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影（yǐng）響活塞鑄鐵環槽加工質量的因素

2020-4-8 來源：濱州渤海（hǎi）活塞有（yǒu）限公司（sī）作者：趙慶陽，翟可（kě）芬（fēn），李（lǐ）成（chéng），吳思翰

摘（zhāi）要：發動機對活塞鑄鐵環槽加工質量不斷提出（chū）新要求。影響活塞環槽加工質量的因素主要是機床、夾具（jù）、刀具（jù）、加工參數等。對這（zhè）些影響因素（sù）進行了係統而詳細的分析，可為實際生

產提供指導（dǎo）。實踐證明，在生產過程中，隻要將機床精度、夾（jiá）具精度、刀具質量、加工（gōng）參數（shù）等控製在適合的範圍（wéi）內，就能保證活塞鑄鐵（tiě）環槽的加工質量達到相應的技術要求。

關鍵詞: 活塞鑄鐵環槽加工質量機（jī）床夾具刀具

0 引言

隨著（zhe）內燃機技術的不斷發展，發動機對活塞環槽使用壽命的要求越來越高［1］。與之（zhī）相適應的（de）高（gāo）性（xìng）能發動機活塞耐磨鑄鐵環槽的機械加工質量要求也進入了一個新的（de）階段。比如初期耐磨鑄鐵環槽（cáo）的表麵粗（cū）糙度要（yào）求為Ｒa 1. 25 μm，現在有（yǒu）的活塞品種要求為Ｒa 0. 63 μm，甚至提出了要達（dá）到Ｒa 0. 4μm 的更高要求; 環槽側麵（miàn）的平麵度要求原（yuán）來為0. 015 mm，現在已要求提高到 0. 01 mm 等。為進一步提高活塞耐磨鑄鐵（tiě）環槽的加工質（zhì）量，需對活塞的機（jī）械加（jiā）工過程進行係統研究，通過理（lǐ）論與實踐相結（jié）合的方式，找到影（yǐng）響活塞鑄鐵環槽加（jiā）工質量的因素，才能找到適合（hé）的解決辦法，達到進一步提升活塞鑄鐵環槽加工質量（liàng）的目的。

1 、鑄（zhù）鐵（tiě）環槽的加工（gōng）質量要求

鑄鐵環槽的加工（gōng）質量要求一般如圖 1 所示。其中，尺寸精度要求包括槽側麵到活塞頂麵的軸向（xiàng）距離 L，環槽的槽（cáo）底（dǐ）直徑 D1，環（huán）槽寬度 A，雙梯形環槽 2 側麵間（jiān）的角度等; 形狀精（jīng）度要求包括槽側（cè）麵的平麵度要求，槽側麵的徑（jìng）向直線度等; 位置精度要求包括環槽側（cè）麵相對活塞軸線的圓跳動度要求（qiú），環槽底麵相對活塞軸線（xiàn）的圓跳動（dòng）度要求等; 表麵質量要求包括環槽側（cè）麵的表麵粗糙度，一般要求不大於Ｒa 0. 8 μm，有的高性能活（huó）塞要求不大於Ｒa 0. 4μm，環槽底麵的表麵粗糙度要求不大（dà）於Ｒa 3. 2μm。鑄鐵環槽的加工質量與發動機的（de）使用性能密切相關。有關資料研究表明，如果鑄鐵環槽加工質量不合格，發動機會產生（shēng）機油耗高、漏氣量大等質量問題; 嚴重時，會在（zài）鑄鐵環槽與活塞鋁機體粘合部位產生裂紋或斷裂現象，如果發動機長時（shí）間運轉可能導致缸體損壞，造成大的質量事故。

圖 1 鑄鐵環槽（cáo）加工質量要求

2、鑄鐵環槽加工質量的影響因素（sù）

鑄鐵環槽的加工質量包括尺寸精度、形狀和位置精度、表麵粗糙度 3 個方麵的內（nèi）容（róng）。影響鐵環槽機械加工質（zhì）量的因素除鑄鐵材料本身外［2］，主要是（shì）機（jī）床、夾具、刀具，以（yǐ）及加（jiā）工參數。

