柴油機(jī)活塞環(huán)槽的加工工藝研究

徐建兵，王光軍，汪洋

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柴油機(jī)活塞環(huán)槽的加工工藝研究

徐建兵，王光軍，汪洋

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

通過對(duì)某船用柴油機(jī)活塞環(huán)槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn)的分析，介紹了該活塞環(huán)槽加工的裝夾方法，并通過工藝試驗(yàn)制定了經(jīng)濟(jì)、可行、穩(wěn)定的活塞環(huán)槽加工工藝，較好地解決了活塞加工中環(huán)槽不合格率較高的問題。

活塞環(huán)槽 裝夾方法 加工工藝

0 引言

活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，承受交變的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最惡劣的關(guān)鍵零部件之一[1]。活塞的功用是承受氣體壓力并通過活塞銷傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)，由于活塞在高溫、高壓、高速、潤(rùn)滑不良的條件下工作[2]，活塞的加工質(zhì)量直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)工作的穩(wěn)定和壽命。活塞環(huán)槽用于安裝活塞環(huán)，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)決定著活塞環(huán)密封和調(diào)節(jié)機(jī)油的作用，其加工質(zhì)量的好壞決定著整個(gè)活塞的品質(zhì)。

1 柴油機(jī)活塞環(huán)槽的特點(diǎn)以及工藝難點(diǎn)分析

某船用柴油機(jī)活塞的零件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，活塞材質(zhì)為硅鋁合金（ZL108），該型活塞上需加工6個(gè)環(huán)槽（如圖1中B1-B6位置），環(huán)槽的公差范圍0～+0.02mm，環(huán)槽的表面粗糙度Ra1.25，環(huán)槽的垂直度0.03，圓跳度0.03，精度要求高。

圖1 某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)槽示意簡(jiǎn)圖

按照先前的加工工藝進(jìn)行生產(chǎn)，環(huán)槽加工的不合格率較高，占活塞不合格率的60％左右。不合格的環(huán)槽主要是尺寸精度和表面粗糙度不達(dá)標(biāo)。為確保環(huán)槽加工的尺寸精度以及表面粗糙度，需要采用散熱性好，刃部鋒利、刀面光滑的刀具進(jìn)行加工，同時(shí)改進(jìn)加工方法，調(diào)整環(huán)槽加工的加工余量和走刀次數(shù)，確定加工時(shí)的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、背吃刀量。因此，有必要通過一定的工藝摸索和試驗(yàn)，并對(duì)各項(xiàng)因素進(jìn)行分析比較，制定出一種滿足質(zhì)量要求，經(jīng)濟(jì)合理的活塞環(huán)槽加工方法。

2 裝夾方式的實(shí)現(xiàn)

由于活塞尺寸規(guī)格大、質(zhì)量大，表面尺寸精度和粗糙度要求高，因此在環(huán)槽加工時(shí)，設(shè)計(jì)了專用的裝夾工具（見圖2）。裝夾時(shí)，用止口盤與活塞端面定位，一個(gè)專用拉桿和受力筒通過活塞的銷孔和車床的主軸將活塞拉緊，另一端通過頂針固定。

圖2 活塞環(huán)槽加工裝夾簡(jiǎn)圖

裝夾時(shí)，先將止口盤用三爪卡盤夾緊，止口盤的臺(tái)階面在裝夾后經(jīng)過二次加工，以保證與車床主軸的同軸度，然后將活塞裝在止口盤上，活塞內(nèi)孔與止口盤的臺(tái)階面的配合間隙保證在0.05 mm以內(nèi)，同時(shí)用拉桿借助受力筒將活塞拉緊，利用受力筒與活塞的銷孔受力來保證活塞安裝的夾緊力。同時(shí)，利用頂針頂住頂針孔，將活塞的另一端固定。這樣活塞加工過程中既能保證與車床主軸的同軸度，又能保證得到較大的夾緊力，防止活塞自身的質(zhì)量不平衡和切削力產(chǎn)生的振動(dòng)。在后續(xù)加工中證實(shí)，該裝夾方法很好地控制了活塞環(huán)槽加工時(shí)產(chǎn)生的跳動(dòng)誤差。

3 柴油機(jī)活塞環(huán)槽加工工藝的研究以及實(shí)施方案

3.1 刀具的選擇

在加工過程中，采用普通合金刀片，刀具磨損嚴(yán)重，容易產(chǎn)生積屑瘤（見圖3）。分析原因，由于活塞材質(zhì)為硅鋁合金，而硅鋁合金的硬度和耐磨性比其他鋁合金高，切削時(shí)刀具交替地切削軟的鋁基和硬的硅顆粒，使用普通刀具時(shí)很容易磨損并產(chǎn)生積屑瘤，使工件加工精度和表面粗糙度惡化[3]。

