的加工工藝展開研究,并重點基于實際生產(chǎn)中缸體缸孔的位置度能力不穩(wěn)定的現(xiàn)狀，對其影響因素進行分析并對其改善，最終實現(xiàn)了缸孔能力穩(wěn)定性的有效提升。

1 缸體加工工藝分析

缸體是發(fā)動機的“骨架”，是其各機構(gòu)和系統(tǒng)的裝配基礎。缸體內(nèi)、外安裝發(fā)動機所有的主要零部件及附件，承受各種載荷，也是典型的箱體類零件，其形狀較為復雜，沒有均勻的壁厚且加強筋較多。如圖1所示是某發(fā)動機缸體俯視圖。

圖1 發(fā)動機缸體俯視圖

1.1 加工特征及機床的定位裝夾

實際生產(chǎn)過程中對缸體精度要求極高，包括粗糙度、位置度、平面度、幾何尺寸、表面質(zhì)量等等。平面和孔系是其典型的加工特征，比如高精度要求的缸孔、曲軸孔、與罩蓋和油底殼連接的大面、連接孔系及重要特殊功能的面、孔等,要求其必須選擇柔性化高的多軸加工中心設備及定位系統(tǒng)以提高其加工精度及工藝的合理性。

圖2 零點拉釘定位系統(tǒng)

發(fā)動機對材料的強度要求很高，采用鑄鐵材質(zhì)重量太大且不利于散熱，因此輕量化的鋁合金材質(zhì)應運而生。本文所研究的缸體采用鋁合金材質(zhì)，缸套為鑄鐵材質(zhì)[7-8]。自毛坯上線至成品缸體下線，需要多次裝夾定位，常用的工藝基準是“一面兩銷”定位，為避免多工序不同機床之間產(chǎn)生的累計誤差，必須使其設計基準、工藝基準、檢測基準進行統(tǒng)一。因此本機采用零點拉釘定位系統(tǒng)如圖2所示，特點是重復裝夾精度高，可實現(xiàn)微米級的精度。缸體裝夾在工作臺上，工件零點與機床零點會存在XY向的偏置，因此可設定G54-G57零點坐標系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)加工特征的多姿態(tài)加工，更能提高編程效率。

1.2 缸體的工藝排布及刀具選擇

缸體加工整體采用基準先行、先面后孔、先粗后精的工藝思路進行設計規(guī)劃。上下缸體未連接前，主要粗精加工上下缸體連接面及孔系；再完成合蓋擰緊、清洗后，主要進行粗精加工頂?shù)酌妗⑶昂蠖?、進排氣側(cè)的面和孔系，以及油道孔、曲軸孔、止推面、機油泵銷孔等重要加工特征內(nèi)容。其中缸孔加工分為粗鏜—半精鏜—精鏜—粗珩—精珩等工序過程，然后實施輔助工序，主要包括上下缸體拆分、最終清洗、試漏等等。

基于缸體材質(zhì)及加工特征，常選擇的刀具種類繁多如銑刀、鉆頭、鉸刀、鏜刀、攻絲、珩磨等等?；诘毒呓?jīng)濟成本同時又為提升刀具的適用性、耐磨性，對刀具的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新提出了新要求。常選用材質(zhì)有硬質(zhì)合金、PCD、CBN。基于塑性變形的原理采用擠壓絲錐，實現(xiàn)無屑加工。加工曲軸孔采用復合式的可調(diào)導條鏜刀，能一次性實現(xiàn)半精鏜和精鏜的加工，避免了多次換刀，提升了加工能力。

2 缸孔穩(wěn)定性能力影響因素研究

本文研究的是三缸機缸體，有 3個氣缸孔。發(fā)動機工作時其活塞需在缸體氣缸孔內(nèi)作上下往復運動，因此氣缸孔的孔徑大小、表面粗糙度、垂直度、圓度等重要特征特性參數(shù)都十分重要，它們將直接影響到發(fā)動機的使用性能。因此對其生產(chǎn)過程中的能力進行統(tǒng)計控制、穩(wěn)定性進分析至關重要。

2.1 統(tǒng)計過程控制

統(tǒng)計過程控制又稱SPC(Statistical Process Control)是利用統(tǒng)計技術對過程數(shù)據(jù)的收集、生成并分析數(shù)據(jù)的方法，以保證過程產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可控，是質(zhì)量控制的5大工具之一。

