柴油机活塞环槽的加工工艺研究
2013-05-05徐建兵王光军汪洋
徐建兵，王光军，汪洋
柴油机活塞环槽的加工工艺研究
徐建兵，王光军，汪洋
（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）
通过对某船用柴油机活塞环槽的结构特点及加工难点的分析，介绍了该活塞环槽加工的装夹方法，并通过工艺试验制定了经济、可行、稳定的活塞环槽加工工艺，较好地解决了活塞加工中环槽不合格率较高的问题。
活塞环槽 装夹方法 加工工艺
0 引言
活塞是发动机的“心脏”，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一[1]。活塞的功用是承受气体压力并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，由于活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作[2]，活塞的加工质量直接影响着发动机工作的稳定和寿命。活塞环槽用于安装活塞环，在发动机工作时决定着活塞环密封和调节机油的作用，其加工质量的好坏决定着整个活塞的品质。
1 柴油机活塞环槽的特点以及工艺难点分析
某船用柴油机活塞的零件结构简图如图1所示，活塞材质为硅铝合金（ZL108），该型活塞上需加工6个环槽（如图1中B1-B6位置），环槽的公差范围0～+0.02mm，环槽的表面粗糙度Ra1.25，环槽的垂直度0.03，圆跳度0.03，精度要求高。
图1 某柴油发动机活塞环槽示意简图
按照先前的加工工艺进行生产，环槽加工的不合格率较高，占活塞不合格率的60％左右。不合格的环槽主要是尺寸精度和表面粗糙度不达标。为确保环槽加工的尺寸精度以及表面粗糙度，需要采用散热性好，刃部锋利、刀面光滑的刀具进行加工，同时改进加工方法，调整环槽加工的加工余量和走刀次数，确定加工时的主轴转速、进给量、背吃刀量。因此，有必要通过一定的工艺摸索和试验，并对各项因素进行分析比较，制定出一种满足质量要求，经济合理的活塞环槽加工方法。
2 装夹方式的实现
由于活塞尺寸规格大、质量大，表面尺寸精度和粗糙度要求高，因此在环槽加工时，设计了专用的装夹工具（见图2）。装夹时，用止口盘与活塞端面定位，一个专用拉杆和受力筒通过活塞的销孔和车床的主轴将活塞拉紧，另一端通过顶针固定。
图2 活塞环槽加工装夹简图
装夹时，先将止口盘用三爪卡盘夹紧，止口盘的台阶面在装夹后经过二次加工，以保证与车床主轴的同轴度，然后将活塞装在止口盘上，活塞内孔与止口盘的台阶面的配合间隙保证在0.05 mm以内，同时用拉杆借助受力筒将活塞拉紧，利用受力筒与活塞的销孔受力来保证活塞安装的夹紧力。同时，利用顶针顶住顶针孔，将活塞的另一端固定。这样活塞加工过程中既能保证与车床主轴的同轴度，又能保证得到较大的夹紧力，防止活塞自身的质量不平衡和切削力产生的振动。在后续加工中证实，该装夹方法很好地控制了活塞环槽加工时产生的跳动误差。
3 柴油机活塞环槽加工工艺的研究以及实施方案
3.1 刀具的选择
在加工过程中，采用普通合金刀片，刀具磨损严重，容易产生积屑瘤（见图3）。分析原因，由于活塞材质为硅铝合金，而硅铝合金的硬度和耐磨性比其他铝合金高，切削时刀具交替地切削软的铝基和硬的硅颗粒，使用普通刀具时很容易磨损并产生积屑瘤，使工件加工精度和表面粗糙度恶化[3]。
图3 普通刀具加工失效
金刚石刀具具有极高的硬度和耐磨性、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、低膨胀系数，以及与非铁金属亲和力小等优点，非常适用于活塞硅铝合金的加工[4]。结合刀具的使用经验，在加工时采用焊接式切刀，刀头材料为人造聚晶金刚石复合片，刀体材料YG8。
3.2 加工方法的制定
合理选择切削用量的原则是：粗加工时，一般以提高生产效率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本[5]。加工工艺过程如表1所示。
表1 活塞环槽加工工艺过程
半精加工和精加工采用一次装夹完成，只是使用的刀具不同，其中，将精加工后磨损的刀具降级为半精加工时使用。通过换刀架自动换刀，既保证加工的质量，又最大限度的提高了刀具的使用率。
3.3 精加工工艺参数的试验及确认
3.3.1试验方法
试验的目的是通过正交实验法，找出最佳加工参数组合，达到以较低成本，同时满足降低表面粗糙度和提高加工精度的要求。
由于活塞质量和尺寸规格比较大，出于安全考虑，主轴转速≤ 600 r/min。通过以往的试验资料和经验，确定试验时的主轴转速S分别为300、400、500 r/min；进给量分别为0.08，0.12，0.18 mm/r；背吃刀量a分别为0.2、0.1、0.05 mm。
3.3.2试验结果与分析
通过对活塞环槽加工的工艺试验，得到主轴转速、进给量、背吃刀量三者之间与公差值与表面粗糙度的数据对比，表2为实验的L9（34）正交表。
通过对表2中试验数据的分析，得出以下结论：
1）影响环槽精度和表面粗糙度的因素重要程度的次序均为主轴转速＞进给量＞背吃刀量；
2）正交实验结果分析表明：表2中第五组加工工艺参数较为理想，但通过试验数据位级之和分析，在背吃刀量a为0.1 mm时，能得到较好的效果；
3）对位级之和分析的参数组合（主轴转速400 r/min；进给量0.12 mm/r；背吃刀量0.1 mm）进行验证试验，得到公差满足要求，粗糙度Ra0.7的实验结果，优于第五组试验的工艺参数。
表2 活塞环槽加工的工艺试验表
4 结束语
通过对活塞环槽加工工艺的研究，在进行工艺试验的基础上，对试验数据统计分析后，得出经济、可行、稳定的活塞环槽加工工艺，较好地解决了活塞加工中环槽不合格率较高的问题，取得了良好的效果，对同类的产品加工也提供了宝贵的经验。
[1] 丁其国. 活塞环材料、工艺及润滑状态分析[J]. 内燃机与配件, 2010. 11: 26-27.
[2] 高晖等. 基于ANSYS活塞头部的可靠性分析[J]. 农业装备与车辆工程, 2011. 3（236）: 15-17.
[3] 张宝国. 超硬刀具刃磨对铝硅合金活塞加工的影响[J]. 现代零部件, 2011. 9: 72-73.
[4] 艾兴. 高速切削加工技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2003.
[5] 陈宏钧主编. 机械加工工艺设计员手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 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，硕士研究生。研究方向：机电产品的设计与制造。
