铝合金表面网纹密封性及加工工艺性研究

李志贤　宋健

摘 要：通过分析网纹的形成机理，网格的形状和分布等七大方面阐述了变速箱结合面采用网纹面对密封性能的影响。工件表面加工出平面菱形网纹的主要目的是通过表面网状的溝槽，增加硅胶的抗拉强度和抗剪切强度，间接地增大平面密封胶的附着面积和摩擦系数，提高附着力，从而提高变速箱的密封性。

关键词：形成机理；形状和分布；切削参数；受力分析；密封性

中图分类号：TG661 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）04-0083-05

长期以来我国大多数汽配厂家技术人员往往认为变速箱结合面加工的越光亮越好，但采用结合面上涂胶工艺，光滑结合面的密封胶模受箱内压力的影响反而容易冲破，造成漏油。在汽车行进的过程中，由于车身震动和变速箱油温升高等因素，结合面会出现渗油或漏油现象，严重影响其使用性能。国内外对发动机缸体，压力容器等高压强结合面采用研磨技术加工成网纹的研究比较多，且取得良好效果。借鉴该原理，采用铣削的方法将变速器箱体结合面加工成网纹面，用理论分析和实践数据对比的方法，分析网纹结合面对密封性的影响，达到提升变速箱壳体结合密封效果。

1 形成机理

如图1所示，其为CAD绘制的Φ50的铣刀盘的仿真图，铣刀从切入工件到切离工件形成上弓和下弓的纹理，图中的黑点就是圆盘铣刀在直线进给过程中，上弓和下弓刀痕的交叉点。由于刀具刀尖在切削过程中的轨迹类似螺旋曲线，且每转进给是个常量a（图1纵向的进给量0.8mm），其随时间变化的轨迹方程为：

2 网格的形状和分布

将网纹的区域划分为4个区域，其中A到D分别为密格，次密格，中格和疏格等四个区域区，如图3所示。

A区为接近光整平面，D区有部分还未形成菱形网格，C区域就在图1中的30°～80°之间的区域，在加工过程中，尽可能将铣刀盘的行进区域选取C区、或C+B区。

对于刀盘走圆弧插补铣削的，情况发生了变化，图4为半径为R的网纹铣刀由直线进给转为以半径为R的插补铣所形成的网纹，假设离刀盘中心的某点为P，偏离中心的距离为p，那么，以R为半径上弓和下弓交叉点所形成的两交点的距离：

a=（R+p）/R*a，（p≤R≤R），也就是说，圆弧插补铣削中，在不同的行进半径上每转的公进是随着半径的增大而增大，体现在网格的夹角30°～120°的C区间比刀盘直线行走时C区域加宽了。

3 网纹铣削对设备的要求

盘铣刀与待加工表面平行，即刀盘的旋转轴线垂直于加工表面（per300范围内≤0.015），这样就形成了切削纹与回刀纹交叉的网纹，如果垂直度超出一定范围，这就只有切削纹或回刀纹的普通单纹平面。

4 网纹与切削参数的关系

通过上面的分析得知，网纹是由网格的长宽和槽沟的深度构成的，通过调整刀具的转速、进给速度来控制网纹的大小，如果网格在进给方向上的长度a（毫米），主轴转速n（转/分），刀盘齿数z，那么进给速度F（毫米/分）=a·n（或F=z·fz·n，其中fz为每齿进给）。槽沟的深度是通过调整铣刀盘上的尖头刀片的轴向伸出量来调整的，可以根据具体网纹的要求来选择具体的切削参数和刀片。

5 网纹铣刀对网纹形状的影响与刀片的调整方法

常规的普通铣刀通过转速和进给速度的调整，也能铣出网纹面（如图5所示的铣刀）。该铣刀是一把5齿的普通粗铣的面铣刀，全部用带尖角刀片，刀片的径向跳动≤0.002，轴向向跳动同样≤0.002，铣出来的面视觉效果也是网纹，但放大后是一种由凸起的孤岛式的、如同编制物的网纹（见图6）。

同样这把铣刀，把其中的2片换成带修光刃的刀片（如图7所示），并按如下方法调试：

（1）将外修光刃与内修光人的轴向偏差h控制在0.002以内，径向间距b小于修光刃的宽度；

（2）将槽沟尖角刀的径向位置置于两修光人中间，轴向高出修光刃（约0.015～0.02mm）；其余刀片比修光刃低约0.05mm，这样就形成由切削刃、修光刃和网纹槽沟刀组成的复合铣刀，将这把铣刀选择与上面同样的转速和进给，网纹的效果如图9所示，显示的网纹是由均匀相间交叉的沟槽与小平台组成。

6 网纹的表面轮廓

以上两种铣刀铣出来的面都是网纹面，微观形状类似，但前者手感上略微感觉粗糙，那网纹的粗糙度怎么来评定呢？

网纹表面轮廓评定参数基本上由平面Ra和Rz、Pt、Rsm来评定的，通过Rt值的变化来分析两种网纹的不同， 即Rt=Zp+Zv，网纹铣刀通过修光刃的调整，表面轮廓会发生如图10的变化。

