活塞銷孔精加工影響因素與對(duì)策

楊經(jīng)立，郭全喜，劉向芹

（濱州渤?；钊邢薰?，濱州256602）

0 引言

目前的內(nèi)燃機(jī)活塞機(jī)械加工中，車削活塞銷擋圈槽、車削活塞銷孔內(nèi)倒角都是以活塞銷孔為定位基準(zhǔn)的，粗車削活塞外圓、精車削活塞頂面等也都是以活塞銷孔為夾緊面的，而且活塞壓縮高度（活塞銷孔中心線到活塞頂面距離）與活塞銷孔有關(guān)。因此，活塞銷孔的精加工質(zhì)量直接影響到活塞整體加工的質(zhì)量，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能?；钊N孔的直徑、圓柱度、活塞銷孔中心線與內(nèi)檔面垂直度、活塞銷孔表面粗糙度、活塞壓縮高度等均為特殊特性要求的項(xiàng)目，必須嚴(yán)格控制并保證其充足的加工能力［1］。

1 活塞銷孔精加工技術(shù)要求

活塞銷孔的尺寸、形位公差及表面粗糙度要求都很高。GB／T 1148-2010《內(nèi)燃機(jī)鋁活塞技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了活塞銷孔的一般技術(shù)要求，如表1所示。

表1 活塞銷孔一般技術(shù)要求

2 活塞銷孔精加工工序和工藝要求

在活塞機(jī)械加工過程中，從鑄造毛坯到成品，一次性地完成對(duì)活塞銷孔的加工，既達(dá)不到規(guī)定的質(zhì)量要求，銷孔也會(huì)因?yàn)楸黄渌ば蛴米鲓A緊面、多次定位而受破壞［2］；而且，鋁活塞在鑄造時(shí)，其銷孔是預(yù)先鑄出的毛坯孔，帶有3°～5°的拔模斜度，故毛坯銷孔不能作為其他加工工序的定位或夾緊面，但經(jīng)過粗鏜后的銷孔是可以的。

因此，活塞銷孔加工須經(jīng)粗加工、半精加工、精加工、甚至滾壓加工，才能最終完成。圖1是某發(fā)動(dòng)機(jī)活塞銷孔的精加工工藝和精加工要求。

圖1 活塞銷孔精加工工藝和精加工要求

3 活塞銷孔精加工影響因素與對(duì)策

影響活塞銷孔精加工質(zhì)量的因素主要是：精鏜床設(shè)備、工裝夾具、加工刀具和精加工工藝。根據(jù)本公司生產(chǎn)實(shí)際情況，詳細(xì)分析這些因素，并針對(duì)性地采取措施。

3.1 精鏜床設(shè)備

3.1.1 靜壓鏜頭

現(xiàn)在的活塞銷孔精加工，通常采用金剛鏜床，鏜頭為靜壓鏜頭。為達(dá)到活塞銷孔直徑的精加工要求，需要使用精密的靜壓鏜頭，且鏜床主軸的回轉(zhuǎn)精度要控制在1μm左右。在安裝鏜頭時(shí)，要確保鏜頭回轉(zhuǎn)軸線與裝有鏜刀的鏜桿運(yùn)動(dòng)方向嚴(yán)格平行，否則在加工過程中活塞銷孔會(huì)產(chǎn)生橢圓。不同規(guī)格的活塞，靜壓鏜頭是不同的，生產(chǎn)中要注意使用正確的靜壓鏜頭。只有使用正確的靜壓鏜頭才能保證活塞銷孔直徑的加工完全滿足技術(shù)要求［3］。

要嚴(yán)格按照規(guī)定，給靜壓鏜頭提供正確的靜壓油。靜壓油是潤滑油的一種，一般使用軸承油、或液壓油，或者兩者混合。不同精度的靜壓鏜頭，使用的靜壓油規(guī)格是不同的。靜壓油油量要適合，靜壓油液面應(yīng)在正確的游標(biāo)位置。靜壓油液面太低，會(huì)造成吸空現(xiàn)象。如果發(fā)現(xiàn)靜壓油壓力表指針產(chǎn)生擺動(dòng)，說明靜壓油太少，這時(shí)應(yīng)趕緊關(guān)閉機(jī)床。靜壓油過多，即靜壓油液面過高，不僅會(huì)造成傳動(dòng)軸攪拌靜壓油而使油溫升高，而且會(huì)使回油不暢，造成漏油現(xiàn)象。第1次開機(jī)及設(shè)備調(diào)試時(shí)需要調(diào)整靜壓油壓力，防止壓力表突然被過高油壓沖壞。正常使用時(shí)，油壓不需要調(diào)整。

3.1.2 機(jī)床振動(dòng)

