影响活塞销孔精度及粗糙度因素分析

随着发动机性能的不断提高，活塞结构的随之变化，对活塞销孔精度随之提高。原来金刚镗床采用合金刀镗削销孔，然后再滚压销孔；虽然销孔表面的粗糙度能达到图纸要求，但由于滚压销孔破坏了销孔的形状精度要求，其圆度一般在0.003~0.005mm，达不到图纸要求。为了解决这一技术问题，国内普遍采用金刚石镗刀（天然金刚石镗刀每把1200元、人造金刚石镗刀每把300元）一次镗孔成型，为了节约资金，我公司现在精镗销孔基本上采用人造金刚石镗刀镗削 销孔，活塞销孔的圆度小于0.003mm、表面粗糙度Ra≤0.4。 采用人造金刚石镗刀镗削销孔，虽然活塞销孔的圆度小于0.003，但销孔的粗糙度有时达不到图纸要求。经过设计、试验发现，影响精镗销孔粗糙度的因素主要有以下几个方面： 1.镗杆的设计制作 由于精镗销孔是高速切削加工，轻微的振动直接影响活塞销孔的表面粗糙度。因此镗杆的设计制作时，要求镗杆与主轴的同轴度小于0.01mm，且整个镗杆各部外圆都要进行磨削加工。这样就保证了镗杆在高速转动中保持平衡、减少振动，消除了镗杆本身的影响因素，刀孔的位置直接影响刀具装卡后刀具的加工角度，因此在镗杆设计时，要求刀孔中心经过镗杆中心或刀孔中心偏离镗杆中心一定距离，且刀孔中心垂直于镗杆轴线，保证刀具装卡后刀具的加工角度；并给定相应各部的形位公差，减少因镗杆替换引起销孔加工表面粗糙度的变化。销孔加工的镗杆一般悬臂较长，因此镗杆必须进行稳定强化热处理，这样可以提高镗杆的强度、刚性，减少镗杆的受力变形，提高活塞销孔表面粗糙度水平。 2.镗刀的设计制作 由于人造金刚石硬度高，加工难度大，经过多次设计试验，选择刀具的主要技术参数为：刀尖圆孤R0.5~R1，刀具前角为2.5°，刀具后角采用双后角，分别为8°、15°，刀具韧带0.2mm，刀具前后刀面粗糙度Ra0.1μm，在30倍放大镜下观察，刀刃无缺口裂纹。通过加工活塞销孔后，测定销孔圆度小于0.003mm，表面粗糙度小于Ra0.4。近几年，通过使用相同设备，相同的机械加工工艺参数，对50把人造金刚石镗刀的使用情况，进行追踪统计，结果如下（见表1）： 表1 -------------------------------------------------------------- 销孔表面 0.1~0.2 0.2~0.3 0.3~0.4 0.4~0.5 0.5~0.6 粗糙度Ra -------------------------------------------------------------- 数量（把） 8 17 19 4 2 平均使用寿命 （只/把） 8000~12000 -------------------------------------------------------------- 从表格可看出：虽然刀具的使用情况较好，基本上满足我公司的使用要求，但刀具的制作仍存在着人、机、料等因素影响。试验发现如果刀尖圆弧太小，在加工过程中，刀尖易崩刃且销孔表面粗糙度数值较大；刀尖圆弧过大，在加工过程中阻力较大，造成加工后活塞销孔的圆镀、粗糙度超差。刀具无韧带，刀具后角起不到修光作用，销孔的粗糙度也不理想。 3.镗刀与镗杆的装配 我们在试制过程中，按同一图纸同时制作了两个镗杆，使用第一个镗杆，装夹人造金刚石镗刀镗削销孔，经测定销孔的粗糙度在Ra0.4~0.55之间；而使用第二个镗杆装夹同一把人造金铡石刀镗削销孔，其工艺参数不变镗削销孔，经测定销孔的粗糙度在Ra0.28~0.4之间。同样，使用同一个镗杆分别装夹两把人造金刚石刀，工艺参数保持不变，镗削后活塞销孔的表面粗糙度相差Ra0.05~0.15。这说明虽然按图纸设计制造，但由于制造误差而引起装配误差，同样会影响活塞销孔加工的表面粗糙度。试验总结认为：镗杆和刀尖在装配后保证刀尖与镗杆轴线在同一水平面内或刀尖稍高0~0.1mm，这样可以保证镗削活塞销孔的精度和表面粗糙度。刀尖过高相对增加了刀具的加工后角，起不到刀具的修光作用；刀尖低于镗杆中心，相对减少了刀具的加工后角，使后刀面与销孔接触面增大，受力相应增大，在加工过程中引起振动，造成加工后活塞销孔的圆度、表面粗糙度超差，且刀尖易崩刃。 4.销孔镗床的精度及主轴转速 在使用过程中，我们发现机床的精度，直接影响了活塞销孔加工后销孔的精度和表面粗糙度。如堵塞进、出主轴油孔的油路或进、出口油路不畅，导致销孔加工后销孔的精度和表面粗糙度超差；进给工作台由于导轨润滑不好，引起工作台轻微爬行或导轨内进入铝屑而影响加工活塞销孔的表面粗糙度。 