李安海 盧永紅 劉 濤 趙 軍

(①山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250061; ②山東濱州渤?；钊煞萦邢薰?，山東 濱州 256602)

活塞作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，是把發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為有效功的最關(guān)鍵零部件，活塞承受著高溫、高爆壓。隨著汽車工業(yè)高效和節(jié)能減排需求的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)具有更高的功率密度，高強(qiáng)耐磨輕質(zhì)新材料在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞上的應(yīng)用日趨廣泛。然而，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)壓力達(dá)到20 MPa時(shí)，在高溫高壓工況下，裝機(jī)易出現(xiàn)活塞燃燒室和銷孔開裂等破壞失效，活塞的加工質(zhì)量已成為制約活塞使役性能和疲勞壽命的重要因素之一。

活塞切削加工時(shí)，往往以止口為多道工序的定位基準(zhǔn)，其工藝流程包括以下工序[1]：粗車止口→粗車外圓、頂面→精車止口→粗鏜銷孔→精車環(huán)槽→半精車外圓→精鏜銷孔→車擋圈槽→車內(nèi)角→粗精車燃燒室→精車外圓。其中，精車環(huán)槽、精鏜銷孔和精車外圓是對(duì)活塞加工表面影響最大的重要工序，需要嚴(yán)格控制。在加工過程對(duì)刀具和切削參數(shù)的選擇要求較高，需要對(duì)加工用刀具幾何參數(shù)和切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高加工表面完整性和加工效率。特別是鏜銷孔時(shí)加工表面粗糙度值較大，嚴(yán)重制約了刀具壽命、加工效率和表面完整性的提高。

活塞銷孔加工質(zhì)量的高低直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的性能，如果活塞銷孔表面的加工質(zhì)量達(dá)不到技術(shù)要求，將有可能導(dǎo)致活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生卡死或運(yùn)動(dòng)不暢等現(xiàn)象，引起發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生故障[2]。Usman等人[3]發(fā)現(xiàn)活塞銷孔加工質(zhì)量同整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性關(guān)系重大。對(duì)特殊結(jié)構(gòu)活塞銷孔的加工，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)的方式可較快的得到合理的切削參數(shù)。Wu等人[4]研究了活塞異型孔鏜孔加工的控制方法。Severino等人[5]設(shè)計(jì)了一種車削馬氏體活塞環(huán)的特殊結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金刀具，并獲得了良好的加工效果。郭書剛等人[6]通過精鏜銷孔工序中改進(jìn)夾具和控制銷孔溫度分別來提高壓縮高和銷孔直徑的加工精度，從而改進(jìn)銷孔加工方式并提高加工質(zhì)量。翟可芬[2]指出對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)活塞銷孔的加工，影響銷孔表面質(zhì)量的主要因素為鏜桿結(jié)構(gòu)及刀具的形狀。段鵬等人[7]指出在批量生產(chǎn)某小型活塞條件下，通過改進(jìn)刀具材料和刀具角度使得精鏜銷孔工序加工質(zhì)量大為提高，降低了次品率。

本文擬在活塞加工刀具材料選擇、活塞熱-機(jī)械負(fù)荷耦合分析、加工表面微觀應(yīng)力集中、切削機(jī)理和加工表面質(zhì)量研究的基礎(chǔ)上，對(duì)活塞銷孔粗加工工藝過程進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)刀具材料、加工工藝方式、刀具形狀、刀具結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑方式等方面進(jìn)行優(yōu)化，以期獲得良好應(yīng)用效果。

1 問題描述

某批次柴油機(jī)鋁合金活塞，其銷孔直徑為φ50 mm，銷孔毛坯拔模斜度一般為≤3°。常用的銷孔加工工藝方式為：粗加工―半精加工―精加工，即粗加工先采用硬質(zhì)合金粗孔鉸刀加工至φ49 mm，再用PCD鏜刀加工至φ49.5 mm的半精孔尺寸，最后采用PCD鏜刀精加工至φ50 mm的成品尺寸。由于整體焊接刀具刀尖回轉(zhuǎn)直徑無法調(diào)節(jié)，只能加工固定直徑的活塞；每次刀具刃磨后，必須重新對(duì)刀，影響加工效率；刀尖磨鈍時(shí)，即使刀體完好，也需要整體更換，生產(chǎn)成本較高。

