缸孔粗鏜中刀具壽命的影響因素分析

劉松 董璠 雷沖 柳佳琛 戚岸均

摘 要：缸體是發動機的關鍵部件之一，其加工質量直接影響發動機各項性能指標。本文在汽油發動機上開展了缸孔粗鏜中刀具壽命的影響研究，分析了缸孔材料，缸體結構，加工參數和刀具結構等因素對刀具壽命的影響。研究結果表明，刀具壽命的提高是多個因素共同作用的結果，通過改善缸孔中硫的含量和碳當量，底部避讓坑的結構及優化加工參數，可以有效提高粗鏜刀具壽命，對提到產品質量和降低生產成本都有積極的指導意義。

關鍵詞：缸孔；粗鏜；刀具壽命；加工參數

中圖分類號：TK416+.1 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）05-0099-03

Abstract： Thecylinder body is an important part of engine， which machining quality affects the performance of the engine directly. In this paper， a series of experimental study were carried out on the gasoline engine to investigate the tool life of former boring in cylinder hole， the material of cylinder hole， the cylinder structure， the machining parameters and the tool structure are analyzed in this study. The results show that the improvement of tool life is the result of multiple factors. It can improve the tool life effectively by controlling the sulfur content and the carbon equivalent in the cylinder hole， and optimizing the structure of the bottom shelter and the machining parameters， which provides an important reference value for the improving of product quality and the reducing of the production costs.

Key Words： cylinder hole； former boring； tool life； machining parameters

引言

氣缸體是發動機的重要零部件，在氣缸體缸孔加工中，粗鏜缸孔的加工質量將直接影響發動機的各項性能。隨著材料科學和機械加工技術的發展，發動機缸孔加工技術也得以顯著提高。目前為減輕發動機重量，缸體的材質已逐步被鋁合金替代，缸套采用鑄鐵材料。加工刀具也逐步采用PCD、CBN等高硬度加工刀具。由于發動機缸孔需經過粗鏜、精鏜、珩磨等加工步驟，使缸孔形成規則網紋已滿足設計要求，在實際生產中，缸孔粗鏜的加工質量對后續工序有較大影響，經常出現工件圓柱度不穩定，換刀首件和過程中幾何參數超差，刀具壽命波動明顯，都對缸孔的加工質量產生較大風險。本文以東風自主品牌發動機粗鏜缸孔為研究對象，分析了影響加工質量和刀具壽命的原因，并提出了解決辦法。

1 粗鏜缸孔的現狀分析

下圖1為發動機缸套示意圖，發動機缸體一般為鋁合金材質，缸筒內鑲鑄鐵干式缸套，與活塞和缸蓋共同組成燃燒室。通過對缸孔進行粗鏜、精鏜、珩磨等，在缸套內表面形成具有特定要求的網紋特征，來提高缸孔耐磨性，延長發動機使用壽命。

在發動機缸孔加工中，經常出現缸孔底部缸套掉渣，刀具消耗過快等問題，導致生產不能連續，直接影響到整車的產出，同時也增加了制造成本。

2 影響刀具壽命的主要因素

發動機缸孔的粗鏜過程易受加工材質，刀具結構等因素的影響導致刀具壽命的縮短，如何在保證加工質量的同時，有效提高刀具壽命是解決缸孔粗鏜的關鍵，影響刀具壽命的主要因素有以下幾個方面：

1、缸套材質；發動機缸套材質一般為鑄鐵，缸套材料中各元素成分的含量、石墨形態、碳當量等因素都對缸套的硬度和加工性能有較大影響。在實際的生產過程中，缸套材料對加工過程的影響主要受缸套內S和P元素的含量、缸套的石墨形態和缸套內碳當量（C+1/3Si）三個方面因素的影響。發動機缸孔材料的主要成分如下圖所示。

2、缸體結構；發動機缸體底部避讓坑的結構不良可導致在加工時出現缸孔掉渣現象，從而影響刀具壽命。缸體底部的避讓坑是由連桿運動包絡范圍和鑄造缸套定位點共同決定，在缸孔粗鏜過程中，連桿避讓坑處刀具切削力存在突變，可能導致刀具崩刃，壽命異常，圖2為缸體底部避讓坑結構示意圖。

3、加工參數；粗鏜缸孔時的加工參數主要受線速度和進給量兩個方面的影響。在加工時，由于缸孔長度較長，通常采用降速加工的加工方式，線速度過大或者過小都會加速刀具的磨損，在本文中缸孔的加工長度為130mm，選擇當加工至120mm時開始降速。同時選取合適的進給量也可以有效提高刀具壽命。