2. 1 機（jī）床影響

活塞環槽的加工一般是在臥式機床上進行的，臥式車床精度直接影（yǐng）響活塞（sāi）環槽（cáo）的加工質量。

2. 1. 1 對環槽槽底加工質（zhì）量的影響

當臥式機床（chuáng）的導軌（guǐ）在水平（píng）麵（miàn）內存在直線（xiàn）度誤差為 ΔY 時，對（duì）活塞環槽的槽底直徑產生的影響如圖2 所示。當導軌的（de）直線度誤差 ΔY 為 0. 01 mm 時，理論上，環槽的槽底（dǐ）直徑在半徑方（fāng）向上的變化為ΔＲ = ΔY = 0. 01 mm。同時，由於定（dìng）位誤（wù）差的存在，活塞定（dìng）位夾具止口胎與活塞定位麵之間的配合在活塞直徑（jìng）方向上存在著間隙，在加工過程（chéng）中會導致活

塞的環槽底圓對活塞外圓中心的圓跳動產生較大的誤（wù）差。

圖 2 機床導軌水平（píng）麵內直線度誤差影響

臥式機床影響活塞環（huán）槽底圓加工（gōng）精度的主要因素（sù）為機床（chuáng）主軸回轉誤差，即主軸徑向圓跳動，如3 所示。當主軸的最大徑向圓跳動量為 B 時，在活塞環槽底圓的 1 處和 2 處車削出的槽底圓與在 3 處和（hé） 4 處車（chē）削出的槽底圓直徑尺（chǐ）寸是一樣的，如圖 3中所（suǒ）示。圖 3 中實線表示 B 為 0 時（shí）的加工槽底圓，虛線和點劃（huá）線為主軸圓跳動為 B 時的環槽底圓移動的最大範圍，其槽底圓中心同樣會在以半徑為 B的（de）圓（yuán）內進行竄動，因此，會（huì）產生槽底圓對活塞外圓（yuán）中心的圓（yuán）跳動誤差 δ1。δ1的大小與主軸（zhóu）的徑向最大圓跳動量 B 的關係為 δ1= B。

圖（tú） 3 機床主軸回轉誤差影響

2. 1. 2 對環槽（cáo）側麵（miàn）加工質量的影響

當加工機床（chuáng）的主軸發生軸向（xiàng）竄（cuàn）動時，會對活塞環槽的側麵加工產生一（yī）定的影響，如圖 4 所示。當主軸的軸向竄動量為 ΔX 時，會使環槽側麵產生（shēng）平（píng）麵度誤差 δ2，δ2與（yǔ） ΔX 間（jiān）關係為 δ2= ΔX。

圖 4 機床主軸軸向竄（cuàn）動影響

2. 2 夾具影響

目前活塞生產（chǎn）主要以批量化加工為主。為能夠實現快速（sù）的（de）定位和裝夾，必（bì）須使用專用夾具。專用夾具的加工質量（liàng），及其與機床的（de）配合性能對活塞環槽的加工（gōng）質量有很大影響。為使活塞在臥式加工機床上有準確的位置，通常（cháng）利用定位止口胎作為連接（jiē）活塞零（líng）件與機床的（de）中間件。其基本（běn）結構因活塞設計（jì）結構的不同而異，一般采用如圖 5 所示（shì）的 2 種結構