圖3 SPC控制圖

SPC有兩個重要指標：過程穩(wěn)定和能力達標。前者基于控制圖控制，如圖3所示，可實現(xiàn)過程的診斷、改善控制、改進確認。后者是穩(wěn)定狀態(tài)下的加工能力滿足技術標準的程度，以CPK能力值評價。對于長周期生產(chǎn)產(chǎn)品的過程穩(wěn)定性，能力值要求在±3σ的變差范圍內(nèi)計算如式(1)、式(2)。當CPK大于等于1.33，統(tǒng)計學表示其不合格品率為67 ppm(百萬分之不合格率)。

(1)

CPK= min(CPU,CPL)

(2)

2.2 缸孔位置度能力穩(wěn)定性現(xiàn)狀

缸孔位置度是會直接影響產(chǎn)品功能的特性參數(shù)。在發(fā)動機性能方面也是致命性指標。對其過程的管控，確定穩(wěn)定性生產(chǎn)可有效遏制風險。因此生產(chǎn)過程中會通過定期收集抽檢的位置度數(shù)據(jù)作為樣本以評估過程是否穩(wěn)定。缸孔采用三坐標進行測量，測量精度較高，位置度檢測是自上而下取5個截面如圖4所示以分析其能力。

圖4 缸孔位置度5個測量截面

圖5是某月精鏜缸孔的位置度單值進程圖及能力結(jié)果，過程數(shù)據(jù)存在波動且存在異常突跳點，能力顯示紅臉表示能力不達標。三個缸孔中其中2缸的位置度能力最低至0.56，1缸缸孔1.19，嚴重不符合1.33的能力指標。

圖5 某月的缸孔位置度單值圖

2.3 過程影響因素分析

針對問題現(xiàn)狀，基于人、機、料、法、環(huán)、測等因素，對生產(chǎn)過程中存在可能性因素進行分析。排除毛坯變換、不同三坐標的測量誤差、測量系統(tǒng)穩(wěn)定、設備能力穩(wěn)定等因素，主要分析以下原因：①是否與前序粗鏜、半精鏜時底孔的位置度能力有關，結(jié)果前序的位置度能力穩(wěn)定；②分析拉丁自身的加工誤差，結(jié)果表明都在要求范圍內(nèi)；排除定位定位系統(tǒng)及前序的能力因素，鎖定原因在精鏜工位。③重新計算和校核缸孔尺寸鏈是符合產(chǎn)品要求；④加工程序中采用零點程序中R參數(shù)實現(xiàn)對每個缸孔的位置度補償，檢查程序中的補償值是否異常，參數(shù)是隨著程序原點寫入的因此不會發(fā)生任何變化；⑤重新測量機床的主軸精度和機床主軸的重復定位精度，采用手動和MDA兩種模式復測，結(jié)果X軸反向間隙0.006 mm；機床重復定位精度均在要求范圍內(nèi)；⑥判斷機床工作臺是否有墊屑，導致定位姿態(tài)不平穩(wěn)影響位置度，在產(chǎn)線隨機挑選工件，對應拉釘端面粘貼約0.1～0.2厚度膠帶及鐵屑等異物，實驗驗證機床墊屑時報警功能正常，排除墊屑原因，如圖6a所示；⑦修改3個缸孔的加工順序后，但位置度未隨著孔位變化，如圖6b所示。

(a) 墊屑實驗(b)加工順序修改圖6 缸孔墊屑實驗及加工順序修改

3 影響因素分析及實驗驗證

排除人、機、料、法、測的原因后，重點對環(huán)境因素進行分析，分析溫度對位置度的影響。

首先驗證來料前工件溫度是否變差較大。在產(chǎn)線堵料時，對工件進行溫度測量，溫度在20 ℃～22 ℃之間；正常過件時，工件溫度波動在26 ℃～30 ℃之間，工件自身溫度偏高，而溫差來源主要是前一工序存在冷風通道，若發(fā)生堵料時，工件在冷風通道內(nèi)的暫停時間較長，因此冷卻時間比正常過件長致工件溫度較低。

為進一步驗證來料前溫度對缸孔位置度的影響，做了2個實驗。

實驗1：對加工過程中主軸溫度、刀具溫度、車間環(huán)境溫度、來料前的工件溫度等因素同時進行數(shù)據(jù)采集及分析。如表1所示采集的部分數(shù)據(jù)。