4、刀片結構；缸孔粗鏜加工中刀具一般選用CBN材質，按結構可分為壓板刀具和穿心刀具，穿心刀片的刃口鋒利，具有切削性能好，成本低廉的特點，但是其強度較低，容易過快磨損。而壓板刀片強度高，切削性能相對穩定，同時成本相對較高。在加工時需根據需要選擇合適刀具進行加工。

3 改善措施與效果

根據所分析影響缸孔粗鏜刀具壽命影響因素，制定對應的改善措施：

3.1 缸套材料成分

控制缸套內硫元素的含量。硫元素的存在可以使缸套產生熱脆性，降低缸套的延展性和韌性。一般缸套內硫含量要求控制在0.03%-0.15%，因為過低的硫含量也會導致缸套的加工性變差，從而影響刀具的壽命。同時控制缸套的石墨形態，要求缸套內A+E型石墨≥70%，石墨長度ASTM4～6級，硬度94～104HRB，缸套內碳當量按照3.45±0.05%控制。

3.2 缸體結構

通過對掉渣缸套進行檢查，發現掉渣部位僅出現在缸體底部連桿避讓坑處，避讓坑厚度過小，刀具在加工末端易出現崩刃現象導致刀具壽命降低。修改缸孔底部避讓坑結構，增加避讓坑處的鋁層厚度1MM，提高鋁層對缸套的包裹力。

3.3 加工參數

本文通過修改缸孔加工時的線速度和進給量盡量選擇合適的加工參數。圖4為不同的線速度和進給量下的刀具壽命。從圖中可以看出在線速度為600m/min（缸孔直徑為74mm），初期進給量為1.2mm/n，降速后進給量為0.9mm/n時，刀具壽命最好，此時缸體結構及缸體材質未做更改。

3.4 刀具選擇

粗鏜刀的刀具一般選用CBN材料，本文中選擇5刃刀具進行加工，圖5為加工時所使用刀具示意圖。由于前期使用穿心刀具，壽命較短。故在改善后使用壓板刀具進行加工。

3.5 效果分析

圖6所示為改善后刀具壽命，從圖中可以看出通過控制缸孔中硫含量和碳當量，增加避讓坑厚度和修改加工參數等措施，刀具壽命得以顯著提高，缸孔掉渣情況得到明顯好轉。

4 結論

本文通過對缸孔粗鏜中刀具壽命的影響因素分析，得出主要結論如下：

1、缸套材料中硫元素的含量，石墨形態以及碳當量對加工有明顯影響，通過成分、金相組織分析確定合適的加工材質，可以有效改善加工環境。

2、缸套底部的避讓坑是發生缸孔掉渣的主要部位。由于在機加過程中連桿避讓坑部位缸套受應力存在突變，導致缸套底部掉渣并使刀具壽命終止。通過優化缸套底部避讓坑結構，減少應力突變，可以有效提高刀具壽命。

3、對于內鑲式缸套的加工，可采用降速加工降低刀具磨損。加工時線速度和進給量都不易過大，設定合理的進給量和主軸轉速都對提高加工效率和加工質量有積極意義。

4、刀具選擇需通過不同刀具的切削試驗，驗證適合切削該缸套材料的最優刀具，從而提高刀具壽命，降低成本。

參考文獻：

[1]宋鳳敏，趙玉祥等.發動機缸孔加工精度控制方法研究[J].機床與液壓.2014，42（8）：39-43.

[2]高羅輝.汽車發動機缸孔珩磨軌跡重構與精度控制[J].機械設計與研究.2013，29（1）：75-79.

[3]肖鐵忠，羅靜，龔文均等.汽車發動機汽缸體缸孔雙軸精鏜加工工藝[J].制造技術與機床.2013（2）：128-131.

[4]達世亮.汽車制造切削加工系統工程及應用[M].北京：機械工業出版社.2009.

[5]張樹禮.汽車發動機缸體缸孔精加工技術[J].金屬加工：冷加工.2011（2）：16-18.

[6]周明彪.缸孔平臺結構的優化及圓柱度的改善[J].汽車技術.2001（7）：32-33.

[7]肖鐵忠，羅靜，龔文均等.汽車發動機汽缸體缸孔雙軸精鏜加工工藝[J].制造技術與機床.2013（2）：128-131.