刀尖圆弧半径对活塞异形销孔粗糙度影响分析

洪圣

摘 要：精镗销孔是活塞加工中重要的一个环节，而异形销孔作为销孔工艺中的核心技术，是活塞制造业的发展方向。异形销孔加工过程中，刀尖圆弧半径的大小将直接影响到活塞表面的粗糙度。根据工件加工的节拍要求，调试设备的不同参数，如主轴转速、进给量等，以满足粗糙度的要求。通过计算，找到了三者间最佳的一个平衡点，满足了工艺要求，并探索出适合异形销孔仿形靠模加工的刀尖圆弧半径R值。

关键词：异形销孔；刀尖圆弧半径；粗糙度

中图分类号： TG519.1 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）26-161-2

0 引言

目前发动机的发展模式如下：燃油耗、输出功率和转速不断提高，活塞本体所承受的燃气压力和惯性力越来越大，活塞销孔所承受的载荷也越来越大。作用在活塞上的燃气压力是以动态分布载荷的形式作用在活塞销孔中的。由于爆发压力很大，活塞销轴和活塞本体都要发生不同程度的变形。当最大燃气压力作用的瞬间，由于销孔与销座之间接触面积较小，使得销座承受的载荷不均匀。另外，由于受到热变形的影响，销孔内部所受应力大小也是不一致的。其中，销孔内侧受应力最大，外侧受应力最小。这样，销孔表面上部的应力相对集中，影响到销孔整体的受力情况。因此，将传统的圆柱型销孔改为“异形销孔”，改变了销孔的几何形状，从而解决了销孔内侧面应力集中的问题、也使销座的机械负荷和热负荷得到有效降低、提高销座的承载能力，这也是将来活塞制造业的一个发展趋势。[1]

1 异形销孔加工方式及加工要求

1.1 异形销孔加工方式

活塞的销孔与销座之间的受力载荷是不均匀的，其基本原理为受力负荷越大，均匀性越差。所以，当受力负荷较小时，销座的变形也较小，受力负荷比较均匀。反之，当受力负荷较大时，销座的变形也相应增加，导致两者间的负荷分布变得不均匀，这样活塞在发动机里的工况将大大下降。因此，根据上述结论需要将销孔及销座的受力变形情况根据理想状态做出一定的修正，使两者的负荷受力在接近或达到极限状态时，销座的载荷分布能够尽可能的均匀。如下图所示，图1为异形销孔型线的修正示意图。从图中可以看到，异形销孔的上侧面型线应该尽量满足销座变形情况。这里分两种情况进行说明，当受力负载较小时，销孔与销座接触面为销座的端面，此区域面积较小。当受力负载较大时，接触面积会覆盖整个销座端面，接触面积显著增加。随着接触面积的增加，发动机缸体内燃气爆发瞬间所产生的应力会得到有效降低，使得活塞在销孔区域的受力承载能力得到加强。

如图1所示，对销孔的上侧面型线进行一定程度的修正，使之可以满足销座载荷分布均匀性的要求。在销孔加工工艺中，一般采用镗削加工的工艺。由于镗削加工的原理，一般异形销孔的型线（Profile）都被设计成对称性。

1.2 异形销孔加工要求

销孔加工分为粗加工和精加工两道工序，粗加工使用的刀具是粗镗销孔组合刀具（成型刀），加工后的精度要求为（0，+0.05mm）。定位和夹紧方式采用止口定位，压头夹紧。精加工使用的刀具是精镗销孔刀，加工精度为（-0.002mm，+0.002mm）。

异形销孔对刀具加工轨迹有如下要求：镗刀旋转加工，走刀轨迹为椭圆或圆形。椭圆轨迹中，椭圆的长轴位于水平方向，短轴位于垂直方向。与此同时，刀具沿轴向走倾斜角度。根据上述异形销孔加工要求，对镗削加工设备有较高要求，需要专门的精镗镗床。

2 PCD刀具性能介绍

精镗销孔工序所使用的镗刀一般采用PCD刀具，它具有以下几个特点：

2.1 硬度和耐磨性

PCD的主要材料是聚晶金刚石，其硬度与硬质合金相比，提高了3～4倍，非常接近天然金刚石的硬度，耐磨性提高了近100倍。金刚石晶粒具有以下特性：各个方向上自由分布，没有固定的方向性，所以其硬度和耐磨性在各个方向上能够保持一致，很难产生裂纹。这是它相比一般的单晶金刚石较为突出的一个优势。

