摘要：本文主要研究鑄鐵缸體在機械加工過程中產生鐵屑及各相交面、交叉孔產生的毛刺翻邊狀態(tài)，將其與對應刀具及工藝進行關聯(lián)性分析，形成經驗數(shù)據庫。經過相關的分析，提出一種降低金屬顆粒去除難度的加工工藝方案，并提出與之對應的專用刀具設計，在生產過程中進行充分驗證，結果效果明顯。相關的措施降低金屬顆粒去除、清潔的難度，能夠在整機下線時較好控制金屬顆粒度符合產品要求，提高生產效率。通過針對性研究，形成問題解決經驗，給行業(yè)內相關問題攻關解決提供有效借鑒。

關鍵詞：鑄鐵缸體；油道；交叉孔；相交面；金屬顆粒度

中圖分類號：TH161 文獻標識碼：A

0 引言

缸體的機械加工是發(fā)動機整機生產中的重要環(huán)節(jié)，缸體作為發(fā)動機的“三大件”之一，其加工質量對發(fā)動機的性能和運行可靠性有著至關重要的影響。特別是清潔度的控制，一直是發(fā)動機缸體生產制造當中的重要環(huán)節(jié)，而缸體切削加工過程中，影響清潔度的往往是兩面相交產生的翻邊、兩孔交叉產生的毛刺、切削金屬碎屑等金屬顆粒物[1]。發(fā)動機缸體加工產生的金屬顆粒物，對于發(fā)動機活塞運轉、零部件配合運行、發(fā)動機運行的可靠性及耐久性等影響重大。缸體加工未清理干凈的金屬顆粒物會摻雜在發(fā)動機冷卻水道、潤滑油液當中，可能加劇運動部件的磨損，縮短運動構件的使用壽命，甚至造成關鍵通道的堵塞，造成發(fā)動機運行異常。金屬顆粒物存在發(fā)動機內部，可能會導致發(fā)動機工作故障增多，增加發(fā)動機運轉的不穩(wěn)定性，對于用戶使用存在較大的安全風險。

所以，控制發(fā)動機缸體加工生產的金屬顆粒物是重中之重，本文主要對當前缸體刀具加工中金屬顆粒物的產生、去除、清洗進行分析研究。通過工藝方案優(yōu)化及刀具設計優(yōu)化，將產生的金屬顆粒物徹底清理出缸體內部，使缸體產品下線時清潔度得到有效提升，提高發(fā)動機整體清潔度，提高發(fā)動機運行的可靠性及穩(wěn)定性。

1 當前缸體清潔度現(xiàn)狀

1.1 清潔度標準及現(xiàn)狀

以某機型發(fā)動機缸體為例：其成品清潔度要求油道重量≤ 10 mg，油道金屬顆粒度要求≤ 600 μm（油道極限601-1 000 μm ≤ 3 顆，1 001-2 000 μm ≤ 1 顆），整個缸體清潔度重量≤ 30 mg。檢測頻次：每天每臺設備檢測1 件。

該型發(fā)動機缸體量產階段前期，通過清潔度抽檢數(shù)據分析發(fā)現(xiàn)，其金屬顆粒度最高重量達1.25 g，且油道最高重量達1.07 g，油道金屬顆粒度超過2 000 μm，清潔度嚴重不滿足要求。在統(tǒng)計現(xiàn)場不達標物料情況時發(fā)現(xiàn)，清潔度超差占比達到80% 以上，其中87% 是油道金屬顆粒度超差導致的清潔度超差，是缸體質量問題中亟需攻關解決的重要問題（圖1）。

1.2 油道金屬顆粒產生機理

缸體腔內存在大量油道，各個油道之間相互交錯互通，形成了發(fā)動機潤滑通道。在加工這些交錯油道時，刀具與金屬材料間產生擠壓與撕裂，孔壁的交叉位置塑性變形區(qū)往往會產生毛刺翻邊[2]，運行中掉落則會成為金屬顆粒物存在于油道內部，大大影響著發(fā)動機的性能及穩(wěn)定。

某型發(fā)動機油道存在交叉孔17 個、存在1 個盲孔、2 個T 型孔，結構復雜，加工中極易產生毛刺，降低油道金屬顆粒度成為瓶頸問題（圖2）。

2 缸體油道金屬顆粒度優(yōu)化研究

針對鑄鐵材質發(fā)動機缸體的油道金屬顆粒度超差問題，行業(yè)內普遍采用“減少，清理，清洗”三大措施進行優(yōu)化[3]?？梢酝ㄟ^工藝優(yōu)化、過程把控、清理去除等手段保證產品下線的合格率及穩(wěn)定性。

