刀尖圓弧半徑對(duì)活塞異形銷(xiāo)孔粗糙度影響分析

洪圣

摘 要：精鏜銷(xiāo)孔是活塞加工中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，而異形銷(xiāo)孔作為銷(xiāo)孔工藝中的核心技術(shù)，是活塞制造業(yè)的發(fā)展方向。異形銷(xiāo)孔加工過(guò)程中，刀尖圓弧半徑的大小將直接影響到活塞表面的粗糙度。根據(jù)工件加工的節(jié)拍要求，調(diào)試設(shè)備的不同參數(shù)，如主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量等，以滿(mǎn)足粗糙度的要求。通過(guò)計(jì)算，找到了三者間最佳的一個(gè)平衡點(diǎn)，滿(mǎn)足了工藝要求，并探索出適合異形銷(xiāo)孔仿形靠模加工的刀尖圓弧半徑R值。

關(guān)鍵詞：異形銷(xiāo)孔；刀尖圓弧半徑；粗糙度

中圖分類(lèi)號(hào)： TG519.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）26-161-2

0 引言

目前發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展模式如下：燃油耗、輸出功率和轉(zhuǎn)速不斷提高，活塞本體所承受的燃?xì)鈮毫蛻T性力越來(lái)越大，活塞銷(xiāo)孔所承受的載荷也越來(lái)越大。作用在活塞上的燃?xì)鈮毫κ且詣?dòng)態(tài)分布載荷的形式作用在活塞銷(xiāo)孔中的。由于爆發(fā)壓力很大，活塞銷(xiāo)軸和活塞本體都要發(fā)生不同程度的變形。當(dāng)最大燃?xì)鈮毫ψ饔玫乃查g，由于銷(xiāo)孔與銷(xiāo)座之間接觸面積較小，使得銷(xiāo)座承受的載荷不均勻。另外，由于受到熱變形的影響，銷(xiāo)孔內(nèi)部所受應(yīng)力大小也是不一致的。其中，銷(xiāo)孔內(nèi)側(cè)受應(yīng)力最大，外側(cè)受應(yīng)力最小。這樣，銷(xiāo)孔表面上部的應(yīng)力相對(duì)集中，影響到銷(xiāo)孔整體的受力情況。因此，將傳統(tǒng)的圓柱型銷(xiāo)孔改為“異形銷(xiāo)孔”，改變了銷(xiāo)孔的幾何形狀，從而解決了銷(xiāo)孔內(nèi)側(cè)面應(yīng)力集中的問(wèn)題、也使銷(xiāo)座的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷得到有效降低、提高銷(xiāo)座的承載能力，這也是將來(lái)活塞制造業(yè)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。[1]

1 異形銷(xiāo)孔加工方式及加工要求

1.1 異形銷(xiāo)孔加工方式

活塞的銷(xiāo)孔與銷(xiāo)座之間的受力載荷是不均勻的，其基本原理為受力負(fù)荷越大，均勻性越差。所以，當(dāng)受力負(fù)荷較小時(shí)，銷(xiāo)座的變形也較小，受力負(fù)荷比較均勻。反之，當(dāng)受力負(fù)荷較大時(shí)，銷(xiāo)座的變形也相應(yīng)增加，導(dǎo)致兩者間的負(fù)荷分布變得不均勻，這樣活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)里的工況將大大下降。因此，根據(jù)上述結(jié)論需要將銷(xiāo)孔及銷(xiāo)座的受力變形情況根據(jù)理想狀態(tài)做出一定的修正，使兩者的負(fù)荷受力在接近或達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，銷(xiāo)座的載荷分布能夠盡可能的均勻。如下圖所示，圖1為異形銷(xiāo)孔型線(xiàn)的修正示意圖。從圖中可以看到，異形銷(xiāo)孔的上側(cè)面型線(xiàn)應(yīng)該盡量滿(mǎn)足銷(xiāo)座變形情況。這里分兩種情況進(jìn)行說(shuō)明，當(dāng)受力負(fù)載較小時(shí)，銷(xiāo)孔與銷(xiāo)座接觸面為銷(xiāo)座的端面，此區(qū)域面積較小。當(dāng)受力負(fù)載較大時(shí)，接觸面積會(huì)覆蓋整個(gè)銷(xiāo)座端面，接觸面積顯著增加。隨著接觸面積的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)燃?xì)獗l(fā)瞬間所產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)得到有效降低，使得活塞在銷(xiāo)孔區(qū)域的受力承載能力得到加強(qiáng)。