為提高高速?gòu)?qiáng)載內(nèi)燃機(jī)的性能和動(dòng)力指標(biāo)，對(duì)活塞的要求也相應(yīng)提高，為了降低鑄造廢品率、保證鑄造質(zhì)量、提高機(jī)械加工精度，在最大限度的發(fā)掘設(shè)備加工能力的基礎(chǔ)上，可將此類活塞的銷孔在鑄造時(shí)將拔模斜度由3°改為5°(如圖1所示)。改進(jìn)后活塞加工按照原定的工藝方案已經(jīng)不能滿足高效低成本的需要，需要在原工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

2 加工過程參數(shù)優(yōu)化

2.1 刀具材料

PCD刀具相比硬質(zhì)合金刀具在Al-Si合金活塞的切削性能和價(jià)格上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此可采用批量生產(chǎn)性價(jià)比更高的PCD刀具代替硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行活塞銷孔加工?；诓裼蜋C(jī)活塞特點(diǎn)，結(jié)合金剛石和硬質(zhì)合金刀具優(yōu)異的性能，為應(yīng)對(duì)高效高品質(zhì)切削加工的挑戰(zhàn)，分析了鋁硅合金活塞材料的微觀結(jié)構(gòu)和組織特點(diǎn)，筆者在前期工作中基于層次分析法和熵權(quán)法對(duì)鋁活塞刀具材料進(jìn)行了優(yōu)化選擇[8]。優(yōu)選結(jié)果表明，PCD刀具因其優(yōu)異的物理力學(xué)性能在加工Al-Si合金時(shí)，刀具壽命和刀具成本等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

2.2 加工工藝方式

隨著現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床精度的提高及刀具材料性能的提高，加工工藝方式可由“粗―半精―精”加工方式改進(jìn)為“粗—精”加工方式。改進(jìn)后的加工工藝方式見圖2所示，即銷孔可由PCD粗孔鉸刀直接加工至φ49.5 mm的半精孔尺寸，再精加工至φ50 mm的成品尺寸。

活塞銷孔毛坯拔模斜度改為5°后，加工余量增大，銷孔單邊最大余量從1.25 mm增加到6.15 mm。這也使得切削過程產(chǎn)生新的問題，如：

(1)材料去除率增大，刀具磨損加快，刀具壽命降低，換刀頻次增大。

(2)刀具扭矩增大，刀桿變形加劇，銷孔平行度、對(duì)稱度以及垂直度等難以滿足工藝要求，對(duì)后續(xù)精加工產(chǎn)生不利影響。

(3)刀具切出時(shí)容易發(fā)生負(fù)剪切現(xiàn)象，造成銷孔內(nèi)側(cè)外口容易產(chǎn)生崩邊缺陷(如圖3所示)。因此，需要進(jìn)一步改進(jìn)刀具結(jié)構(gòu)和形狀。

2.3 刀具形狀

針對(duì)銷孔內(nèi)側(cè)外口的崩邊現(xiàn)象，進(jìn)行了工藝過程的理論分析和原因探討，發(fā)現(xiàn)其與刀具切出過程的負(fù)剪切現(xiàn)象密切相關(guān)。負(fù)剪切現(xiàn)象是指刀具切出時(shí)，發(fā)生剪切角(圖4a中所示角度)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，從而引起負(fù)剪切角，惡化工件應(yīng)力場(chǎng)；在復(fù)雜的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的作用下加工表面會(huì)在負(fù)剪切區(qū)產(chǎn)生滑移變形，并進(jìn)而形成裂紋；剪切角在切削方向的下方，即剪切角為負(fù)值，裂紋會(huì)沿著負(fù)剪切角的方向增殖擴(kuò)展從而引起斷裂。