2.1 缸體加工工藝優(yōu)化研究

與油道金屬顆粒度相關的缸體加工工藝過程主要有：各油路系統(tǒng)切削加工+ 中間清洗+ 去毛刺工位+ 最終清洗+ 烘干下線。評估各油路系統(tǒng)加工切削的工藝順序，發(fā)現(xiàn)油道交叉的順序是混亂的，導致毛刺的朝向并不統(tǒng)一。而去毛刺工位使用鋼絲毛刷僅在主油道中進行清理，若毛刺未朝向主油道一側，鋼絲毛刷無法對交叉孔處毛刺進行有效去除，清洗工位想要沖掉毛刺極為困難，即會導致金屬顆粒物殘留。通過抽檢10 件當前工藝加工油道后的交叉孔毛刺狀態(tài)，內窺鏡觀察毛刺翻邊朝向，其毛刺方向不一致，有朝向主油道內的，也有向主油道孔外的（圖3），主油道孔外毛刺占比70%，殘留較多（表1）。

為此，通過分解缸體油路，找出主要相交油道的“主干道”（主油道），結合設備夾具及加工節(jié)拍要求，調整油道加工工藝順序，使所有交叉油孔加工后，毛刺方向朝向一個孔內（或朝向一個方向），便于一次性去除。最終，確定方案調整油道加工工藝順序，先加工主油道，后加工交叉油道使毛刺統(tǒng)一朝向主油道軸線。

2.2 主油道毛刺去除優(yōu)化研究

油道交叉孔的毛刺去除，在行業(yè)內通常使用非接觸性的高壓水柱沖洗去毛刺及接觸式的鋼絲毛刷去毛刺[4]。高壓水柱沖洗毛刺往往去除不徹底，殘留毛刺較多；鋼絲毛刷去毛刺也是某型發(fā)動機缸體在用工藝，其去毛刺有一定局限性，在鑄鐵缸體高硬度的特性下毛刺去除也存在不徹底情況，并且毛刷在磨損后期鋼絲有極大概率掉落，造成外部輸入的金屬顆粒物污染，卡滯在油道內嚴重影響缸體下線質量。

對此，可研究發(fā)動機缸體去毛刺專用刀具，徹底去除油道內毛刺翻邊，避免鋼絲掉落卡滯風險，便于清洗工位徹底沖凈油道金屬顆粒雜物（圖4）。

2.3 油道清洗優(yōu)化研究

在行業(yè)內保證清潔度、去除金屬顆粒物的最終手段仍是清洗技術，以浪涌清洗方式把缸體內絕大多數(shù)鐵屑、雜質沖到過濾液當中，再輔以定點固定高壓沖洗把一些帶角度無法隨沖洗液流出缸體的殘留金屬顆粒物沖出缸體內部[5]，最終烘干下線實現(xiàn)缸體腔內清潔。

排查缸體清洗工位工藝設定，當前浪涌清洗順序為：注水—浪涌清洗—定點清洗—泄水（圖5）。定點清洗時水箱是滿的，抵消了噴嘴噴出的水流壓力，進而導致無法有效去除油道金屬顆粒雜質?？紤]可將浪涌清洗順序優(yōu)化，實現(xiàn)定點清洗無紊流干擾。

定點清洗過程中，清洗油道盲孔時噴嘴角度當前是對中直噴，對于盲孔位置的金屬顆粒物易造成底部堆積，不利于清洗。可研究優(yōu)化清洗噴嘴角度或者噴淋方式將金屬顆粒物沖出孔外。

2.4 優(yōu)化研究小結

以上，從發(fā)動機缸體油道的加工工藝進行拆解研究，明確后續(xù)優(yōu)化驗證方向為集中油道毛刺方向，便于后工位進行清理。如圖6 所示，對某型發(fā)動機缸體清理毛刺手段措施進行研究，立足當下去毛刺效果現(xiàn)狀和不足，對去毛刺刀具提出優(yōu)化設計方向，設計一款油道交叉孔專用去毛刺刀具，徹底去除缸體腔內交叉孔金屬顆粒毛刺。

同時，對清洗技術進行分析研究，明確當前清洗方式存在的問題，為后續(xù)優(yōu)化浪涌清洗及定點清洗提供參考，進一步提升產品清潔度。

3 方案驗證及實施效果

3.1 優(yōu)化油道加工順序

通過優(yōu)化各交叉油孔的加工順序，使油道交叉位置的毛刺朝向主油道中心，驗證5 件優(yōu)化加工順序后毛刺朝向情況，均向主油道一側突出。對比5 件優(yōu)化前后工件去毛刺效果，優(yōu)化后油道毛刺去除效果較好，陸續(xù)通過最終清洗工位，油道金屬顆粒度有明顯差異，優(yōu)化工藝順序后缸體油道金屬顆粒度明顯降低（圖7）。

3.2 油道去毛刺刀具優(yōu)化

根據當前油道交叉孔毛刺的形態(tài)方向及去毛刺效果評估，工藝上已經通過先加工主油道再加工交叉油道的方式將所有交叉孔毛刺方向集中在主油道內。我們提出一種新的專用的油道去毛刺刀具（圖8）。

去毛刺刀具的設計：要關注堅固殘留毛刺的去除效果，應當使用硬度較高的合金材料作為刀頭（圖9）。還要避免刀具損傷主油道內壁及孔口，刀具尺寸應當略小于主油道直徑。新的專用去毛刺刀具采用硬質合金刀頭，耐磨、壽命長，能夠將堅固的毛刺徹底去除。創(chuàng)新性地增加刀具冷卻側噴孔，當?shù)毒哌M入主油道內時，切削液沖出使刃口與交叉孔壁接觸，刀具環(huán)繞孔壁進行毛刺去除工作。

