鋁合金表面網(wǎng)紋密封性及加工工藝性研究

李志賢　宋健

摘 要：通過分析網(wǎng)紋的形成機理，網(wǎng)格的形狀和分布等七大方面闡述了變速箱結(jié)合面采用網(wǎng)紋面對密封性能的影響。工件表面加工出平面菱形網(wǎng)紋的主要目的是通過表面網(wǎng)狀的溝槽，增加硅膠的抗拉強度和抗剪切強度，間接地增大平面密封膠的附著面積和摩擦系數(shù)，提高附著力，從而提高變速箱的密封性。

關(guān)鍵詞：形成機理；形狀和分布；切削參數(shù)；受力分析；密封性

中圖分類號：TG661 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）04-0083-05

長期以來我國大多數(shù)汽配廠家技術(shù)人員往往認(rèn)為變速箱結(jié)合面加工的越光亮越好，但采用結(jié)合面上涂膠工藝，光滑結(jié)合面的密封膠模受箱內(nèi)壓力的影響反而容易沖破，造成漏油。在汽車行進的過程中，由于車身震動和變速箱油溫升高等因素，結(jié)合面會出現(xiàn)滲油或漏油現(xiàn)象，嚴(yán)重影響其使用性能。國內(nèi)外對發(fā)動機缸體，壓力容器等高壓強結(jié)合面采用研磨技術(shù)加工成網(wǎng)紋的研究比較多，且取得良好效果。借鑒該原理，采用銑削的方法將變速器箱體結(jié)合面加工成網(wǎng)紋面，用理論分析和實踐數(shù)據(jù)對比的方法，分析網(wǎng)紋結(jié)合面對密封性的影響，達(dá)到提升變速箱殼體結(jié)合密封效果。

1 形成機理

如圖1所示，其為CAD繪制的Φ50的銑刀盤的仿真圖，銑刀從切入工件到切離工件形成上弓和下弓的紋理，圖中的黑點就是圓盤銑刀在直線進給過程中，上弓和下弓刀痕的交叉點。由于刀具刀尖在切削過程中的軌跡類似螺旋曲線，且每轉(zhuǎn)進給是個常量a（圖1縱向的進給量0.8mm），其隨時間變化的軌跡方程為：

2 網(wǎng)格的形狀和分布

將網(wǎng)紋的區(qū)域劃分為4個區(qū)域，其中A到D分別為密格，次密格，中格和疏格等四個區(qū)域區(qū)，如圖3所示。

A區(qū)為接近光整平面，D區(qū)有部分還未形成菱形網(wǎng)格，C區(qū)域就在圖1中的30°～80°之間的區(qū)域，在加工過程中，盡可能將銑刀盤的行進區(qū)域選取C區(qū)、或C+B區(qū)。

對于刀盤走圓弧插補銑削的，情況發(fā)生了變化，圖4為半徑為R的網(wǎng)紋銑刀由直線進給轉(zhuǎn)為以半徑為R的插補銑所形成的網(wǎng)紋，假設(shè)離刀盤中心的某點為P，偏離中心的距離為p，那么，以R為半徑上弓和下弓交叉點所形成的兩交點的距離：

a=（R+p）/R*a，（p≤R≤R），也就是說，圓弧插補銑削中，在不同的行進半徑上每轉(zhuǎn)的公進是隨著半徑的增大而增大，體現(xiàn)在網(wǎng)格的夾角30°～120°的C區(qū)間比刀盤直線行走時C區(qū)域加寬了。

3 網(wǎng)紋銑削對設(shè)備的要求

盤銑刀與待加工表面平行，即刀盤的旋轉(zhuǎn)軸線垂直于加工表面（per300范圍內(nèi)≤0.015），這樣就形成了切削紋與回刀紋交叉的網(wǎng)紋，如果垂直度超出一定范圍，這就只有切削紋或回刀紋的普通單紋平面。

4 網(wǎng)紋與切削參數(shù)的關(guān)系

通過上面的分析得知，網(wǎng)紋是由網(wǎng)格的長寬和槽溝的深度構(gòu)成的，通過調(diào)整刀具的轉(zhuǎn)速、進給速度來控制網(wǎng)紋的大小，如果網(wǎng)格在進給方向上的長度a（毫米），主軸轉(zhuǎn)速n（轉(zhuǎn)/分），刀盤齒數(shù)z，那么進給速度F（毫米/分）=a·n（或F=z·fz·n，其中fz為每齒進給）。槽溝的深度是通過調(diào)整銑刀盤上的尖頭刀片的軸向伸出量來調(diào)整的，可以根據(jù)具體網(wǎng)紋的要求來選擇具體的切削參數(shù)和刀片。