形式。

止口（kǒu）胎定位（wèi）原理是: 止口胎的定位端麵可限製活塞沿 Z 軸移動的自由度，及繞 X 軸（zhóu）和 Y 軸轉動（dòng）的自由（yóu）度; 定位圓周（zhōu）麵（miàn）可限製活塞繞 X 軸及 Y 軸轉動的自由度，故加工活塞環槽時，止口胎可限製活塞的 5 個自由度。活塞繞 Z 軸轉動的自由度則由（yóu）專用（yòng）定位塊（kuài） ( 如圖 6 所示) 來完成。同時，定位塊在（zài）加工過程中起傳遞扭矩的作用（yòng），可帶動活塞與機床主軸（zhóu）一起旋轉。活塞的（de）夾緊方式采用氣動壓力夾（jiá）緊，萬向（xiàng）頂盤連接（jiē）在（zài）機床的尾座（zuò）部分。當活塞定位（wèi）完成後（hòu），在活（huó）塞頂部用頂盤施加適合的夾緊力來實現夾緊，使活塞在旋轉加（jiā）工時不會發生較（jiào）大的位置變化。

圖 5 止口胎結構

圖（tú） 6 定位（wèi）塊

工件的定位基（jī）麵和定位元（yuán）件的限位基麵的集合稱為定位副。活塞與（yǔ）其定位元件之（zhī）間的定位誤差有: 活塞與止口胎之間定位端（duān）麵產生（shēng）的誤差（chà），活塞與止口胎之間定位圓周麵產生的誤差，撥塊產生（shēng）的誤差。其產生機理如下（xià）。

2. 2. 1 定（dìng）位端麵的誤差

當設計的活塞定位端麵與止（zhǐ）口胎（tāi）的定位端麵接觸為整圓周時（shí），基於基孔製設計的原則，假設（shè） 2 圓間存在間隙時，如圖 7 所示，D 為活塞（sāi）定位圓直徑，d 為止口（kǒu）胎限位圓直徑，活塞的定位（wèi）圓中（zhōng）心在雙點劃（huá）線圓直徑 A 的範圍內變動，則 A 的最大值為:

式中，Dmax為活塞定位圓的（de）最大直徑，dmin為止口胎（tāi）限位圓的的最小直徑（jìng），TD 為活塞定位圓的基準公（gōng）差，Td 為（wéi）止口胎限位圓的基準公差，Xmin為活塞（sāi）定位圓與止口（kǒu）胎（tāi）限位圓間的最（zuì）小間隙。

圖 7 圓周接觸（chù）定位誤差

活塞加工時，A 的大（dà）小會直接反映為（wéi）活塞環（huán）槽底圓相對活塞外圓中心（xīn）的圓跳動值的多少。有時受活塞結構影響（xiǎng），活塞的定位端麵隻（zhī）能設計為局部（bù）圓周端麵。在（zài）此情況下，活塞端麵的圓周（zhōu）方向上會存在長度為 L 的開口間隙，此時活塞的定位圓端麵在徑向會有如圖 8 所（suǒ）示的徑（jìng）向竄動量（liàng） B。

圖 8 局部接觸定位誤（wù）差

2. 2. 2 定位圓周（zhōu）麵（miàn）的誤差

當活塞的定（dìng）位圓周麵與止口胎的限位圓周麵在活塞軸（zhóu）向接觸麵較少（shǎo）時，在活塞重力及切削力的影響下，活塞會產（chǎn）生一定的（de）傾斜角度 α (如圖（tú） 9 所示（shì）)，從而（ér）使活塞環槽側麵對活（huó）塞軸線的垂直度產生一（yī）定的加工誤差。此加工誤差的（de）大小與活塞（sāi）環槽（cáo）側（cè）麵到定（dìng）位端麵的距離、活塞外徑及傾斜角（jiǎo）度 α有關。