在去毛刺過程中刀具前端冷卻孔同時噴出冷卻清洗液，能夠將切削下來的毛刺沖洗到缸體表面，便于清洗，避免殘留。

根據產品主油道孔徑加工刀具設計標準：φ12.00±0.05 mm，去毛刺刀具最大切削直徑設計為φ12.05 mm，基于去毛刺刀具功能設計，去毛刺刀具刃口直徑設計應低于φ11.95 mm，則取去毛刺刃口設計直徑φ11.90 mm。

結合設計理念：去毛刺刀具旋轉過程中產生偏移，使刀具環(huán)切去除孔內毛刺。則需要設計刀具旋轉過程中冷卻液沖擊反力大小及轉速進給參數(shù)，確定刀具旋轉偏移修正系數(shù)。偏移距離與刀具加工過程中的轉速、切削力、作用力等相關，綜合計算后設計刀具內冷開孔方式及刃口設計。

專用去毛刺刀具參數(shù)的設定：結合以往使用去毛刺毛刷的參數(shù)設定以及刀具加工工藝參數(shù)設定的經驗，對比不同參數(shù)的毛刺去除效果。根據刀具直徑以及硬質合金刀頭材質，查手冊得出建議切削參數(shù)Vc =80 ～ 100（m/min），每齒進給f =0.5 ～ 1.0（mm/T），去毛刺刀具共2 個刃口，故每轉進給fp =1.0 ～ 2.0（mm/r），根據加工經驗設定3 組參數(shù)進行對比（表2）。

計算轉速和進給如下：

分別驗證3組參數(shù)及毛刷去毛刺效果，發(fā)現(xiàn)③組去毛刺效果較好。毛刷去毛刺有殘留，低轉速下專用去毛刺刀具也去除不完全，如②組加工情況；而高轉速下去除毛刺的同時也剮蹭孔壁出新的毛頭，如④組。綜上考慮，應當使用較高轉速及較高進給（適當）S2273F4546，配合設備及夾具對缸體內部油道的毛刺進行充分清理（圖10）。

3.3 油道清洗優(yōu)化

如圖11 所示，對浪涌清洗工藝順序進行優(yōu)化，泄水后再定點清洗，避免定點清洗時紊流影響清洗效果，同時解決了因對沖現(xiàn)象導致水流壓力降低的問題，增大了清洗壓力和水量。對于定點清洗則將油道盲孔噴嘴清洗角度由直噴改為斜噴，噴淋側壁避免水柱將金屬顆粒雜質沖積到盲孔底部，解決油液循環(huán)時金屬顆粒又被帶出來影響發(fā)動機正常運行的問題。

完成對油道加工工藝優(yōu)化、專用去毛刺刀具的設計、清洗技術的優(yōu)化，某型缸體油道的金屬顆粒度得到了有效控制。如圖12所示，缸體的清潔度問題得到了很好的解決，措施實施后連續(xù)抽檢21 件缸體，油道金屬顆粒度合格率提升到了100%。

4 結論

綜上，從加工工藝布局、專用刀具設計、清洗方式優(yōu)化三個方面進行發(fā)動機缸體金屬顆粒度超差問題攻關，提高了發(fā)動機缸體腔內金屬顆粒的去除效果，有效保證發(fā)動機清潔度，提高發(fā)動機運行的穩(wěn)定性。最終，某型缸體油道的加工工藝是：先加工主油道孔，再加工盲孔及與主油道交叉油孔，使油道交叉孔處毛刺翻向主油道徑向；設計交叉孔去毛刺專用刀具替代鋼絲毛刷進行主油道毛刺環(huán)切去除；優(yōu)化清洗順序及噴槍方式，利用高壓清洗液將缸體腔內殘留金屬顆粒物沖出，對油道毛刺進行徹底清潔。

在實現(xiàn)缸體金屬顆粒物去除目標的同時，產線整體節(jié)拍不變，油道去毛刺節(jié)拍降低了5.0 s，清洗節(jié)拍增加了2.0 s，總生產效率未受影響。加工油道的刀具損耗單件成本不變，去毛刺工裝及刀具單件成本降低了0.16 元/ 件，同時避免了鋼絲毛刷去毛刺殘留脫落卡滯鋼絲的風險，對提高產品質量有較大幫助（表3）。

5 結束語

本文通過對發(fā)動機缸體切削加工工藝的研究，分解金屬顆粒物質產生的過程，收集分析金屬顆粒物的形態(tài)及殘留狀態(tài)，匯總數(shù)據進行比對研究，可以有效提升針對發(fā)動機缸體清潔度相關問題解決的效率。本次研究的成果，這對于汽車發(fā)動機產品生產的品質把控和產能效率提升有著重要借鑒意義，進而為發(fā)動機穩(wěn)定而高效運行提供重要保障。

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作者簡介：

曾維康，本科，助理工程師，研究方向為發(fā)動機缸體缸蓋機加工工藝。