缸孔粗鏜中刀具壽命的影響因素分析

劉松 董璠 雷沖 柳佳琛 戚岸均

摘 要：缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其加工質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)。本文在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上開(kāi)展了缸孔粗鏜中刀具壽命的影響研究，分析了缸孔材料，缸體結(jié)構(gòu)，加工參數(shù)和刀具結(jié)構(gòu)等因素對(duì)刀具壽命的影響。研究結(jié)果表明，刀具壽命的提高是多個(gè)因素共同作用的結(jié)果，通過(guò)改善缸孔中硫的含量和碳當(dāng)量，底部避讓坑的結(jié)構(gòu)及優(yōu)化加工參數(shù)，可以有效提高粗鏜刀具壽命，對(duì)提到產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本都有積極的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：缸孔；粗鏜；刀具壽命；加工參數(shù)

中圖分類號(hào)：TK416+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2018）05-0099-03

Abstract： Thecylinder body is an important part of engine， which machining quality affects the performance of the engine directly. In this paper， a series of experimental study were carried out on the gasoline engine to investigate the tool life of former boring in cylinder hole， the material of cylinder hole， the cylinder structure， the machining parameters and the tool structure are analyzed in this study. The results show that the improvement of tool life is the result of multiple factors. It can improve the tool life effectively by controlling the sulfur content and the carbon equivalent in the cylinder hole， and optimizing the structure of the bottom shelter and the machining parameters， which provides an important reference value for the improving of product quality and the reducing of the production costs.

Key Words： cylinder hole； former boring； tool life； machining parameters

引言

氣缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件，在氣缸體缸孔加工中，粗鏜缸孔的加工質(zhì)量將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能。隨著材料科學(xué)和機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔加工技術(shù)也得以顯著提高。目前為減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，缸體的材質(zhì)已逐步被鋁合金替代，缸套采用鑄鐵材料。加工刀具也逐步采用PCD、CBN等高硬度加工刀具。由于發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔需經(jīng)過(guò)粗鏜、精鏜、珩磨等加工步驟，使缸孔形成規(guī)則網(wǎng)紋已滿足設(shè)計(jì)要求，在實(shí)際生產(chǎn)中，缸孔粗鏜的加工質(zhì)量對(duì)后續(xù)工序有較大影響，經(jīng)常出現(xiàn)工件圓柱度不穩(wěn)定，換刀首件和過(guò)程中幾何參數(shù)超差，刀具壽命波動(dòng)明顯，都對(duì)缸孔的加工質(zhì)量產(chǎn)生較大風(fēng)險(xiǎn)。本文以東風(fēng)自主品牌發(fā)動(dòng)機(jī)粗鏜缸孔為研究對(duì)象，分析了影響加工質(zhì)量和刀具壽命的原因，并提出了解決辦法。

1 粗鏜缸孔的現(xiàn)狀分析

下圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)缸套示意圖，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體一般為鋁合金材質(zhì)，缸筒內(nèi)鑲鑄鐵干式缸套，與活塞和缸蓋共同組成燃燒室。通過(guò)對(duì)缸孔進(jìn)行粗鏜、精鏜、珩磨等，在缸套內(nèi)表面形成具有特定要求的網(wǎng)紋特征，來(lái)提高缸孔耐磨性，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。

在發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔加工中，經(jīng)常出現(xiàn)缸孔底部缸套掉渣，刀具消耗過(guò)快等問(wèn)題，導(dǎo)致生產(chǎn)不能連續(xù)，直接影響到整車的產(chǎn)出，同時(shí)也增加了制造成本。

2 影響刀具壽命的主要因素

發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔的粗鏜過(guò)程易受加工材質(zhì)，刀具結(jié)構(gòu)等因素的影響導(dǎo)致刀具壽命的縮短，如何在保證加工質(zhì)量的同時(shí)，有效提高刀具壽命是解決缸孔粗鏜的關(guān)鍵，影響刀具壽命的主要因素有以下幾個(gè)方面：

1、缸套材質(zhì)；發(fā)動(dòng)機(jī)缸套材質(zhì)一般為鑄鐵，缸套材料中各元素成分的含量、石墨形態(tài)、碳當(dāng)量等因素都對(duì)缸套的硬度和加工性能有較大影響。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，缸套材料對(duì)加工過(guò)程的影響主要受缸套內(nèi)S和P元素的含量、缸套的石墨形態(tài)和缸套內(nèi)碳當(dāng)量（C+1/3Si）三個(gè)方面因素的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔材料的主要成分如下圖所示。

2、缸體結(jié)構(gòu)；發(fā)動(dòng)機(jī)缸體底部避讓坑的結(jié)構(gòu)不良可導(dǎo)致在加工時(shí)出現(xiàn)缸孔掉渣現(xiàn)象，從而影響刀具壽命。缸體底部的避讓坑是由連桿運(yùn)動(dòng)包絡(luò)范圍和鑄造缸套定位點(diǎn)共同決定，在缸孔粗鏜過(guò)程中，連桿避讓坑處刀具切削力存在突變，可能導(dǎo)致刀具崩刃，壽命異常，圖2為缸體底部避讓坑結(jié)構(gòu)示意圖。