5 網(wǎng)紋銑刀對網(wǎng)紋形狀的影響與刀片的調(diào)整方法

常規(guī)的普通銑刀通過轉(zhuǎn)速和進給速度的調(diào)整，也能銑出網(wǎng)紋面（如圖5所示的銑刀）。該銑刀是一把5齒的普通粗銑的面銑刀，全部用帶尖角刀片，刀片的徑向跳動≤0.002，軸向向跳動同樣≤0.002，銑出來的面視覺效果也是網(wǎng)紋，但放大后是一種由凸起的孤島式的、如同編制物的網(wǎng)紋（見圖6）。

同樣這把銑刀，把其中的2片換成帶修光刃的刀片（如圖7所示），并按如下方法調(diào)試：

（1）將外修光刃與內(nèi)修光人的軸向偏差h控制在0.002以內(nèi)，徑向間距b小于修光刃的寬度；

（2）將槽溝尖角刀的徑向位置置于兩修光人中間，軸向高出修光刃（約0.015～0.02mm）；其余刀片比修光刃低約0.05mm，這樣就形成由切削刃、修光刃和網(wǎng)紋槽溝刀組成的復(fù)合銑刀，將這把銑刀選擇與上面同樣的轉(zhuǎn)速和進給，網(wǎng)紋的效果如圖9所示，顯示的網(wǎng)紋是由均勻相間交叉的溝槽與小平臺組成。

6 網(wǎng)紋的表面輪廓

以上兩種銑刀銑出來的面都是網(wǎng)紋面，微觀形狀類似，但前者手感上略微感覺粗糙，那網(wǎng)紋的粗糙度怎么來評定呢？

網(wǎng)紋表面輪廓評定參數(shù)基本上由平面Ra和Rz、Pt、Rsm來評定的，通過Rt值的變化來分析兩種網(wǎng)紋的不同， 即Rt=Zp+Zv，網(wǎng)紋銑刀通過修光刃的調(diào)整，表面輪廓會發(fā)生如圖10的變化。

如果中線不變的話，未加修光刃的Zp值大，加了修光刃后的Zp值變小了，這是由于修光刃將輪廓的峰頂給削平了體現(xiàn)在測定的Ra值小，也就是基準(zhǔn)平面的粗糙度小，而Zv值正是網(wǎng)紋平面要獲取的，即槽溝的深度，因此，只要按圖8所示的方法將網(wǎng)紋銑刀的刀片調(diào)整好，就能得到圖9一樣的網(wǎng)紋。

7 切削參數(shù)和加工路徑的選擇

根據(jù)網(wǎng)格的寬度a選擇轉(zhuǎn)速和公進速度，如網(wǎng)格的寬度a=0.8mm用5齒的銑刀，轉(zhuǎn)速n=6000rpm，每齒進給f=0.16mm，每轉(zhuǎn)進給0.8mm，則進給速度F=4800mm/min；

加工路徑對網(wǎng)格的形狀和分布有直接的關(guān)聯(lián)。如果刀具中心落在加工面上，或內(nèi)外交替跨越，平面上就存在沒有封閉的網(wǎng)格，如圖11所示；銑刀的行走必須連續(xù)不間斷，如果停頓或重復(fù)網(wǎng)紋就會錯亂，如圖12所示。

加工路徑的設(shè)計要點：

（1）從零件大拐點處切入和切出，消除刀具停頓；（2）刀具的切削路徑設(shè)計成大圓弧，直線與圓弧，園弧與圓弧皆采用圓弧過度。（3）工件的切削面盡量落在C區(qū)（見前面圖4），刀具半徑的3/4處。

8 網(wǎng)紋結(jié)合面的受力分析和密封性分析

8.1 結(jié)合面硅膠的受力分析

結(jié)合面的硅膠在箱體裝配時被涂到后箱殼的結(jié)合面上，通過螺絲的擰緊力將多余部分部分的硅膠被擠出接合面，留在接合面之間硅膠固化后形成一層約為0.1mm的硅膠模（如圖15，圖的右面為光亮面的上膠情況）。

