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内燃机铝活塞精镗销孔工艺分析
作者:山东滨州渤海活塞股份有限公司
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本文介绍了内燃机铝活塞销孔的技术要求,根据精镗销孔工序的加工特点,从设备、刀具系统等方面分析了影响销孔精度的原因,提出了相应的改进、保证措施,并在大批量生产实践中验明了这些措施的有效性。

随着发动机性能的不断提高,活塞的结构随之变化,对活塞销孔的精度要求也越来越高。内燃机铝活塞(见图1)的销孔,其形状、尺寸精度以及表面要求都很高,按GB1148-93的规定,销孔的圆柱度应为5级,要求2~3mm;尺寸公差为IT5,一般为4~8mm;粗糙度一般为Ra0.4mm。在批量生产条件下,精镗销孔工序要达到这样的要求,一定要在工艺上采取一系列严格措施才能满足加工要求。

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图1 内燃机铝活塞

我厂是国内最大的活塞加工企业,为国内几乎所有的主机厂配套,在活塞加工方面积累了丰富的经验。在生产实践中,我们采用了以下措施来保证销孔的各项技术要求。

减少镗床的振动

镗孔时,由于机床自身的振动以及外来的振动都会明显地影响到所镗销孔的圆度,为此,我们采取以下措施:

1. 在床身与地面接触部位安装4个减振垫,可使销孔圆度得以改善。我厂经过试验,销孔圆度可提高0.3~0.4mm。

2. 加固安放机床的地基。深挖地基,把地基的混凝土层厚度加深,并用减振材料把镗床地基与周围地面隔开,防止周围机床的振动传给镗床。

刀具系统的改进

在设备精度、配置一定的条件下,要提高销孔的精度、满足加工要求,刀具系统是关键。为此,我们主要从以下几个方面进行分析改进:

1. 镗杆的改进

(1)镗杆的设计制作

由于精镗销孔是高速切削加工,轻微的振动将直接影响活塞销孔的表面粗糙度,因此,在镗杆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可保持平衡、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装夹后刀具的加工角度,因此在镗杆设计时(见图2),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,保证装夹后刀具的加工角度;同时,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。

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图2 镗杆的设计结构

(2)镗杆的材料

销孔质量问题的关键之一在于销孔精镗刀杆的颤振。在镗削销孔时,镗杆的长径比一般都大于5,个别甚至达到10。镗杆在加工过程中,受弯曲、扭转和压缩载荷的组合作用,会产生振动,尤其在加工销孔小于φ15mm的活塞时,由于镗杆的直径较小,其情况尤其明显。我们在为日本小松加工某活塞时,其销孔直径仅为φ8mm,而镗杆的直径更小,由于镗杆的颤振使得销孔达不到规定粗糙度、圆柱度的占到1/3之多。

由材料力学可知:K∝EI/L3,即镗杆静刚度K与其材料弹性模量E、惯性矩I成正比,与悬伸量L的3次方成反比。悬伸量L由于受到活塞直径大小的限制,其值一般不能变化太多,这就要求我们选择弹性模量大的材料。我们通用的镗杆材料是45#钢,其弹性模量E=196~216GPa,对于销孔直径较大(>φ15mm)的活塞,其力学性能还基本能满足销孔的加工要求;对于销孔直径较小的活塞,我们就要寻找弹性模量大的材料。硬质合金(YG8)的弹性模量E=600~610GPa,显然,硬质合金镗杆刚度远大于钢质合金镗杆,但其缺点是不易加工。我们尝试在镗杆的前端焊接上一段45#钢,以便加工装夹刀具的通孔和螺孔。

我们将用两种刀具加工φ8mm销孔的结果进行了对比,在我厂自制的BHT-20镗床上分别加工了10只活塞,其实验数据见表。结果表明:在相同加工条件下,硬质合金镗杆的加工效果比45#钢镗杆要好得多。

表 使用两种镗杆得到的加工数据
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(3)镗杆的结构

镗杆工作时不仅受到静态力的作用,同时还有断续切削、材质硬度不均匀、镗杆自身不平衡和切削过程中自激振动等所引起的冲击力或交变力的干扰,因此要求镗杆不仅具有一定的静刚性,还要具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力,即抗振性。当切削力与镗杆自身重量之比较大时,在切削过程中很容易自激振动,特别是加工直径小于φ15mm的销孔时,这种状况非常严重。

由于硬质合金不易加工和成本高,我们还可在不采用硬质合金镗杆的情况下,通过对45#钢镗杆增加配重,加大自身重量,减少自振。其具体方法是:在镗杆末端装比重较大的铅棒(见图3),保持径向间隙0.05~0.1mm;装好后用丝堵堵好,保持轴向间隙0.1~0.2mm,保证铅棒在镗杆内能自由转动,使镗杆在高速旋转过程中保持动平衡。试验结果表明,这种措施大大增强了镗杆的抗振性。

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图3 小镗杆的基本结构

2.刀具和切削参数的改进

(1)刀具的材料与角度

目前,精镗销孔的刀具大都由硬质合金刀具换成了金刚石刀具,镗孔质量有了明显的改善。由于人造金刚石硬度高,加工难度大,经过多次的设计试验,我们选定了刀具的主要技术参数:刀尖圆孤R0.5~1,刀具前角为5°,刀具后角、副后角分别为12°和8°,刀具韧带宽0.2mm,刀具前后刀面粗糙度Ra0.1mm。在30倍放大镜下观察,刀刃无缺口裂纹。使用按此几何角度加工好的刀具镗削销孔,加工后测量销孔圆度小于0.003mm,表面粗糙度小于Ra0.4mm。

相同条件下,采用PCD刀具加工销孔时,刀具寿命可达到20 000件,是硬质合金刀具的50多倍。加工的表面粗糙度由原来的Ra0.4~Ra0.8mm降低到Ra0.2~Ra0.4mm。每班可以减少装卸刀具、刃磨刀及调整刀具等辅助时间30min。由此可见,使用PCD刀具不仅质量有了明显的提升,而且生产效率也大大提高。

(2)切削参数

为了保证销孔的圆柱度、尺寸公差、粗糙度,镗削销孔时的工艺参数也很重要。经过多次试验,我们总结出了适合自己设备的切削参数,精镗销孔必须是高速切削,主轴转数在3 000r/min左右;走刀不能太快,进给量在0.05~0.07mm/r之间;精刀的切削深度控制在0.02~0.05mm之间,可干切削。按以上参数加工,基本能达到产品规定中对销孔的各项要求。

结束语

综上所述,影响活塞销孔精度及表面粗糙度的因素是综合性的。在生产过程中,我们注意到存在着以上几个方面的因素,并针对于此采取了相应的措施,从而保证了我厂在大批量的生产过程中,精镗销孔工序中镗出销孔的圆柱度、尺寸公差、粗糙度等项目完全能达到客户的要求。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (2008-7-7)
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