如圖1所示，對(duì)銷(xiāo)孔的上側(cè)面型線(xiàn)進(jìn)行一定程度的修正，使之可以滿(mǎn)足銷(xiāo)座載荷分布均勻性的要求。在銷(xiāo)孔加工工藝中，一般采用鏜削加工的工藝。由于鏜削加工的原理，一般異形銷(xiāo)孔的型線(xiàn)（Profile）都被設(shè)計(jì)成對(duì)稱(chēng)性。

1.2 異形銷(xiāo)孔加工要求

銷(xiāo)孔加工分為粗加工和精加工兩道工序，粗加工使用的刀具是粗鏜銷(xiāo)孔組合刀具（成型刀），加工后的精度要求為（0，+0.05mm）。定位和夾緊方式采用止口定位，壓頭夾緊。精加工使用的刀具是精鏜銷(xiāo)孔刀，加工精度為（-0.002mm，+0.002mm）。

異形銷(xiāo)孔對(duì)刀具加工軌跡有如下要求：鏜刀旋轉(zhuǎn)加工，走刀軌跡為橢圓或圓形。橢圓軌跡中，橢圓的長(zhǎng)軸位于水平方向，短軸位于垂直方向。與此同時(shí)，刀具沿軸向走傾斜角度。根據(jù)上述異形銷(xiāo)孔加工要求，對(duì)鏜削加工設(shè)備有較高要求，需要專(zhuān)門(mén)的精鏜鏜床。

2 PCD刀具性能介紹

精鏜銷(xiāo)孔工序所使用的鏜刀一般采用PCD刀具，它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

2.1 硬度和耐磨性

PCD的主要材料是聚晶金剛石，其硬度與硬質(zhì)合金相比，提高了3～4倍，非常接近天然金剛石的硬度，耐磨性提高了近100倍。金剛石晶粒具有以下特性：各個(gè)方向上自由分布，沒(méi)有固定的方向性，所以其硬度和耐磨性在各個(gè)方向上能夠保持一致，很難產(chǎn)生裂紋。這是它相比一般的單晶金剛石較為突出的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

2.2 摩擦系數(shù)較低，彈性模量較高

PCD刀具具有較低的摩擦系數(shù)，一般在0.1～0.3左右。由于摩擦系數(shù)較小，使得切削力和切削溫度都能得到有效控制，較一般的刀具有不同程度的降低。另外，PCD刀具的彈性模量較高，所以在切削過(guò)程中刀刃不易產(chǎn)生變形，延長(zhǎng)了刀具壽命。

2.3 導(dǎo)熱性能好，熱膨脹系數(shù)較低

PCD刀具具有非常好的導(dǎo)熱性能，因此在切削過(guò)程中刀具與工件所產(chǎn)生的熱量能快速散去，保證了切削區(qū)域的低溫特性，延長(zhǎng)了刀具壽命。另外，由于熱膨脹系數(shù)較低，因此刀具在加工過(guò)程中變形較小。

2.4 刃口鋒利，刃面粗糙度小

PCD刀具的刃口非常鋒利，一般刃口鋸齒峰值小于5μm，刃口鈍圓半徑小于4μm。一般而言，PCD刀具前刀面表面粗糙度可達(dá)0.01μm，這樣可以使切屑沿前刀面流出，減小積屑瘤的產(chǎn)生。[2]