2.2 摩擦系数较低，弹性模量较高

PCD刀具具有较低的摩擦系数，一般在0.1～0.3左右。由于摩擦系数较小，使得切削力和切削温度都能得到有效控制，较一般的刀具有不同程度的降低。另外，PCD刀具的弹性模量较高，所以在切削过程中刀刃不易产生变形，延长了刀具寿命。

2.3 导热性能好，热膨胀系数较低

PCD刀具具有非常好的导热性能，因此在切削过程中刀具与工件所产生的热量能快速散去，保证了切削区域的低温特性，延长了刀具寿命。另外，由于热膨胀系数较低，因此刀具在加工过程中变形较小。

2.4 刃口锋利，刃面粗糙度小

PCD刀具的刃口非常锋利，一般刃口锯齿峰值小于5μm，刃口钝圆半径小于4μm。一般而言，PCD刀具前刀面表面粗糙度可达0.01μm，这样可以使切屑沿前刀面流出，减小积屑瘤的产生。[2]

3 刀尖圆弧半径R对销孔粗糙度的影响

在一般的切削加工中，不考虑刀具的刃磨质量，刀尖圆弧半径r是影响硅铝合金活塞表面粗糙度的主要因素。因此，需要寻找到最佳的r值，使它满足加工要求：残留面积高度较小，加工时无振动，且工件表面粗糙度最小。所以，通过计算和试验的方法选取最佳的r值。

4 异形销孔精加工刀具刀尖圆弧半径的选择

4.1 主轴转速（rpm）

EA888活塞采用异形销孔，根据异形销孔加工的方式，镗刀跟踪仿形靠模加工。因此，在加工时，设备主轴转速（rpm）不能太高，否则无法跟踪靠模，使得销孔型线超差。根据经验，一般活塞的加工转速为8000r/min，而异形销孔活塞加工的转速为1600r/min。

4.2 进给量（feedrate）

在相同的加工距离下，为保证生产节拍，必须提高进给量（feedrate）。根据节拍要求，设备的进给量必须达到0.15mm/r。

4.3 刀尖圆弧半径（R）与表面粗糙度关系

4.4 刀尖圆弧半径R确认

根据公式R=×125，为满足粗糙度的要求，R值应该越大越好。但是，如果圆弧半径过大，加工中的切削力会增加，容易产生振动，反而会影响加工面的精度。而且，刀具圆弧半径过大，切削的处理性能就会变差。因此，在选择刀尖圆弧半径R的数值时，应遵循：在满足粗糙度要求的前提下，尽可能选择较小的半径（R值），以免产生上述不利于加工的情况。因此，我们选择最接近9.375（μm）数值的R10作为精镗销孔刀具的刀尖圆弧半径。

4.5 试验验证

选取一把新刀，连续加工1000个活塞，分别选取第1个，第51个，第101个……第1001个活塞，测量销孔粗糙度。共计21个数值。

根据测量结果，销孔粗糙度保持在0.3～0.4之间，符合工艺要求。

5 结论

异形销孔硅铝合金精镗销孔加工时，对于镗刀的选择应该注意以下几点：

①必须考虑到异形销孔加工特点，采用仿形靠模加工销孔型线，因此不宜采用较高转速；

②考虑到生产节拍，为平衡较低的转速，必须采用较快的进给量；

③为满足表面粗糙度要求，并考虑到较快的进给量，必须使用R值较大的刀尖圆弧半径；

④考虑到刀尖圆弧半径过大带来的负面影响，应采用满足粗糙度要求的刀尖圆弧半径R值中的最小值。

参 考 文 献

[1] 李勇，杨晓京.刀尖圆弧半径对单晶铜纳米切削过程影响的分子动力学分析[J].材料导报，2015，02：155-158+166.

[2] 张宝国，刘战强，张丽，刘学强.聚晶金刚石（PCD）刀具在活塞加工中的应用[J].工程技术，2007年41期.