由于齒輪箱中有潤滑油，車子在行駛過程中油溫會升高，內(nèi)腔會產(chǎn)生約0.1MPa的瞬間壓強，因此硅膠模除了通過螺栓緊固傳導(dǎo)的縱向壓力外，還受到一個變速箱內(nèi)腔壓強產(chǎn)生橫向力，當(dāng)然，這個橫向力在硅膠與箱體的結(jié)合面緊貼的情況下，只有靠內(nèi)腔很淺的部分受力，并通過硅膠的彈性變形而抵消，但汽車在行駛過程中的震動，潤滑油的滲透，長久會使箱體與箱殼結(jié)合面間形成一層油膜，使得原來的靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ痢?/p>

8.2 網(wǎng)紋結(jié)合面硅膠的密封性分析

硅鋁合金-硬橡膠在無潤滑的狀態(tài)下摩擦系數(shù)μ為0.25，而在有潤滑的狀態(tài)下摩擦系數(shù)μ幾乎為0。結(jié)合面為光亮平面的硅膠層是純粹靠靜摩擦力來抵抗箱內(nèi)壓強產(chǎn)生的橫向壓力的，當(dāng)橫向力超過硅膠的抗拉強度時，硅膠膜就破裂了，潤滑油就從裂紋中往外滲漏。

常用硅膠的抗拉強度為1.7N/mm2，的剪切強度為1.5N/mm2。下面對0.1mm厚度結(jié)合面上截取66mm長度（工件兩螺栓孔的最大間距為75mm，過孔的孔徑為9mm）的結(jié)合面進行分析（見圖16）。

每轉(zhuǎn)公進0.8mm，那么66mm長度上有切削槽圓弧有：66/0.8=82（段），回刀槽園弧也是82段。按槽深0.015mm，雙面網(wǎng)紋，則網(wǎng)紋槽所增加的面積S=2x11.7x82x2x0.015= 57.56mm2，由此可見，網(wǎng)紋面的硅膠層由于槽溝的存在，使其有效截面大福提升，不僅提升硅膠的抗拉強度，同時增加了一個抵抗橫向力的剪切力，橫向力必須超過硅膠的抗拉強度和剪切強度時，硅膠膜才會破裂（見表2），如果將抗拉強度和抗剪強度所形成的合力稱之為抗破膜力。從計算的數(shù)據(jù)看，抗破膜力提高了將近11倍，另外，溝將平面分割成菱形網(wǎng)格，還有將滲漏的潤滑油進行分割，防止其蔓延的作用。

9 密封性試驗

試驗件選用一種產(chǎn)品的前后殼，光整平面與網(wǎng)紋面各8件，為了模擬箱體的介質(zhì)狀態(tài)，采用布蘸齒輪箱油再擰干擦結(jié)合面，使之形成油膜。通過對箱體內(nèi)加壓，將箱體置入水箱中，以結(jié)合面冒泡（沖破膠膜漏氣）為臨界點，讀取壓力的數(shù)據(jù)，測試的結(jié)果顯示，光滑面所承受的壓力為0.35～0.6MPa，網(wǎng)紋面所承受的壓力所承受的壓力為0.75～1.2MPa（見表3），漏氣點均為連接螺栓處。

從以上的數(shù)據(jù)可以看出，耐壓并不非分析的11倍關(guān)系，經(jīng)拆箱查看分析，原因為螺栓連接過孔處離箱體內(nèi)壁的距離小或網(wǎng)格較疏，其中9#（網(wǎng)格疏）、16#（寬度2.8mm），光滑面在出現(xiàn)滲漏處附近不同程度的出現(xiàn)膠膜剝離，見圖17中的1#、3#、5#、8#圖片，其中4#出現(xiàn)兩連接螺孔中間段的膠膜剝離，從實驗數(shù)據(jù)看，網(wǎng)紋面的密封性較光滑面的密封性有明顯的提高。

10 結(jié)論

本文通過以上的論證和試驗，得出如下結(jié)論：（1）通過切削參數(shù)的設(shè)定和切削刀具的調(diào)整，可獲得菱形網(wǎng)格的網(wǎng)紋平面；（2）加工路徑直接與網(wǎng)格的密封性相關(guān)聯(lián)，要獲得良好的密封性能，就要選擇較為理想的中、次格區(qū)域?qū)α慵M行切削；（3）網(wǎng)格結(jié)合面要有足夠的結(jié)合寬度，否則密封性會急劇下降；（4）網(wǎng)格面的密封性能是光整平面的密封性能的1.3～2倍。

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