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活塞销孔凸点问题的解决措施
作者:山东滨州渤海活塞股份有限公司 刘耀东    来源:AI汽车制造业
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活塞销孔是活塞最关键的部位之一,精镗销孔工序作为活塞机械加工的质量控制点,其加工质量的好坏直接影响到活塞的使用性能。

轿车类活塞的销孔直径较小,一般为14~21mm;尺寸公差要求严格,一般为0.004~0.006mm;形状精度要求较高,一般销孔圆柱度为0.0015mm;表面粗糙度要求较高,一般为Ra0.2~0.4;且多数产品销孔要求分组。以上因素不同程度地加大了轿车活塞销孔的加工难度。

我公司生产的长城GW413EF活塞及南汽N4活塞曾先后发生过活塞销装配困难问题。另外,部分带销座油孔的轿车活塞也因销座油孔与销孔相交处出现凸点引起活塞销孔不同形式的失效。图1所示为销座油孔与销孔相交处出现凸点而使活塞销与销孔之间的润滑油膜被破坏,干摩擦产生大量热量,最终导致该部位的熔融及黏着。

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图1 销座油孔与销孔相交处的凸点引起的销孔失效

以上问题我们归结为活塞销孔凸点问题,对此我公司成立了专门的项目组,对其形成原因进行分析,提出了可行的解决措施。

原因分析

通过仔细的研究分析,考虑到影响销孔加工的各种因素,如:机床、工装夹具、活塞材料、金相、热处理和环境等,我们得出以下结论:

1. 机床、工装方面

(1)我公司用的镗杆多数材质为45#钢,其自身刚度低,加工轿车类活塞所用镗杆直径较小,在加工过程中受弯曲、扭转和压缩载荷组合作用会产生振动。

(2)有的轿车活塞内挡比较窄,其宽度小于一侧销孔的宽度,镗削时存在粗精两把刀同时吃刀的现象,从而导致销孔靠近内腔边缘处出现凸台。

(3)加工销座油孔的台钻精度低、转速慢,且大部分为手动加工,销座孔无法达到较高的加工质量。

2. 活塞材质方面

活塞材料、金相和热处理等方面的原因使活塞成品在长时间存放后产生变形、冒碱(销孔内)等缺陷,造成活塞销孔穿销困难。

3. 加工方面

(1)座孔加工时,如果钻头刃磨质量差、钻头不锋利可能会造成座孔周围应力集中,在后续的工序中这些应力得到释放,从而形成凸点。

(2)精孔加工时,加工到销座油孔是断续切削,受镗杆刚性及刀具质量的影响,容易造成在销座油孔出口侧形成凸点。

(3)滚压销孔时,虽然可以暂时将加工中形成的凸点压掉,但只是让该点发生了弹性变形,后续的存储过程中,该凸点又会慢慢反弹出来。从南汽N4以及长城GW413EF活塞的试验情况来看,这种反弹在1个月后就会非常明显地反映出来。

(4)由于现在生产线采用一个流生产,工序间没有在制品,这也造成粗加工工序的加工应力无法得到充分释放,对精加工的质量造成一定影响。

(5)销孔加工采用干切削,没有强制冷却,对加工质量也存在一定的影响。

4. 环境问题

(1)生产时,生产线在常温下加工,受环境温度的影响较大,温差控制不易掌握。

(2)活塞销孔采用20℃恒温检测,但主机厂装配现场是常温,冬季气温较低时由于活塞销的膨胀系数比活塞小,也会对活塞销装配造成一定影响。

解决措施

通过对以上原因进行综合分析,结合本公司现状,我们制定了相应的解决措施,具体如下:

1. 工艺文件改进

钻销座油孔工序的换刀频次统一为200只/次;精镗销孔工序的精刀换刀频次统一为10 000只/次(设备、刀具等处于正常状态下的理论参考数据)。同时,销座孔加工安排在粗镗销孔之后进行,可以消除销座孔周围的部分应力。

2.工艺装备改进

主要是精孔镗杆的改进:目的是增加镗杆的刚性及回转精度。经过大量试验证明,在同样的加工条件下,硬质合金是加工小直径、高精度孔综合性能优良的镗杆材料,硬质合金(YG6X)镗杆的抗振性能要比45#钢质镗杆好得多,能使表面粗糙度减小,加工表面无振纹。图2所示是我公司目前采用的硬质合金镗杆。考虑到硬质合金镗杆不易加工,因此在硬质合金镗杆前端焊上一段T7A材料的刀头杆,便于装夹刀具。该镗杆由刀头杆(材料:T7A)、刀杆(材料:YG6X)和刀盘(材料:40Cr)三部分组成。刀盘热处理要求:30~35HRC,表面发蓝,刀杆与刀盘过盈量0.05~0.08mm压装,刀头杆和刀杆铜焊处必须保证焊接质量(刀杆转速3 000r/min,如果脱焊后果严重)。如果有的产品精镗销孔加工存在两把刀干涉的情况,需设计加长镗杆,保证粗刀和精刀不同时吃刀。

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图2 硬质合金镗杆(1-刀头杆;2-刀杆;3-刀盘)

3.刀具改进

精孔粗刀由现在使用的硬质合金刀具改为PCD刀具。PCD刀具具有摩擦系数低、导热系数高以及硬度高等特点,可以磨出锋利的切削刃刃口,大大减小切削力,有利于提高切削加工的精度,同时也降低对精密加工机床刚度的要求,不仅提高了粗刀的加工质量、降低了换刀频次,而且提高了加工效率,延长了刀具的使用寿命。考虑到加工要求,选用PCD粗刀的规格为φ6mm×15mm(R=0.2mm)。图3为PCD粗刀示意图。PCD粗刀刀具前角为5°,刀具后角α采用复后角,分别为12°、15°,刀具刃带宽0.2~0.3mm。在前角确定的情况下,较小的第一后角可以使楔角β增大,刀具强度提高;第二后角增大,有利于减小后刀面与销孔内圆表面之间的摩擦和干涉。主偏角和副偏角对称分布,刀尖圆弧R=0.2mm。由于PCD镗刀承担的切削深度很小,刀具的主副切削刃的切削部分实际上由刀尖圆弧承担(同时具有修光作用)。

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图3 PCD粗刀

4. 温度控制

温度的影响虽然不能直接造成轿车活塞销孔加工凸点的形成,但是温度的差异会直接影响到了轿车活塞的装配,造成轿车活塞的装销困难。因此,我们在温度的控制方面采取了必要的措施。我们对大量轿车活塞销孔进行温度校正试验,根据提供的基础数据,制定了相关控制办法,总结出了轿车活塞销孔直径随温度变化的规律。

销孔直径修正值公式为:

销孔测量值=6.68×10-6×被测销孔直径×(20℃-实际温度)

例如:对于销孔尺寸要求为φ18 +0.014 +0.008的活塞在加工时的温度修正见表。

某轿车活塞销孔直径温度校正 (单位:mm)
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5. 检测方面

精测室检测销孔内有销座孔的活塞时,为了准确反映销孔圆度,必须检测通过销座孔中心截面的圆度,测量时用透明胶带将销座孔盖住,胶带裁剪规格:不大于座孔直径+2mm的方片。

结语

以上措施我们进行了大量的试验,成功地避免了活塞销孔凸点问题的再次发生,现已成功应用于批量生产。今后,随着发动机低排放及动力性、经济性和可靠性的不断提高,对活塞的加工精度要求也将越来越高。我们在总结经验的同时也致力于不断提高活塞的加工水平,为增强公司总体竞争力而不懈努力。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (2009-8-5)
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