3、加工參數(shù)；粗鏜缸孔時(shí)的加工參數(shù)主要受線速度和進(jìn)給量?jī)蓚€(gè)方面的影響。在加工時(shí)，由于缸孔長(zhǎng)度較長(zhǎng)，通常采用降速加工的加工方式，線速度過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)加速刀具的磨損，在本文中缸孔的加工長(zhǎng)度為130mm，選擇當(dāng)加工至120mm時(shí)開(kāi)始降速。同時(shí)選取合適的進(jìn)給量也可以有效提高刀具壽命。

4、刀片結(jié)構(gòu)；缸孔粗鏜加工中刀具一般選用CBN材質(zhì)，按結(jié)構(gòu)可分為壓板刀具和穿心刀具，穿心刀片的刃口鋒利，具有切削性能好，成本低廉的特點(diǎn)，但是其強(qiáng)度較低，容易過(guò)快磨損。而壓板刀片強(qiáng)度高，切削性能相對(duì)穩(wěn)定，同時(shí)成本相對(duì)較高。在加工時(shí)需根據(jù)需要選擇合適刀具進(jìn)行加工。

3 改善措施與效果

根據(jù)所分析影響缸孔粗鏜刀具壽命影響因素，制定對(duì)應(yīng)的改善措施：

3.1 缸套材料成分

控制缸套內(nèi)硫元素的含量。硫元素的存在可以使缸套產(chǎn)生熱脆性，降低缸套的延展性和韌性。一般缸套內(nèi)硫含量要求控制在0.03%-0.15%，因?yàn)檫^(guò)低的硫含量也會(huì)導(dǎo)致缸套的加工性變差，從而影響刀具的壽命。同時(shí)控制缸套的石墨形態(tài)，要求缸套內(nèi)A+E型石墨≥70%，石墨長(zhǎng)度ASTM4～6級(jí)，硬度94～104HRB，缸套內(nèi)碳當(dāng)量按照3.45±0.05%控制。

3.2 缸體結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)掉渣缸套進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)掉渣部位僅出現(xiàn)在缸體底部連桿避讓坑處，避讓坑厚度過(guò)小，刀具在加工末端易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象導(dǎo)致刀具壽命降低。修改缸孔底部避讓坑結(jié)構(gòu)，增加避讓坑處的鋁層厚度1MM，提高鋁層對(duì)缸套的包裹力。

3.3 加工參數(shù)

本文通過(guò)修改缸孔加工時(shí)的線速度和進(jìn)給量盡量選擇合適的加工參數(shù)。圖4為不同的線速度和進(jìn)給量下的刀具壽命。從圖中可以看出在線速度為600m/min（缸孔直徑為74mm），初期進(jìn)給量為1.2mm/n，降速后進(jìn)給量為0.9mm/n時(shí)，刀具壽命最好，此時(shí)缸體結(jié)構(gòu)及缸體材質(zhì)未做更改。

3.4 刀具選擇

粗鏜刀的刀具一般選用CBN材料，本文中選擇5刃刀具進(jìn)行加工，圖5為加工時(shí)所使用刀具示意圖。由于前期使用穿心刀具，壽命較短。故在改善后使用壓板刀具進(jìn)行加工。

3.5 效果分析

圖6所示為改善后刀具壽命，從圖中可以看出通過(guò)控制缸孔中硫含量和碳當(dāng)量，增加避讓坑厚度和修改加工參數(shù)等措施，刀具壽命得以顯著提高，缸孔掉渣情況得到明顯好轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)缸孔粗鏜中刀具壽命的影響因素分析，得出主要結(jié)論如下：

1、缸套材料中硫元素的含量，石墨形態(tài)以及碳當(dāng)量對(duì)加工有明顯影響，通過(guò)成分、金相組織分析確定合適的加工材質(zhì)，可以有效改善加工環(huán)境。

2、缸套底部的避讓坑是發(fā)生缸孔掉渣的主要部位。由于在機(jī)加過(guò)程中連桿避讓坑部位缸套受應(yīng)力存在突變，導(dǎo)致缸套底部掉渣并使刀具壽命終止。通過(guò)優(yōu)化缸套底部避讓坑結(jié)構(gòu)，減少應(yīng)力突變，可以有效提高刀具壽命。

3、對(duì)于內(nèi)鑲式缸套的加工，可采用降速加工降低刀具磨損。加工時(shí)線速度和進(jìn)給量都不易過(guò)大，設(shè)定合理的進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速都對(duì)提高加工效率和加工質(zhì)量有積極意義。

4、刀具選擇需通過(guò)不同刀具的切削試驗(yàn)，驗(yàn)證適合切削該缸套材料的最優(yōu)刀具，從而提高刀具壽命，降低成本。

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