劉 玲

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院揚州分院，揚州 225000）

由于活塞的實際工作環(huán)境十分惡劣，為抵消熱變形與機械變形，建立高剛性潤滑油膜，將其在冷態(tài)時的縱向型線設計成中凸形。這不僅能有效降低外圓配缸間隙，提升裙部動力潤滑性，還能優(yōu)化內(nèi)燃機油耗，減少排放與噪聲。在高速強載內(nèi)燃機動力指標與性能要求不斷提升的大環(huán)境下，配缸間隙日益變小，外圓形狀愈發(fā)復雜，整體加工難度越來越大，精度要求越來越高。因此，以外圓橫縱向型線加工為例，確定影響加工質量的因素，提出合理的解決措施，以提升外圓的整體加工精度。

1 活塞外圓分析

1.1 活塞的基本結構

在內(nèi)燃機的不斷強化下，活塞所承受的壓力逐漸增大，特別是外圓與銷孔位置的磨損日益嚴重，甚至燃燒室喉口位置也會因為疲勞而裂開。為減少這類情況的出現(xiàn)，很多活塞都會在銷孔位置增設銅套，并給喉口進行重熔，外圓增設石墨層。同時，不少活塞由鋁合金改為鍛鋼，整體結構較為固定，主要包含頭部和裙部，如圖1所示。

頭部主要包含燃燒室和環(huán)槽。為了能夠更好地形成混合氣體，提升燃燒效率，燃燒室形狀通常都十分復雜。環(huán)槽的作用是方便安裝活塞環(huán)，使氣環(huán)實現(xiàn)良好的密封效果，并充分潤滑油環(huán)[1]。

1.2 活塞外圓工藝要求

在活塞機械加工中，外圓工序是一項關鍵工序。尤其是外圓直徑，是整個活塞的主要尺寸，決定了配缸間隙。倘若外圓尺寸失準，則會導致發(fā)動機在啟動時難以產(chǎn)生潤滑油膜，從而出現(xiàn)拉缸，給正常工作帶來不良影響，情況嚴重時還可能出現(xiàn)發(fā)動機停轉問題。

當前，外圓型面主要為中凸變橢圓，也就是縱向型線設計成中部外凸的曲線，橫向型線設計成橢圓。在實際加工中，有些廠家會基于基準直徑實施分組，且每組公差范圍約為0.005 mm，使得基準直徑公差被進一步縮小，增加了加工難度。同時，頭部外圓和氣缸壁之間不接觸，粗糙程度通常在1.6～3.2 mm[2]。 另外，外圓軸線和銷孔軸線的垂直度難以控制，一旦把握不當，會導致活塞和汽缸裝配后短軸兩邊的外圓和氣缸間隙不統(tǒng)一，活塞受損，情況嚴重時可能會發(fā)生拉缸問題。一般垂直度標準為100∶0.035，有些產(chǎn)品的要求還可能會更高。

1.3 活塞外圓加工現(xiàn)狀

1.3.1 設備

在傳統(tǒng)方式下，活塞生產(chǎn)只應用硬靠模加工，缺陷較多。一是整體效率不高，為了保證加工精度，主軸轉速不能過快；二是準備時間較長，因為該方式主要以磨削加工為主，切削量比較?。蝗羌庸ぞ炔粔?，因為靠模在外圓加工中經(jīng)常會受到磨損。在數(shù)控技術的不斷發(fā)展下，數(shù)控機床能實現(xiàn)快速、高精度立體型面加工。今日，在人機交互的不斷演化下，活塞機械加工開始向著工序復合、流程壓縮、變差來源減少等方向不斷發(fā)展。

1.3.2 夾具

在精車外圓中，主要通過止口胎進行定位，即將其安裝到主軸上，避免活塞在實際加工過程中出現(xiàn)主軸扭矩，從而影響周向自由度。夾具夾緊主要通過尾座液壓實現(xiàn)，其中尾座壓力會直接經(jīng)過頂盤傳遞給頂面。需要注意的是，在加工過程中，頂盤直徑必須控制在一環(huán)槽底直徑以內(nèi)。因為精車外圓的時候，環(huán)槽整體都已加工成形，一旦出現(xiàn)超出尺寸，就會導致成型環(huán)槽變形，從而影響后續(xù)環(huán)槽和活塞環(huán)之間的裝配。為有效保障外圓加工質量，當止口胎和機床主軸進行連接時，要連接之后能夠有效傳遞主軸精度。所以，止口胎外圓面和機床主軸中心之間必須有良好的同軸度，通常需控制在0.01 mm之內(nèi)。

