柴油機活塞環(huán)槽的加工工藝研究

徐建兵，王光軍，汪洋

?

柴油機活塞環(huán)槽的加工工藝研究

徐建兵，王光軍，汪洋

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

通過對某船用柴油機活塞環(huán)槽的結構特點及加工難點的分析，介紹了該活塞環(huán)槽加工的裝夾方法，并通過工藝試驗制定了經(jīng)濟、可行、穩(wěn)定的活塞環(huán)槽加工工藝，較好地解決了活塞加工中環(huán)槽不合格率較高的問題。

活塞環(huán)槽 裝夾方法 加工工藝

0 引言

活塞是發(fā)動機的“心臟”，承受交變的機械負荷和熱負荷，是發(fā)動機中工作條件最惡劣的關鍵零部件之一[1]?；钊墓τ檬浅惺軞怏w壓力并通過活塞銷傳給連桿驅使曲軸旋轉，由于活塞在高溫、高壓、高速、潤滑不良的條件下工作[2]，活塞的加工質量直接影響著發(fā)動機工作的穩(wěn)定和壽命?；钊h(huán)槽用于安裝活塞環(huán)，在發(fā)動機工作時決定著活塞環(huán)密封和調節(jié)機油的作用，其加工質量的好壞決定著整個活塞的品質。

1 柴油機活塞環(huán)槽的特點以及工藝難點分析

某船用柴油機活塞的零件結構簡圖如圖1所示，活塞材質為硅鋁合金（ZL108），該型活塞上需加工6個環(huán)槽（如圖1中B1-B6位置），環(huán)槽的公差范圍0～+0.02mm，環(huán)槽的表面粗糙度Ra1.25，環(huán)槽的垂直度0.03，圓跳度0.03，精度要求高。

圖1 某柴油發(fā)動機活塞環(huán)槽示意簡圖

按照先前的加工工藝進行生產(chǎn)，環(huán)槽加工的不合格率較高，占活塞不合格率的60％左右。不合格的環(huán)槽主要是尺寸精度和表面粗糙度不達標。為確保環(huán)槽加工的尺寸精度以及表面粗糙度，需要采用散熱性好，刃部鋒利、刀面光滑的刀具進行加工，同時改進加工方法，調整環(huán)槽加工的加工余量和走刀次數(shù)，確定加工時的主軸轉速、進給量、背吃刀量。因此，有必要通過一定的工藝摸索和試驗，并對各項因素進行分析比較，制定出一種滿足質量要求，經(jīng)濟合理的活塞環(huán)槽加工方法。

2 裝夾方式的實現(xiàn)

由于活塞尺寸規(guī)格大、質量大，表面尺寸精度和粗糙度要求高，因此在環(huán)槽加工時，設計了專用的裝夾工具（見圖2）。裝夾時，用止口盤與活塞端面定位，一個專用拉桿和受力筒通過活塞的銷孔和車床的主軸將活塞拉緊，另一端通過頂針固定。

圖2 活塞環(huán)槽加工裝夾簡圖

裝夾時，先將止口盤用三爪卡盤夾緊，止口盤的臺階面在裝夾后經(jīng)過二次加工，以保證與車床主軸的同軸度，然后將活塞裝在止口盤上，活塞內孔與止口盤的臺階面的配合間隙保證在0.05 mm以內，同時用拉桿借助受力筒將活塞拉緊，利用受力筒與活塞的銷孔受力來保證活塞安裝的夾緊力。同時，利用頂針頂住頂針孔，將活塞的另一端固定。這樣活塞加工過程中既能保證與車床主軸的同軸度，又能保證得到較大的夾緊力，防止活塞自身的質量不平衡和切削力產(chǎn)生的振動。在后續(xù)加工中證實，該裝夾方法很好地控制了活塞環(huán)槽加工時產(chǎn)生的跳動誤差。

3 柴油機活塞環(huán)槽加工工藝的研究以及實施方案

3.1 刀具的選擇

在加工過程中，采用普通合金刀片，刀具磨損嚴重，容易產(chǎn)生積屑瘤（見圖3）。分析原因，由于活塞材質為硅鋁合金，而硅鋁合金的硬度和耐磨性比其他鋁合金高，切削時刀具交替地切削軟的鋁基和硬的硅顆粒，使用普通刀具時很容易磨損并產(chǎn)生積屑瘤，使工件加工精度和表面粗糙度惡化[3]。