2. 2. 3 定位塊的誤差

圖 9 活塞傾斜示意圖

采（cǎi）用圖 6 所示的整體式定（dìng）位塊撥轉活塞內檔（dàng）麵(如圖 10 所示) 時，由於內擋麵對活塞中心存在（zài）對稱度誤差，實際（jì）加工時定（dìng）位塊與活塞內檔麵僅能單邊（biān）線接觸（chù）。加工時，在切（qiē）削力作用下活塞易產生徑向竄動，影響環（huán）槽的加（jiā）工精度。同時（shí），在實際加工過程（chéng）中為實現一定的（de）加工效率，活塞的安裝采用非定向裝夾方式進（jìn）行，因而不能保證定位塊與活塞內檔麵接觸位置的一致（zhì）性，從（cóng）而造成活塞質量一致性較差。為此，采取改進措施，將整體式定位塊（kuài）改成浮動式定位塊，如圖（tú） 11 所示。浮動結構可實（shí）現定位塊沿活塞徑向上下浮動，解決了活塞外圓中心與定位塊中心不重（chóng）合的問題; 並實（shí）現定位塊與（yǔ）活塞內檔麵間的雙邊接觸，有效降低了定位夾具（jù）對環槽加工精度（dù）的影響，並能較好地保證活塞質量的一致（zhì）性。

圖 10 活塞內擋麵

圖 11 浮動式定位塊

2. 3 刀具（jù）影響

隨著切削技術的進（jìn）一步發展，目前在我（wǒ）國已普遍采用聚晶立方氮化硼 (PCBN) 刀具加工活塞鑄鐵環槽。PCBN 材料具有硬度高、耐磨、耐（nài）衝擊特點。一般（bān）情況（kuàng）下，一把 PCBN 刀（dāo）具能夠加（jiā）工 1 000多隻活塞。PCBN 刀具（jù）與早期使用（yòng）的硬質合金刀具相比，刀具的使用壽命顯著提高，同時也顯著提高了環槽表麵的加工質量（liàng）。

2. 4 加工參數（shù）影響

實踐表明，在活（huó）塞環槽（cáo）的加工過程中，加工參數對環槽（cáo）表麵粗糙度的影響較大。鑄鐵（tiě）環槽機械加工的加工參數主要是指機床（chuáng）主軸轉速、切削進給（gěi）量和切削深度。由於對活（huó）塞環槽表麵粗糙度要求不同，有（yǒu）的產品要（yào）求為Ｒa 1. 25 μm，有（yǒu）的則要（yào）求Ｒa0. 4 μm; 同時（shí），即使在同一機床上加工，即使（shǐ）表麵粗糙度（dù）要求相同，但（dàn）由於活塞結（jié）構不同，所需的加工參數也不盡（jìn）相同。因此，如何快速得到最（zuì）優的加工參（cān）數成為（wéi）現代化活（huó）塞加工中需（xū）重點解決的問（wèn）題。為了快速得到加工參數的最優組合，可應用六西格瑪管（guǎn）理工具的全因子試驗設（shè）計方法［3］，結（jié）合以往的加工經驗數據，得出較合理的試（shì）驗數據組（zǔ）合來進行試驗，從而可以以較短的時間定出適合的加工參數（shù）。以我公司某產品為例 (如圖 1 所示)，當環槽的槽底直徑 D1 為 105 mm，環槽（cáo）的寬度 A 為2. 2 mm，環槽總（zǒng）角度 15°時，經試驗得（dé）出當機床轉速為（wéi） 600 r/min，進給量為 0. 06 mm/r，軸向切削深度為 0. 15 mm 時，環槽表麵的粗糙度值（zhí）可控製在Ｒa 0. 6 μm 內，滿足了產品的粗糙度技術要求。

3 、結論

影響活塞鑄鐵環槽加工質量的影（yǐng）響因素（sù）主要（yào）是機（jī）床、夾（jiá）具、刀具、加（jiā）工參數等，在（zài）實際的生產（chǎn）過程中，隻有將影響活塞鑄鐵環（huán）槽加工（gōng）質量的影響（xiǎng）因素給予充分（fèn）的考慮，並將機床精度、夾具精度、刀具質量等（děng）控製在適（shì）合的範圍之內，才（cái）能保證鑄鐵環槽的加工質量達到相應的（de）技術要求。同時隨著對活塞鑄鐵環（huán）槽加工質量要求的進一（yī）步提高，也對機床精度、刀夾具質量等提出了更高的要求。

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