1.3.3 刀具

影響刀具切削的主要因素為本身的材料。最開始外圓加工應用的刀具是融合了鎢、鉬、釩、鉻等合金元素的高度鋼。但在活塞材料的不斷優(yōu)化下，這類刀具已經(jīng)難以滿足外圓的切削需求，促使YG6與YT5材料的硬質合金開始得到廣泛應用。這類刀具無論是切削能力還是耐用度，都比傳統(tǒng)鋼刀效果好。同時，在刀具材料的不斷進步下，聚晶金剛石刀具（Polycrystalline diamond，PCD）開始得到廣泛應用。它的硬度高，熱傳導性強，耐磨度高，熱變形更小，加工精度更高，但不適合應用在鑄鐵耐磨鑲圈中，于是人造立方氮化硼刀具（Polycrystalline Cubic Boron Nitride，PCBN）逐漸得到應用。它不僅具有PCD刀具的優(yōu)勢，還能加工鑄鐵耐磨鑲圈[3]。從外圓加工的實際情況來看，目前它的換刀頻次仍舊非常高，給外圓精度的控制帶來了一定困難，所以在刀具方面還需進一步完善和優(yōu)化。

2 活塞外圓橫向型線與縱向型線加工技術

2.1 橫向型線加工技術

2.1.1 工藝要求

活塞橫向型線直接影響內(nèi)燃機運動的可靠性。它的設計主要是基于其在工作過程中所承受的壓力和溫度展開分析的。為使其有效抵消工作中的壓力變形和熱變形，使外圓氣缸能產(chǎn)生較為合理的配缸間隙，型線一般都是橢圓形。其中，橢圓短軸為銷孔軸線方向，長軸為垂直方向[4]。需要注意的是，該橢圓并非所有都是常規(guī)意義上的標準橢圓，所以可以用公式表示為：

式中：G是橢圓度；β為G的修正系數(shù)；α是其與長軸的夾角。其中：β=0時，是標準橢圓；β＞0時，是二次近似橢圓；β＜0時，是準均壓橢圓。因為活塞各高度受到的壓力和溫度都有一定差異，且高度方向上的壁厚也不統(tǒng)一，因此橢圓度也會根據(jù)高度不同而有所變化。

2.1.2 外圓橢圓加工因素控制

造成加工精度控制不準的因素主要有兩項，分別為長軸和銷孔軸線垂直偏移超差、橢圓度超差。

（1）長軸和銷孔軸線垂直偏移超差。在實際運行過程中，活塞因為截面各角度的形狀變化存在一定差異，其裙部橢圓長軸和銷孔軸線之間的垂直偏移超差可能會引起長軸方向變形量增大，從而出現(xiàn)拉缸問題。針對這一問題，改進時應先確保操作人員不會在止口胎上安裝后旋轉不充分或者忘記旋轉。這是因為兩者的垂直度是利用活塞安裝在止口胎上的，并在逆時針旋轉下使其檔面和撥快工作面相互接觸實現(xiàn)控制。因為當前活塞裙部都會設置避碰弧，以避免和連桿之間產(chǎn)生碰撞，所以止口定位面并非是一個完整周圈，銷孔方向并無止口斷面，可以通過止口定位面的實際范圍檢查止口胎上活塞的安裝情況。

（2）橢圓度超差。橢圓度超差通常會使首件發(fā)生長時間測量不合格問題，不但會造成大量廢品，還會延長換型時間，使產(chǎn)品無法如期交付，影響客戶滿意度。在裝夾過程中，活塞可能會因為夾緊力較大導致本身發(fā)生變形問題，從而出現(xiàn)橢圓度超差。切削時，它深度方向的分力也會產(chǎn)生活塞振動，致使夾緊力變小。這樣活塞在運作時就會產(chǎn)生徑向跳動超差，情況嚴重時則會直接從止口胎上掉落。所以，在實際裝夾時，必須確保夾緊力的合理性，不僅要保證被完全夾緊，減少振動，還要使橢圓變形量完全被有效控制在可承受的范圍。

2.2 縱向型線加工技術

2.2.1 工藝要求

活塞在實際工作中會因為高溫影響而出現(xiàn)變形問題，尤其是縱向高度所受的溫度分布不均勻，越往上溫度越高。同時，因為活塞本身壁厚并不勻稱，所以其截面變形量往往不一致，整體上大下小，因此縱向型線通常都被設計成下大上小的中凸形型線。