圖3 普通刀具加工失效

金剛石刀具具有極高的硬度和耐磨性、低摩擦系數(shù)、高彈性模量、高熱導、低膨脹系數(shù)，以及與非鐵金屬親和力小等優(yōu)點，非常適用于活塞硅鋁合金的加工[4]。結合刀具的使用經(jīng)驗，在加工時采用焊接式切刀，刀頭材料為人造聚晶金剛石復合片，刀體材料YG8。

3.2 加工方法的制定

合理選擇切削用量的原則是：粗加工時，一般以提高生產(chǎn)效率為主，但也應考慮經(jīng)濟性和加工成本；半精加工和精加工時，應在保證加工質量的前提下，兼顧切削效率、經(jīng)濟性和加工成本[5]。加工工藝過程如表1所示。

表1 活塞環(huán)槽加工工藝過程

半精加工和精加工采用一次裝夾完成，只是使用的刀具不同，其中，將精加工后磨損的刀具降級為半精加工時使用。通過換刀架自動換刀，既保證加工的質量，又最大限度的提高了刀具的使用率。

3.3 精加工工藝參數(shù)的試驗及確認

3.3.1試驗方法

試驗的目的是通過正交實驗法，找出最佳加工參數(shù)組合，達到以較低成本，同時滿足降低表面粗糙度和提高加工精度的要求。

由于活塞質量和尺寸規(guī)格比較大，出于安全考慮，主軸轉速≤ 600 r/min。通過以往的試驗資料和經(jīng)驗，確定試驗時的主軸轉速S分別為300、400、500 r/min；進給量分別為0.08，0.12，0.18 mm/r；背吃刀量a分別為0.2、0.1、0.05 mm。

3.3.2試驗結果與分析

通過對活塞環(huán)槽加工的工藝試驗，得到主軸轉速、進給量、背吃刀量三者之間與公差值與表面粗糙度的數(shù)據(jù)對比，表2為實驗的L9（34）正交表。

通過對表2中試驗數(shù)據(jù)的分析，得出以下結論：

1）影響環(huán)槽精度和表面粗糙度的因素重要程度的次序均為主軸轉速＞進給量＞背吃刀量；

2）正交實驗結果分析表明：表2中第五組加工工藝參數(shù)較為理想，但通過試驗數(shù)據(jù)位級之和分析，在背吃刀量a為0.1 mm時，能得到較好的效果；

3）對位級之和分析的參數(shù)組合（主軸轉速400 r/min；進給量0.12 mm/r；背吃刀量0.1 mm）進行驗證試驗，得到公差滿足要求，粗糙度Ra0.7的實驗結果，優(yōu)于第五組試驗的工藝參數(shù)。

表2 活塞環(huán)槽加工的工藝試驗表

4 結束語

通過對活塞環(huán)槽加工工藝的研究，在進行工藝試驗的基礎上，對試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析后，得出經(jīng)濟、可行、穩(wěn)定的活塞環(huán)槽加工工藝，較好地解決了活塞加工中環(huán)槽不合格率較高的問題，取得了良好的效果，對同類的產(chǎn)品加工也提供了寶貴的經(jīng)驗。

[1] 丁其國. 活塞環(huán)材料、工藝及潤滑狀態(tài)分析[J]. 內燃機與配件, 2010. 11: 26-27.

[2] 高暉等. 基于ANSYS活塞頭部的可靠性分析[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程, 2011. 3（236）: 15-17.

[3] 張寶國. 超硬刀具刃磨對鋁硅合金活塞加工的影響[J]. 現(xiàn)代零部件, 2011. 9: 72-73.

[4] 艾興. 高速切削加工技術[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2003.

[5] 陳宏鈞主編. 機械加工工藝設計員手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2009.

Research on Processing Technology of Diesel Engine’s Piston Ring Groove

Xu Jianbing, Wang Guangjun, Wang Yang

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TP273

A

1003-4862（2013）10-0045-02

2012-11-14

徐建兵（1981-），男，碩士研究生。研究方向：機電產(chǎn)品的設計與制造。