如果中线不变的话，未加修光刃的Zp值大，加了修光刃后的Zp值变小了，这是由于修光刃将轮廓的峰顶给削平了体现在测定的Ra值小，也就是基准平面的粗糙度小，而Zv值正是网纹平面要获取的，即槽沟的深度，因此，只要按图8所示的方法将网纹铣刀的刀片调整好，就能得到图9一样的网纹。

7 切削参数和加工路径的选择

根据网格的宽度a选择转速和公进速度，如网格的宽度a=0.8mm用5齿的铣刀，转速n=6000rpm，每齿进给f=0.16mm，每转进给0.8mm，则进给速度F=4800mm/min；

加工路径对网格的形状和分布有直接的关联。如果刀具中心落在加工面上，或内外交替跨越，平面上就存在没有封闭的网格，如图11所示；铣刀的行走必须连续不间断，如果停顿或重复网纹就会错乱，如图12所示。

加工路径的设计要点：

（1）从零件大拐点处切入和切出，消除刀具停顿；（2）刀具的切削路径设计成大圆弧，直线与圆弧，园弧与圆弧皆采用圆弧过度。（3）工件的切削面尽量落在C区（见前面图4），刀具半径的3/4处。

8 网纹结合面的受力分析和密封性分析

8.1 结合面硅胶的受力分析

结合面的硅胶在箱体装配时被涂到后箱壳的结合面上，通过螺丝的拧紧力将多余部分部分的硅胶被挤出接合面，留在接合面之间硅胶固化后形成一层约为0.1mm的硅胶模（如图15，图的右面为光亮面的上胶情况）。

由于齿轮箱中有润滑油，车子在行驶过程中油温会升高，内腔会产生约0.1MPa的瞬间压强，因此硅胶模除了通过螺栓紧固传导的纵向压力外，还受到一个变速箱内腔压强产生横向力，当然，这个横向力在硅胶与箱体的结合面紧贴的情况下，只有靠内腔很浅的部分受力，并通过硅胶的弹性变形而抵消，但汽车在行驶过程中的震动，润滑油的渗透，长久会使箱体与箱壳结合面间形成一层油膜，使得原来的静摩擦转变为动摩擦。

8.2 网纹结合面硅胶的密封性分析

硅铝合金-硬橡胶在无润滑的状态下摩擦系数μ为0.25，而在有润滑的状态下摩擦系数μ几乎为0。结合面为光亮平面的硅胶层是纯粹靠静摩擦力来抵抗箱内压强产生的横向压力的，当横向力超过硅胶的抗拉强度时，硅胶膜就破裂了，润滑油就从裂纹中往外渗漏。

常用硅胶的抗拉强度为1.7N/mm2，的剪切强度为1.5N/mm2。下面对0.1mm厚度结合面上截取66mm长度（工件两螺栓孔的最大间距为75mm，过孔的孔径为9mm）的结合面进行分析（见图16）。

每转公进0.8mm，那么66mm长度上有切削槽圆弧有：66/0.8=82（段），回刀槽园弧也是82段。按槽深0.015mm，双面网纹，则网纹槽所增加的面积S=2x11.7x82x2x0.015= 57.56mm2，由此可见，網纹面的硅胶层由于槽沟的存在，使其有效截面大福提升，不仅提升硅胶的抗拉强度，同时增加了一个抵抗横向力的剪切力，横向力必须超过硅胶的抗拉强度和剪切强度时，硅胶膜才会破裂（见表2），如果将抗拉强度和抗剪强度所形成的合力称之为抗破膜力。从计算的数据看，抗破膜力提高了将近11倍，另外，沟将平面分割成菱形网格，还有将渗漏的润滑油进行分割，防止其蔓延的作用。

9 密封性试验

试验件选用一种产品的前后壳，光整平面与网纹面各8件，为了模拟箱体的介质状态，采用布蘸齿轮箱油再拧干擦结合面，使之形成油膜。通过对箱体内加压，将箱体置入水箱中，以结合面冒泡（冲破胶膜漏气）为临界点，读取压力的数据，测试的结果显示，光滑面所承受的压力为0.35～0.6MPa，网纹面所承受的压力所承受的压力为0.75～1.2MPa（见表3），漏气点均为连接螺栓处。

从以上的数据可以看出，耐压并不非分析的11倍关系，经拆箱查看分析，原因为螺栓连接过孔处离箱体内壁的距离小或网格较疏，其中9#（网格疏）、16#（宽度2.8mm），光滑面在出现渗漏处附近不同程度的出现胶膜剥离，见图17中的1#、3#、5#、8#图片，其中4#出现两连接螺孔中间段的胶膜剥离，从实验数据看，网纹面的密封性较光滑面的密封性有明显的提高。

10 结论

本文通过以上的论证和试验，得出如下结论：（1）通过切削参数的设定和切削刀具的调整，可获得菱形网格的网纹平面；（2）加工路径直接与网格的密封性相关联，要获得良好的密封性能，就要选择较为理想的中、次格区域对零件进行切削；（3）网格结合面要有足够的结合宽度，否则密封性会急剧下降；（4）网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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