2.2.2 外圓直徑加工因素控制

（1）工藝流程?；钊麢C械加工的首道工序是精車止口。雖然它是在外圓實施夾緊，但是這時活塞本身正處在毛坯狀態(tài)，外圓整體余量較大，且后續(xù)還會進行粗車和半精車，因此該工序并不會給精車外圓加工帶來影響。由于活塞外圓要經(jīng)過粗加工、半精加工以及精加工，需要歷經(jīng)粗車、半精車以及精車3道工序，且都是通過精車止口定位，因此止口直徑大小會給外圓加工精準度帶來影響。此外，精車燃燒室與環(huán)槽、車擋圈槽、車銷孔內(nèi)倒角以及精車頂面等工序都相應完成了活塞要求的結構。這些都是在精車外圓工序開展之前進行的，且夾緊位置都是在頂面或銷孔，和外圓加工本身并沒有過大交集，所以這些工序基本不會給外圓加工精度帶來不良影響[5]。粗鏜銷孔是為了給精鏜銷孔去除一定余量，確保加工精度，因此也不會影響外圓加工精度。精鏜銷孔是在精車外圓之后開展，且應用止口實施定位，通過氣壓在頂部夾緊，余量低，整體采用立式加工，夾緊壓力較小，因此精孔過程的夾緊力給外圓帶來的影響非常小。粗車外圓和半精車外圓主要是為了給后續(xù)精車留置一定余量，定位基準和精車止口一致，因此粗車和半精車給外圓加工精度和精車外圓直徑帶來的影響非常小?？梢钥闯觯诨钊麢C械加工中會給外圓直徑加工精度帶來影響的是精車止口和精車外圓。但是，隨著加工工藝和刀具與機床的強化，在止口工序中基本已經(jīng)不會發(fā)生止口直徑超過0.05～0.06 mm的情況，因此止口直徑帶來的影響基本可以忽略?？梢姡绊懲鈭A直徑的工序只有精車外圓，而其引起的原因則包含刀具磨損和溫度變化，因此必須進行改進和完善。

（2）刀具磨損。對于刀具磨損問題，通?？梢詮膬蓚€方面著手。一方面，應用可以適合加工鋁合金材料和鑄鐵耐磨鑲圈的刀具；另一方面，分開含有鑄鐵鑲圈的鋁質和鐵質外圓，應用不同材料刀具展開施工。其中，鑄鐵鑲圈加工應用PCBN刀具，但該刀具比較適合應用在有色金屬加工中。鋁質材料本身硬度不高，切削時會導致殘屑附著在刀刃上影響切削能力，因此不能進行鋁合金材料加工。目前，沒有同時可以滿足鑄鐵鑲圈和鋁合金材料加工的刀具，所以第一個改進方向十分困難。對于第二個方案，則可以給鋁質外圓加工應用PCD刀具，鐵質外圓應用PCBN刀具[6]。

（3）溫度變化?；钊鈭A直徑需要在恒溫20 ℃的環(huán)境下測量，但實際加工過程中溫度變化大，直徑測量極易受到各方面因素的影響而無法達到恒定標準。以某一活塞為例，它的基準直徑為97.927 mm。分別對不同溫度下的基準直徑進行測量，最終得到結果如表1所示。

表1 不同溫度情況下活塞直徑值

因此，可以從兩個方向著手展開研究。一方面，進行溫差補償；另一方面，直接消除溫差。對于溫差補償，在加工車間一般都有專門的直徑溫度對照表，但加工完的活塞在短時間內(nèi)溫度都處在動態(tài)變化中，表面測量難以確定精準的數(shù)值。對于一些精準度高、公差范圍較小的活塞而言，這一措施難以保證整體直徑的合格率，所以它并不適合應用于高精準度的直徑控制。對于直接消除溫差，可以著手建立一個專門的恒溫車間，使其溫度控制在20 ℃，以有效保證測量的統(tǒng)一性和精準性。但是，該方式投入成本較高，且除了外圓直徑，其他質量控制基本都不受溫度影響。所以，為削減成本，可以建立專門的恒溫箱。

3 結語

在活塞中，外圓型面對氣缸壁摩擦、內(nèi)燃機空氣應用和壓縮比都存在極大影響，直接決定了它的整體性能。目前，外圓主要設計成中凸橢圓型面，但最近幾年其型面設計日漸復雜，精度要求越來越高，必須充分應用現(xiàn)有的各項手段實施改進和優(yōu)化，使其精度加工要求滿足需求。通過分析當前活塞外圓加工工藝，探究其在設備、夾具和刀具等方面的加工現(xiàn)狀，針對在橫向型線和縱向型線中的影響因素進行探析，提出了相應的控制措施。通過優(yōu)化改進可進一步提升外圓加工質量，減少成本投入，提高精度。