3 刀尖圓弧半徑R對(duì)銷(xiāo)孔粗糙度的影響

在一般的切削加工中，不考慮刀具的刃磨質(zhì)量，刀尖圓弧半徑r是影響硅鋁合金活塞表面粗糙度的主要因素。因此，需要尋找到最佳的r值，使它滿(mǎn)足加工要求：殘留面積高度較小，加工時(shí)無(wú)振動(dòng)，且工件表面粗糙度最小。所以，通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)的方法選取最佳的r值。

4 異形銷(xiāo)孔精加工刀具刀尖圓弧半徑的選擇

4.1 主軸轉(zhuǎn)速（rpm）

EA888活塞采用異形銷(xiāo)孔，根據(jù)異形銷(xiāo)孔加工的方式，鏜刀跟蹤仿形靠模加工。因此，在加工時(shí)，設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速（rpm）不能太高，否則無(wú)法跟蹤靠模，使得銷(xiāo)孔型線(xiàn)超差。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般活塞的加工轉(zhuǎn)速為8000r/min，而異形銷(xiāo)孔活塞加工的轉(zhuǎn)速為1600r/min。

4.2 進(jìn)給量（feedrate）

在相同的加工距離下，為保證生產(chǎn)節(jié)拍，必須提高進(jìn)給量（feedrate）。根據(jù)節(jié)拍要求，設(shè)備的進(jìn)給量必須達(dá)到0.15mm/r。

4.3 刀尖圓弧半徑（R）與表面粗糙度關(guān)系

4.4 刀尖圓弧半徑R確認(rèn)

根據(jù)公式R=×125，為滿(mǎn)足粗糙度的要求，R值應(yīng)該越大越好。但是，如果圓弧半徑過(guò)大，加工中的切削力會(huì)增加，容易產(chǎn)生振動(dòng)，反而會(huì)影響加工面的精度。而且，刀具圓弧半徑過(guò)大，切削的處理性能就會(huì)變差。因此，在選擇刀尖圓弧半徑R的數(shù)值時(shí)，應(yīng)遵循：在滿(mǎn)足粗糙度要求的前提下，盡可能選擇較小的半徑（R值），以免產(chǎn)生上述不利于加工的情況。因此，我們選擇最接近9.375（μm）數(shù)值的R10作為精鏜銷(xiāo)孔刀具的刀尖圓弧半徑。

4.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

選取一把新刀，連續(xù)加工1000個(gè)活塞，分別選取第1個(gè)，第51個(gè)，第101個(gè)……第1001個(gè)活塞，測(cè)量銷(xiāo)孔粗糙度。共計(jì)21個(gè)數(shù)值。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，銷(xiāo)孔粗糙度保持在0.3～0.4之間，符合工藝要求。

5 結(jié)論

異形銷(xiāo)孔硅鋁合金精鏜銷(xiāo)孔加工時(shí)，對(duì)于鏜刀的選擇應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

①必須考慮到異形銷(xiāo)孔加工特點(diǎn)，采用仿形靠模加工銷(xiāo)孔型線(xiàn)，因此不宜采用較高轉(zhuǎn)速；

②考慮到生產(chǎn)節(jié)拍，為平衡較低的轉(zhuǎn)速，必須采用較快的進(jìn)給量；

③為滿(mǎn)足表面粗糙度要求，并考慮到較快的進(jìn)給量，必須使用R值較大的刀尖圓弧半徑；

④考慮到刀尖圓弧半徑過(guò)大帶來(lái)的負(fù)面影響，應(yīng)采用滿(mǎn)足粗糙度要求的刀尖圓弧半徑R值中的最小值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李勇，楊曉京.刀尖圓弧半徑對(duì)單晶銅納米切削過(guò)程影響的分子動(dòng)力學(xué)分析[J].材料導(dǎo)報(bào)，2015，02：155-158+166.

[2] 張寶國(guó)，劉戰(zhàn)強(qiáng)，張麗，劉學(xué)強(qiáng).聚晶金剛石（PCD）刀具在活塞加工中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)，2007年41期.