刀尖圓弧半徑對活塞異形銷孔粗糙度影響分析

洪圣

摘 要：精鏜銷孔是活塞加工中重要的一個環節，而異形銷孔作為銷孔工藝中的核心技術，是活塞制造業的發展方向。異形銷孔加工過程中，刀尖圓弧半徑的大小將直接影響到活塞表面的粗糙度。根據工件加工的節拍要求，調試設備的不同參數，如主軸轉速、進給量等，以滿足粗糙度的要求。通過計算，找到了三者間最佳的一個平衡點，滿足了工藝要求，并探索出適合異形銷孔仿形靠模加工的刀尖圓弧半徑R值。

關鍵詞：異形銷孔；刀尖圓弧半徑；粗糙度

中圖分類號： TG519.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）26-161-2

0 引言

目前發動機的發展模式如下：燃油耗、輸出功率和轉速不斷提高，活塞本體所承受的燃氣壓力和慣性力越來越大，活塞銷孔所承受的載荷也越來越大。作用在活塞上的燃氣壓力是以動態分布載荷的形式作用在活塞銷孔中的。由于爆發壓力很大，活塞銷軸和活塞本體都要發生不同程度的變形。當最大燃氣壓力作用的瞬間，由于銷孔與銷座之間接觸面積較小，使得銷座承受的載荷不均勻。另外，由于受到熱變形的影響，銷孔內部所受應力大小也是不一致的。其中，銷孔內側受應力最大，外側受應力最小。這樣，銷孔表面上部的應力相對集中，影響到銷孔整體的受力情況。因此，將傳統的圓柱型銷孔改為“異形銷孔”，改變了銷孔的幾何形狀，從而解決了銷孔內側面應力集中的問題、也使銷座的機械負荷和熱負荷得到有效降低、提高銷座的承載能力，這也是將來活塞制造業的一個發展趨勢。[1]

1 異形銷孔加工方式及加工要求

1.1 異形銷孔加工方式

活塞的銷孔與銷座之間的受力載荷是不均勻的，其基本原理為受力負荷越大，均勻性越差。所以，當受力負荷較小時，銷座的變形也較小，受力負荷比較均勻。反之，當受力負荷較大時，銷座的變形也相應增加，導致兩者間的負荷分布變得不均勻，這樣活塞在發動機里的工況將大大下降。因此，根據上述結論需要將銷孔及銷座的受力變形情況根據理想狀態做出一定的修正，使兩者的負荷受力在接近或達到極限狀態時，銷座的載荷分布能夠盡可能的均勻。如下圖所示，圖1為異形銷孔型線的修正示意圖。從圖中可以看到，異形銷孔的上側面型線應該盡量滿足銷座變形情況。這里分兩種情況進行說明，當受力負載較小時，銷孔與銷座接觸面為銷座的端面，此區域面積較小。當受力負載較大時，接觸面積會覆蓋整個銷座端面，接觸面積顯著增加。隨著接觸面積的增加，發動機缸體內燃氣爆發瞬間所產生的應力會得到有效降低，使得活塞在銷孔區域的受力承載能力得到加強。

如圖1所示，對銷孔的上側面型線進行一定程度的修正，使之可以滿足銷座載荷分布均勻性的要求。在銷孔加工工藝中，一般采用鏜削加工的工藝。由于鏜削加工的原理，一般異形銷孔的型線（Profile）都被設計成對稱性。

1.2 異形銷孔加工要求

銷孔加工分為粗加工和精加工兩道工序，粗加工使用的刀具是粗鏜銷孔組合刀具（成型刀），加工后的精度要求為（0，+0.05mm）。定位和夾緊方式采用止口定位，壓頭夾緊。精加工使用的刀具是精鏜銷孔刀，加工精度為（-0.002mm，+0.002mm）。

異形銷孔對刀具加工軌跡有如下要求：鏜刀旋轉加工，走刀軌跡為橢圓或圓形。橢圓軌跡中，橢圓的長軸位于水平方向，短軸位于垂直方向。與此同時，刀具沿軸向走傾斜角度。根據上述異形銷孔加工要求，對鏜削加工設備有較高要求，需要專門的精鏜鏜床。

