缸孔粗镗中刀具寿命的影响因素分析

刘松 董璠 雷冲 柳佳琛 戚岸均

摘 要：缸体是发动机的关键部件之一，其加工质量直接影响发动机各项性能指标。本文在汽油发动机上开展了缸孔粗镗中刀具寿命的影响研究，分析了缸孔材料，缸体结构，加工参数和刀具结构等因素对刀具寿命的影响。研究结果表明，刀具寿命的提高是多个因素共同作用的结果，通过改善缸孔中硫的含量和碳当量，底部避让坑的结构及优化加工参数，可以有效提高粗镗刀具寿命，对提到产品质量和降低生产成本都有积极的指导意义。

关键词：缸孔；粗镗；刀具寿命；加工参数

中图分类号：TK416+.1 文献标识码：A 文章编号：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

气缸体是发动机的重要零部件，在气缸体缸孔加工中，粗镗缸孔的加工质量将直接影响发动机的各项性能。随着材料科学和机械加工技术的发展，发动机缸孔加工技术也得以显著提高。目前为减轻发动机重量，缸体的材质已逐步被铝合金替代，缸套采用铸铁材料。加工刀具也逐步采用PCD、CBN等高硬度加工刀具。由于发动机缸孔需经过粗镗、精镗、珩磨等加工步骤，使缸孔形成规则网纹已满足设计要求，在实际生产中，缸孔粗镗的加工质量对后续工序有较大影响，经常出现工件圆柱度不稳定，换刀首件和过程中几何参数超差，刀具寿命波动明显，都对缸孔的加工质量产生较大风险。本文以东风自主品牌发动机粗镗缸孔为研究对象，分析了影响加工质量和刀具寿命的原因，并提出了解决办法。

1 粗镗缸孔的现状分析

下图1为发动机缸套示意图，发动机缸体一般为铝合金材质，缸筒内镶铸铁干式缸套，与活塞和缸盖共同组成燃烧室。通过对缸孔进行粗镗、精镗、珩磨等，在缸套内表面形成具有特定要求的网纹特征，来提高缸孔耐磨性，延长发动机使用寿命。

在发动机缸孔加工中，经常出现缸孔底部缸套掉渣，刀具消耗过快等问题，导致生产不能连续，直接影响到整车的产出，同時也增加了制造成本。

2 影响刀具寿命的主要因素

发动机缸孔的粗镗过程易受加工材质，刀具结构等因素的影响导致刀具寿命的缩短，如何在保证加工质量的同时，有效提高刀具寿命是解决缸孔粗镗的关键，影响刀具寿命的主要因素有以下几个方面：

1、缸套材质；发动机缸套材质一般为铸铁，缸套材料中各元素成分的含量、石墨形态、碳当量等因素都对缸套的硬度和加工性能有较大影响。在实际的生产过程中，缸套材料对加工过程的影响主要受缸套内S和P元素的含量、缸套的石墨形态和缸套内碳当量（C+1/3Si）三个方面因素的影响。发动机缸孔材料的主要成分如下图所示。

2、缸体结构；发动机缸体底部避让坑的结构不良可导致在加工时出现缸孔掉渣现象，从而影响刀具寿命。缸体底部的避让坑是由连杆运动包络范围和铸造缸套定位点共同决定，在缸孔粗镗过程中，连杆避让坑处刀具切削力存在突变，可能导致刀具崩刃，寿命异常，图2为缸体底部避让坑结构示意图。

3、加工参数；粗镗缸孔时的加工参数主要受线速度和进给量两个方面的影响。在加工时，由于缸孔长度较长，通常采用降速加工的加工方式，线速度过大或者过小都会加速刀具的磨损，在本文中缸孔的加工长度为130mm，选择当加工至120mm时开始降速。同时选取合适的进给量也可以有效提高刀具寿命。

4、刀片结构；缸孔粗镗加工中刀具一般选用CBN材质，按结构可分为压板刀具和穿心刀具，穿心刀片的刃口锋利，具有切削性能好，成本低廉的特点，但是其强度较低，容易过快磨损。而压板刀片强度高，切削性能相对稳定，同时成本相对较高。在加工时需根据需要选择合适刀具进行加工。

3 改善措施与效果

根据所分析影响缸孔粗镗刀具寿命影响因素，制定对应的改善措施：

3.1 缸套材料成分

控制缸套内硫元素的含量。硫元素的存在可以使缸套产生热脆性，降低缸套的延展性和韧性。一般缸套内硫含量要求控制在0.03%-0.15%，因為过低的硫含量也会导致缸套的加工性变差，从而影响刀具的寿命。同时控制缸套的石墨形态，要求缸套内A+E型石墨≥70%，石墨长度ASTM4～6级，硬度94～104HRB，缸套内碳当量按照3.45±0.05%控制。

3.2 缸体结构

通过对掉渣缸套进行检查，发现掉渣部位仅出现在缸体底部连杆避让坑处，避让坑厚度过小，刀具在加工末端易出现崩刃现象导致刀具寿命降低。修改缸孔底部避让坑结构，增加避让坑处的铝层厚度1MM，提高铝层对缸套的包裹力。

3.3 加工参数

本文通过修改缸孔加工时的线速度和进给量尽量选择合适的加工参数。图4为不同的线速度和进给量下的刀具寿命。从图中可以看出在线速度为600m/min（缸孔直径为74mm），初期进给量为1.2mm/n，降速后进给量为0.9mm/n时，刀具寿命最好，此时缸体结构及缸体材质未做更改。

3.4 刀具选择

粗镗刀的刀具一般选用CBN材料，本文中选择5刃刀具进行加工，图5为加工时所使用刀具示意图。由于前期使用穿心刀具，寿命较短。故在改善后使用压板刀具进行加工。

3.5 效果分析

图6所示为改善后刀具寿命，从图中可以看出通过控制缸孔中硫含量和碳当量，增加避让坑厚度和修改加工参数等措施，刀具寿命得以显著提高，缸孔掉渣情况得到明显好转。

4 结论

本文通过对缸孔粗镗中刀具寿命的影响因素分析，得出主要结论如下：

1、缸套材料中硫元素的含量，石墨形态以及碳当量对加工有明显影响，通过成分、金相组织分析确定合适的加工材质，可以有效改善加工环境。

2、缸套底部的避让坑是发生缸孔掉渣的主要部位。由于在机加过程中连杆避让坑部位缸套受应力存在突变，导致缸套底部掉渣并使刀具寿命终止。通过优化缸套底部避让坑结构，减少应力突变，可以有效提高刀具寿命。

3、对于内镶式缸套的加工，可采用降速加工降低刀具磨损。加工时线速度和进给量都不易过大，设定合理的进给量和主轴转速都对提高加工效率和加工质量有积极意义。

4、刀具选择需通过不同刀具的切削试验，验证适合切削该缸套材料的最优刀具，从而提高刀具寿命，降低成本。

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