我公司使用的销孔镗床基本上是JJ6静压镗床和S1-269静压镗床，采用人造金刚石镗刀镗削销孔，销孔的圆度小于0.003mm，JJ6销孔镗床的主轴转速为3500转/分，S1-269销孔镗床的主轴转速为2500转/分，我们采用相同的刀具和加工工艺参数分别对JJ6和S1—269进行镗削销孔试验，测试活塞销孔的表面粗糙度，分别为Ra0.16~0.4和Ra0.3~0.5，这就证明加工同一种活塞，机床主轴的转速越高，销孔的表面粗糙度值就越小，反之亦然。 5.镗床加工的进给速度 以6110活塞试验为例：采用相同的主轴转速和加工余量，以不同的进给速度镗削销孔，对活塞销孔表面粗糙度进行测试统计如下（见表2）： 表2 ------------------------------------------------------------------------------------------ 进给时间 30 40 50 60 70 80 100 （秒/只） ------------------------------------------------------------------------------------------ 销孔表面粗糙度 0.38~0.50 0.30~0.40 0.26~0.34 0.22~0.32 0.19~0.28 0.18~0.28 0.16~0.27 Ra ------------------------------------------------------------------------------------------ 由此可见，机床加工的进给速度，直接影响着镗削销孔的表面粗糙度。机床加工的进给速度越小，镗削销孔的表面粗糙度越小，当进给速度小到一定程度时，镗削销孔的表面粗糙度基本上变化不大。 6.切削加工余量 以6110活塞试验为例：采用相同的主轴转速和进给速度，使用人造金刚石镗刀以不同的切削加工余量镗削销孔，对活塞销孔表面粗糙度进行测试统计如下（见表3）： 表3 --------------------------------------------------------------- 切削加工余量 0.10~0.12 0.08~0.10 0.06~0.08 0.04~0.06 ≤0.04 （mm） --------------------------------------------------------------- 销孔表面粗糙度 0.37~0.50 0.32~0.45 0.26~0.40 0.22~0.34 0.38~0.56 Ra --------------------------------------------------------------- 这说明采用合适的切削加工余量镗削销孔，可以获得较理想的表面粗糙度；切削加工余量过大，切削力越大，相应的销孔表面粗糙度越大；切削加工余量过小，切削力虽然减小了，但第一把刀镗削后的刀痕，第二把刀就镗削不起来，相应的销孔表面粗糙度反而越大。 7.活塞本身硬度的影响 以6110活塞试验为例：采用相同的主轴转速和加工工艺参数，使用人造金刚石镗刀对不同硬度范围内的活塞镗削销孔，对活塞销孔表面粗糙度进行测试统计如下（见表4）： 表4 ----------------------------------------------------------- 活塞硬度 95~100 100~110 110~120 120~130 （HB） ----------------------------------------------------------- 销孔表面 0.38~0.50 0.32~0.40 0.26~0.36 0.26~0.34 粗糙度Ra ----------------------------------------------------------- 由于活塞热处理后，活塞本身硬度的不均匀性，使镗削销孔后，活塞销孔表面粗糙度存在一定差别；在活塞硬度要求范围内，活塞硬度越高，销孔表面粗糙度越小；当活塞硬度小于100HB时，销孔表面粗糙度较大。 综上所述，对活塞销孔精度及表面粗糙度的影响，是一个综合性的因素；如果加工活塞销孔，精度和表面粗糙度出现异常，应从以上几个方面分析研究，排除故障，生产出质优价廉的产品。