2 PCD刀具性能介紹

精鏜銷孔工序所使用的鏜刀一般采用PCD刀具，它具有以下幾個特點：

2.1 硬度和耐磨性

PCD的主要材料是聚晶金剛石，其硬度與硬質合金相比，提高了3～4倍，非常接近天然金剛石的硬度，耐磨性提高了近100倍。金剛石晶粒具有以下特性：各個方向上自由分布，沒有固定的方向性，所以其硬度和耐磨性在各個方向上能夠保持一致，很難產生裂紋。這是它相比一般的單晶金剛石較為突出的一個優勢。

2.2 摩擦系數較低，彈性模量較高

PCD刀具具有較低的摩擦系數，一般在0.1～0.3左右。由于摩擦系數較小，使得切削力和切削溫度都能得到有效控制，較一般的刀具有不同程度的降低。另外，PCD刀具的彈性模量較高，所以在切削過程中刀刃不易產生變形，延長了刀具壽命。

2.3 導熱性能好，熱膨脹系數較低

PCD刀具具有非常好的導熱性能，因此在切削過程中刀具與工件所產生的熱量能快速散去，保證了切削區域的低溫特性，延長了刀具壽命。另外，由于熱膨脹系數較低，因此刀具在加工過程中變形較小。

2.4 刃口鋒利，刃面粗糙度小

PCD刀具的刃口非常鋒利，一般刃口鋸齒峰值小于5μm，刃口鈍圓半徑小于4μm。一般而言，PCD刀具前刀面表面粗糙度可達0.01μm，這樣可以使切屑沿前刀面流出，減小積屑瘤的產生。[2]

3 刀尖圓弧半徑R對銷孔粗糙度的影響

在一般的切削加工中，不考慮刀具的刃磨質量，刀尖圓弧半徑r是影響硅鋁合金活塞表面粗糙度的主要因素。因此，需要尋找到最佳的r值，使它滿足加工要求：殘留面積高度較小，加工時無振動，且工件表面粗糙度最小。所以，通過計算和試驗的方法選取最佳的r值。

4 異形銷孔精加工刀具刀尖圓弧半徑的選擇

4.1 主軸轉速（rpm）

EA888活塞采用異形銷孔，根據異形銷孔加工的方式，鏜刀跟蹤仿形靠模加工。因此，在加工時，設備主軸轉速（rpm）不能太高，否則無法跟蹤靠模，使得銷孔型線超差。根據經驗，一般活塞的加工轉速為8000r/min，而異形銷孔活塞加工的轉速為1600r/min。

4.2 進給量（feedrate）

在相同的加工距離下，為保證生產節拍，必須提高進給量（feedrate）。根據節拍要求，設備的進給量必須達到0.15mm/r。

4.3 刀尖圓弧半徑（R）與表面粗糙度關系

4.4 刀尖圓弧半徑R確認

根據公式R=×125，為滿足粗糙度的要求，R值應該越大越好。但是，如果圓弧半徑過大，加工中的切削力會增加，容易產生振動，反而會影響加工面的精度。而且，刀具圓弧半徑過大，切削的處理性能就會變差。因此，在選擇刀尖圓弧半徑R的數值時，應遵循：在滿足粗糙度要求的前提下，盡可能選擇較小的半徑（R值），以免產生上述不利于加工的情況。因此，我們選擇最接近9.375（μm）數值的R10作為精鏜銷孔刀具的刀尖圓弧半徑。

4.5 試驗驗證

選取一把新刀，連續加工1000個活塞，分別選取第1個，第51個，第101個……第1001個活塞，測量銷孔粗糙度。共計21個數值。

根據測量結果，銷孔粗糙度保持在0.3～0.4之間，符合工藝要求。

5 結論

異形銷孔硅鋁合金精鏜銷孔加工時，對于鏜刀的選擇應該注意以下幾點：

①必須考慮到異形銷孔加工特點，采用仿形靠模加工銷孔型線，因此不宜采用較高轉速；

②考慮到生產節拍，為平衡較低的轉速，必須采用較快的進給量；

③為滿足表面粗糙度要求，并考慮到較快的進給量，必須使用R值較大的刀尖圓弧半徑；

④考慮到刀尖圓弧半徑過大帶來的負面影響，應采用滿足粗糙度要求的刀尖圓弧半徑R值中的最小值。

參 考 文 獻

[1] 李勇，楊曉京.刀尖圓弧半徑對單晶銅納米切削過程影響的分子動力學分析[J].材料導報，2015，02：155-158+166.

[2] 張寶國，劉戰強，張麗，劉學強.聚晶金剛石（PCD）刀具在活塞加工中的應用[J].工程技術，2007年41期.