提高活塞卡簧槽加工質(zhì)量的方法

■ 中國船舶重工集團公司第712研究所 （湖北武漢 430064） 丁立芳 劉明學(xué)

活塞是發(fā)動機的“心臟”，承受交變的機械負荷和熱負荷，是發(fā)動機中工作條件最惡劣的關(guān)鍵零部件之一。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)。活塞是在高溫、高壓、高速和潤滑不良的條件下工作，而活塞卡簧槽的質(zhì)量直接影響發(fā)動機工作的穩(wěn)定性和壽命。

圖1 320活塞卡簧槽尺寸要求

1. 加工中出現(xiàn)的問題

320活塞（見圖1）是船用柴油發(fā)動機使用最廣泛的活塞之一，材質(zhì)為鋁合金，該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工精度要求高，制造過程存在一定的難度。在批量生產(chǎn)中，320活塞因卡簧槽尺寸超差而頻繁出現(xiàn)質(zhì)量問題，給產(chǎn)品的正常交付帶來了嚴重的影響。

2. 原因分析

經(jīng)過分析，造成320活塞卡簧槽不合格的因素有：粗切卡簧槽超差、精切卡簧槽不合格（包括精切卡簧槽寬度和表面粗糙度超差），其中精切卡簧槽過程中出現(xiàn)不合格數(shù)量占活塞卡簧槽加工不合格總數(shù)量的95%以上。

針對精切卡簧槽工序的生產(chǎn)過程及工藝方法進行分析，共找出了三個主要原因：加工參數(shù)不合理、刀具材質(zhì)規(guī)定不明確以及精車工序加工余量大。

3. 確定合適的加工參數(shù)

（1）試驗?zāi)康暮涂疾熘笜?biāo)。目的：通過正交試驗法，找出最佳加工參數(shù)組合，達到以較低成本同時滿足降低表面粗糙度值和提高加工精度的目的。方法：分別選擇不同的主軸轉(zhuǎn)速、進給量和背吃刀量進行驗證。由于320活塞尺寸規(guī)格大、質(zhì)量大，出于安全考慮，主軸轉(zhuǎn)速≤600r/min。考察指標(biāo)：槽寬精度8.04+0.02+0mm以及卡簧槽表面粗糙度值＜1.25μm。

（2）試驗因素。經(jīng)分析，有三個因素需要確定最佳條件：①主軸轉(zhuǎn)速。②進給量。③背吃刀量。

（3）選位級，制定因素位級表。根據(jù)工藝分析，每個因素選三個位級較為合適。①因素A，即主軸轉(zhuǎn)速S（r/min）：A1=300、A2=400、A3=500。②因素B，即進給量f（mm/r）：B1=0.08、B2=0.12、B3=0.18。③因素C，即背吃刀量ap（mm）：C1=0.2、C2=0.1、C3=0.05。

表1 正交試驗表

表2 補充試驗結(jié)果

圖2

（4）設(shè)計試驗方案。選用L9（34）正交表安排試驗，如表1所示。

（5）結(jié)果分析。各因素對結(jié)果影響的重要程度。極差R最大者，對結(jié)果影響程度最大；R最小者則影響程度最小。因此，影響主指標(biāo)槽寬精度的因素的重要程度次序是A、B、C；對影響次指標(biāo)表面粗糙度值的因素的重要程度次序是A、B、C。

直接看：從試驗表中可以看到，第5號的試驗結(jié)果最好，其工藝條件為A2B2C3，同時滿足槽寬精度和表面粗糙度要求。

算一算：從位級之和可以看出，提高320活塞合格率最好的工藝條件應(yīng)是A2B2C2。趨勢如圖2所示。

綜合評定：“直接看”與“算一算”結(jié)果有差異，但其重要因素A、B是一致的，均為A2B2；因素C要在C2、C3中選取。根據(jù)上批試驗的情況，決定對“算一算”的好條件進行補充試驗，試驗結(jié)果如表2所示。

在滿足槽寬精度要求的前提下，表面粗糙度值越低越好。經(jīng)綜合評定，其最佳加工參數(shù)可望是A2B2C2，即主軸轉(zhuǎn)速S=400 r/min，進給量f=0.12mm/r，背吃刀量ap=0.1mm。

小批跟蹤試驗取得成功，數(shù)據(jù)如表3所示。

（6）確定加工參數(shù)組合。經(jīng)綜合評定和小批試加工，最佳加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速S=400 r/min，進給量f=0.12mm/r，背吃刀量ap=0.1mm。

表3 小批試驗結(jié)果

4. 使用不同材質(zhì)刀具對卡簧槽進行精加工

通過現(xiàn)場加工比較統(tǒng)計，采用標(biāo)準寬度為6mm的普通合金刀片和金剛石刀片分別精加工320活塞的卡簧槽，加工結(jié)果如表4所示。

表4數(shù)據(jù)表明，采用普通合金刀片精加工320活塞卡簧槽，狀態(tài)極不穩(wěn)定，處于不受控狀態(tài)；采用金剛石刀片精加工320活塞卡簧槽，加工狀態(tài)比較穩(wěn)定，平均每把刀片的加工數(shù)量都在57件以上，處于受控狀態(tài)。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)還可計算出精切活塞卡簧槽的刀具成本，如表5所示。

結(jié)論：采用標(biāo)準寬度為6mm的金剛石刀片精切卡簧槽，不僅達到了目標(biāo)要求，使卡簧槽加工處于受控狀態(tài)，而且還節(jié)約了刀具成本。

5. 調(diào)整精車加工余量

對于精度要求較高的有色金屬加工（精度等級IT6～IT7，表面粗糙度值Ra=0.8～1.6μm，經(jīng)濟的加工方案為：粗車→半精車→精車。因此，在原來粗車工序加工余量不變的情況下，調(diào)整了加工工序，將精切卡簧槽分為半精加工和精加工兩道工序，半精加工后卡簧槽單邊余量為0.1mm。

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，而且半精加工使用的刀具為精加工切削淘汰的刀具。既保證了精車工序的加工余量，又提高了刀具的利用率。

采用標(biāo)準寬度為6mm的金剛石刀片分別按精車加工余量為1mm和0.1mm來加工320活塞，試驗結(jié)果如表6所示。

將精車卡簧槽的加工余量調(diào)整為0.1mm，并合理地劃分加工工序，使320活塞卡簧槽的合格數(shù)量顯著提升。

6. 結(jié)語

通過對加工參數(shù)、刀具材質(zhì)和精車工序加工余量等方面的改進，提高了320活塞卡簧槽的加工質(zhì)量，為同類產(chǎn)品的加工提供了借鑒。

表4 采用不同材質(zhì)刀片加工卡簧槽的合格數(shù)量

表5 采用不同材質(zhì)刀片加工卡簧槽的刀具成本

表6 采用不同材質(zhì)刀片加工卡簧槽的刀具成本

參考文獻：

[1] 成大先. 機械設(shè)計手冊[M]. 3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

[2] 龔安定. 機床夾具設(shè)計[M]. 西安：西安交通大學(xué)教育出版社，2000.

[3] 楊黎明. 機械原理及機械零件[M]. 北京：高等教育出版社，1998.