表1 主軸、刀具、工件、環(huán)境等溫度因素分析

對上述溫度因素進行全天的數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，加工環(huán)境溫度的變差較少而精鏜缸孔來料前的溫度不穩(wěn)定且波動較大。因此排除主軸、刀具、車間溫度的影響因子。最后通過連續(xù)過件測量工件溫度及對應的位置度，發(fā)現(xiàn)溫度在22°～26°的區(qū)間與27°～32°區(qū)間對應的位置度存在分層現(xiàn)象，溫度大于等于27°時缸孔位置度偏高，極差較大，如圖7所示。

(a) 精鏜缸孔來料溫度 (b) 工件溫度對應的位置度圖7 位置度隨工件溫度分層現(xiàn)象

實驗2：將精鏜前的55件工件靜止一天，確保該55件溫度一致(溫差極小)，之后連續(xù)加工該54件并全部在同一三坐標進行檢測。結(jié)論：缸孔位置度能力很足，證明缸孔位置度波動是由于工件溫度異常波動導致。綜上所述，缸孔位置度隨著工件溫度變化而變化。

4 改善控制及能力提升

實驗結(jié)果證明來料前的工件溫度是影響鋁合金材質(zhì)缸孔過程穩(wěn)定性的主要原因，因此如何管控來料前工件溫度是解決的首要任務。 精鏜缸孔前：工件需經(jīng)過清洗機，清洗后的工件溫度過高，需經(jīng)過冷風通道進行冷卻。通過排查發(fā)現(xiàn)冷風通道冷卻能力不足，未使工件冷卻至室溫。

為保證每個工件在正常過件時的工件溫度也保持在22°～26°內(nèi)，提升冷風通道的冷卻能力，進行如下改善：①清理冷卻水回路的過濾網(wǎng)；②在精鏜缸孔上一工序的冷風通道里增加冷卻水加壓水泵，提高冷卻水的流通及冷卻溫度；③優(yōu)化物料通道邏輯，在工件經(jīng)過通道口的最后料位區(qū)間增加暫停，加強工件冷卻時間；④避免夏天過曬，在精鏜缸孔工位增加遮陽罩，避免工件直曬。

圖8 增加冷卻水加壓泵

如圖8所示是基于合理工藝參數(shù)及增加冷卻泵設備改造，次月位置度數(shù)據(jù)如圖9所示：自左向右分別是1～3個缸孔5個截面的整改前后的能力對比圖，改善后缸孔截面最低能力值是1.81，符合達標能力值。(注：其中淺灰、黑色柱狀圖是改善前的能力數(shù)據(jù)，灰色柱狀圖是設備改造后的能力數(shù)據(jù))。

圖9 整改前后的能力對比圖

連續(xù)跟蹤數(shù)據(jù)，如表2是連續(xù)6個月的過程能力數(shù)據(jù)，除6月份CPK能力值均大于1.33，分析排查是冷風通道的過濾網(wǎng)生銹堵塞導致冷卻能力降低，工件溫度不穩(wěn)定，通過更換過濾網(wǎng)，次月能力合格。

表2 連續(xù)6個月過程能力CPK值

以上結(jié)果表明控制來料溫度穩(wěn)定至22°～26°對缸孔位置度穩(wěn)定性有很大影響，根因分析準確，改善控制有效，使過程能力的穩(wěn)定性明顯得以提升，同時也降低了過程缸孔位置度不合格率。

5 結(jié)論

針對生產(chǎn)中缸孔位置度能力不達標現(xiàn)狀，采用SPC質(zhì)量工具從人機料法環(huán)測等方面對影響過程能力的因素進行分析。通過對比來料前的工件溫度、加工環(huán)境溫度、主軸溫度、刀具溫度、加工后工件溫度，結(jié)果表明缸孔位置度的不穩(wěn)定與來料前的加工溫度有正強相關關系；通過優(yōu)化工藝參數(shù)及增加冷卻水加壓水泵，穩(wěn)定來料工件溫度在22°～26°之間，缸孔位置度穩(wěn)定性得到明顯改善和控制，連續(xù)6個月滿足CPK要求，避免缸孔位置度超差的風險，降低了不合格品率及工廢成本，進而提高發(fā)動機及整機的運行穩(wěn)定性。也為同行業(yè)內(nèi)研究其他機床能力不穩(wěn)定的特性參數(shù)提供了問題解決方向和可行性意見。