圖3 普通刀具加工失效

金剛石刀具具有極高的硬度和耐磨性、低摩擦系數(shù)、高彈性模量、高熱導(dǎo)、低膨脹系數(shù)，以及與非鐵金屬親和力小等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于活塞硅鋁合金的加工[4]。結(jié)合刀具的使用經(jīng)驗(yàn)，在加工時(shí)采用焊接式切刀，刀頭材料為人造聚晶金剛石復(fù)合片，刀體材料YG8。

3.2 加工方法的制定

合理選擇切削用量的原則是：粗加工時(shí)，一般以提高生產(chǎn)效率為主，但也應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性和加工成本；半精加工和精加工時(shí)，應(yīng)在保證加工質(zhì)量的前提下，兼顧切削效率、經(jīng)濟(jì)性和加工成本[5]。加工工藝過程如表1所示。

表1 活塞環(huán)槽加工工藝過程

半精加工和精加工采用一次裝夾完成，只是使用的刀具不同，其中，將精加工后磨損的刀具降級(jí)為半精加工時(shí)使用。通過換刀架自動(dòng)換刀，既保證加工的質(zhì)量，又最大限度的提高了刀具的使用率。

3.3 精加工工藝參數(shù)的試驗(yàn)及確認(rèn)

3.3.1試驗(yàn)方法

試驗(yàn)的目的是通過正交實(shí)驗(yàn)法，找出最佳加工參數(shù)組合，達(dá)到以較低成本，同時(shí)滿足降低表面粗糙度和提高加工精度的要求。

由于活塞質(zhì)量和尺寸規(guī)格比較大，出于安全考慮，主軸轉(zhuǎn)速≤ 600 r/min。通過以往的試驗(yàn)資料和經(jīng)驗(yàn)，確定試驗(yàn)時(shí)的主軸轉(zhuǎn)速S分別為300、400、500 r/min；進(jìn)給量分別為0.08，0.12，0.18 mm/r；背吃刀量a分別為0.2、0.1、0.05 mm。

3.3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過對(duì)活塞環(huán)槽加工的工藝試驗(yàn)，得到主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、背吃刀量三者之間與公差值與表面粗糙度的數(shù)據(jù)對(duì)比，表2為實(shí)驗(yàn)的L9（34）正交表。

通過對(duì)表2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出以下結(jié)論：

1）影響環(huán)槽精度和表面粗糙度的因素重要程度的次序均為主軸轉(zhuǎn)速＞進(jìn)給量＞背吃刀量；

2）正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明：表2中第五組加工工藝參數(shù)較為理想，但通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)位級(jí)之和分析，在背吃刀量a為0.1 mm時(shí)，能得到較好的效果；

3）對(duì)位級(jí)之和分析的參數(shù)組合（主軸轉(zhuǎn)速400 r/min；進(jìn)給量0.12 mm/r；背吃刀量0.1 mm）進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到公差滿足要求，粗糙度Ra0.7的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)于第五組試驗(yàn)的工藝參數(shù)。

表2 活塞環(huán)槽加工的工藝試驗(yàn)表

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)活塞環(huán)槽加工工藝的研究，在進(jìn)行工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后，得出經(jīng)濟(jì)、可行、穩(wěn)定的活塞環(huán)槽加工工藝，較好地解決了活塞加工中環(huán)槽不合格率較高的問題，取得了良好的效果，對(duì)同類的產(chǎn)品加工也提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

[1] 丁其國(guó). 活塞環(huán)材料、工藝及潤(rùn)滑狀態(tài)分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件, 2010. 11: 26-27.

[2] 高暉等. 基于ANSYS活塞頭部的可靠性分析[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程, 2011. 3（236）: 15-17.

[3] 張寶國(guó). 超硬刀具刃磨對(duì)鋁硅合金活塞加工的影響[J]. 現(xiàn)代零部件, 2011. 9: 72-73.

[4] 艾興. 高速切削加工技術(shù)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2003.

[5] 陳宏鈞主編. 機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)員手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

Research on Processing Technology of Diesel Engine’s Piston Ring Groove

Xu Jianbing, Wang Guangjun, Wang Yang

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TP273

A

1003-4862（2013）10-0045-02

2012-11-14

徐建兵（1981-），男，碩士研究生。研究方向：機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造。