圖4b所示為出現(xiàn)負(fù)剪切現(xiàn)象的切削過程有限元仿真，可以看到負(fù)剪切現(xiàn)象對(duì)刀具切出時(shí)的加工表面產(chǎn)生裂紋或斷裂。經(jīng)過改進(jìn)刀具形狀和幾何參數(shù)，如圖5所示將方形刀片改為菱形刀片，改進(jìn)后切削過程平穩(wěn)，切出過程切屑很容易被切除，避免了負(fù)剪切現(xiàn)象，切削仿真效果見圖4c所示。

2.4 刀具結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)機(jī)夾刀具的兩個(gè)刀片裝夾位置相同，完全對(duì)稱，即“對(duì)稱型”刀具。為了提高加工效率，簡(jiǎn)化加工工藝過程，將“對(duì)稱型”改進(jìn)為“非對(duì)稱型”刀具(如圖6所示)。改進(jìn)后的“非對(duì)稱性”刀具具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)兩刀片不同回轉(zhuǎn)直徑裝夾，減小毛坯加工余量。

(2)兩刀片采用一定間隔前后配置，實(shí)現(xiàn)一次進(jìn)刀兩次加工，提高加工效率。

(3)減小切削力，避免對(duì)稱型因兩刀片裝夾帶來的加工誤差。

2.5 潤(rùn)滑方式

在活塞加工過程中，先進(jìn)活塞制造企業(yè)對(duì)活塞加工一般采用切削液進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，可以降低切削區(qū)的高溫，減緩刀具磨損。但是，切削加工中使用切削液對(duì)環(huán)境造成一定的污染、對(duì)操作者健康的危害是不可忽視的問題，使用切削液帶來的劇烈溫差變化使刀具很容易產(chǎn)生熱裂紋，發(fā)生疲勞破壞。然而，目前以降耗、節(jié)能、節(jié)材、減廢、有利于環(huán)境保護(hù)和人的身心健康、實(shí)行清潔安全生產(chǎn)的“綠色工程”是目前機(jī)械制造行業(yè)的迫切要求[9]。

因此，可以盡可能多地采用干切削替代使用切削液加工，另一方面可以提高切削速度使用高速切削來發(fā)揮干切削的優(yōu)勢(shì)。

3 工藝過程優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證及應(yīng)用

從企業(yè)面臨的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境出發(fā)，降低廢品率、提高加工質(zhì)量、降低成本對(duì)企業(yè)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力有著很重要的意義，加工工藝的改進(jìn)顯得尤為重要。此工藝過程中采用的PCD刀具在切削參數(shù)范圍內(nèi)刀具壽命能夠得到較好的發(fā)揮，不需考慮刀具成本，切削力、機(jī)床振動(dòng)等其他條件都在許可范圍內(nèi)，主要考慮切削參數(shù)優(yōu)化來得到最小表面粗糙度值。圖7為優(yōu)化前參數(shù)和優(yōu)化后參數(shù)得到的加工表面。應(yīng)用改進(jìn)后的切削參數(shù)得到的表面粗糙度可以達(dá)到0.268 μm，說明優(yōu)化改進(jìn)后在鋁合金活塞生產(chǎn)加工應(yīng)用效果良好。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)活塞鋁合金材料，限于機(jī)床設(shè)備、工裝夾具、材料性能參數(shù)等試驗(yàn)和仿真條件，通過銷孔加工理論分析、實(shí)驗(yàn)研究、有限元分析，優(yōu)化結(jié)論結(jié)果為：加工方式為“粗加工—精加工”，刀具材料為金剛石(PCD)，刀具結(jié)構(gòu)為非對(duì)稱型(刀片前后配置)，刀具形狀為菱形刀片，潤(rùn)滑方式為高速/干切削，優(yōu)化改進(jìn)后在鋁合金活塞生產(chǎn)加工獲得了良好的應(yīng)用效果，預(yù)期得到的表面粗糙度可達(dá)到0.268 μm。

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