鏜床在工作中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。鏜床自身的振動(dòng)、及外來的振動(dòng)都會(huì)明顯地影響活塞銷孔的圓度。為減少鏜床自身的振動(dòng)和外界振動(dòng)對(duì)活塞銷孔精加工的影響，鏜床必須安置在有一定要求的座基上，并且需要安裝減振墊。實(shí)踐證明，在鏜床機(jī)身與地面接觸部位安裝4個(gè)減振墊，通過調(diào)整，可明顯降低鏜床振動(dòng)，減少機(jī)床各部分的精度波動(dòng)，從而顯著改善活塞銷孔精加工后的圓度要求。調(diào)整減振墊的過程中，利用水平儀檢測(cè)機(jī)床的水平，使之每1 000 mm讀數(shù)不超過0.02 mm。

3.1.3 工件壓緊

活塞銷孔加工幾何精度要求非常嚴(yán)格，而且活塞為薄壁零部件，給活塞夾緊帶來挑戰(zhàn)。為此，采用氣壓壓緊工件的方式夾緊活塞。壓緊部位選擇剛性相對(duì)較大的活塞頂部，如圖2所示。壓緊力要適中，過大會(huì)對(duì)活塞銷孔造成微小變形，過小則活塞不能壓緊，無法進(jìn)行加工。在活塞銷孔精鏜加工完成后，在保持壓緊狀態(tài)下，用氣動(dòng)量?jī)x檢測(cè)活塞銷孔的圓柱度，結(jié)果會(huì)非常好；但松開氣壓壓緊，將活塞從鏜床取下后再測(cè)量，活塞銷孔圓柱度就會(huì)立即超差。因此，鏜床壓緊力必須嚴(yán)格控制，精加工時(shí)的壓緊力一般控制在0.20～0.25 MPa；而且氣源要穩(wěn)定。需要通過加裝調(diào)壓閥來對(duì)壓緊力進(jìn)行控制。實(shí)踐證明，此方法簡(jiǎn)單可靠且成本低。

圖2 活塞銷孔精加工夾緊示意

3.2 工裝夾具

3.2.1 止口胎和菱形銷

活塞銷孔精鏜加工所使用的主要工裝夾具為止口胎、菱形銷和鏜桿。其中止口胎和菱形銷主要起定位作用。用菱形銷而不用定位圓柱銷的主要原因是為了避免過定位。止口胎限制了活塞3個(gè)方向的移動(dòng)及繞2個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，菱形銷則限制了活塞繞第3個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，符合6點(diǎn)定位原理［4］。

3.2.2 鏜桿

活塞銷孔表面粗糙度要求很高，而且精鏜活塞銷孔時(shí)采用高速切削，在切削過程中一點(diǎn)輕微的振動(dòng)都會(huì)對(duì)活塞銷孔的表面粗糙度造成不利的影響。因此，裝有鏜刀的鏜桿，其加工制作要求非常高。為了確保鏜桿在運(yùn)轉(zhuǎn)中不產(chǎn)生振動(dòng)，鏜桿外圓需要采用磨削加工，鏜桿外圓與鏜桿定位凸臺(tái)之間的同軸度應(yīng)＜0.01 mm［5］。鏜桿加工完成后，需要對(duì)其進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，確保其在活塞銷孔加工過程中不發(fā)生輕微振動(dòng)。因鏜桿為細(xì)長(zhǎng)懸臂軸，需要通過熱處理方式來提高其強(qiáng)度。對(duì)采用普通45#鋼材料的鏜桿，通常采用調(diào)質(zhì)處理［6］。

通常情況下，活塞銷孔精鏜加工采用2把刀具依次加工；第1把鏜刀加工余量大，第2把鏜刀加工余量小，這樣可以減小加工過程中的殘余應(yīng)力和變形，確?；钊N孔的加工質(zhì)量?；钊N孔精鏜加工順序?yàn)椋?把刀先半精加工完一側(cè)銷孔，第2把刀再精加工同一側(cè)銷孔，然后2把刀再依次加工另一側(cè)銷孔。因此，鏜桿上2把刀具之間的距離要嚴(yán)格控制，否則會(huì)造成加工過程中出現(xiàn)2把刀同時(shí)切削的干涉現(xiàn)象。鏜桿的實(shí)際使用長(zhǎng)度要進(jìn)行嚴(yán)格的詳細(xì)計(jì)算，長(zhǎng)度不夠，不能完成整個(gè)活塞銷孔的鏜削任務(wù)，過長(zhǎng)，鏜桿容易與菱形銷發(fā)生干涉。

加工較小活塞銷孔時(shí)，鏜桿就更細(xì)長(zhǎng)，鏜桿的長(zhǎng)徑比就比較大。如果鏜桿的長(zhǎng)徑比達(dá)到10以上，鏜桿在活塞銷孔加工過程中因受各種載荷的作用而會(huì)產(chǎn)生震顫，影響活塞銷孔的加工精度，造成活塞銷孔圓柱度、表面粗糙度等超差。因此，加工小活塞銷孔對(duì)鏜桿提出了更高的要求?？紤]到鏜桿加工成本等各種因素，采用在鏜桿的末端處增加鉛棒、或硬質(zhì)合金塊等密度較大的材料進(jìn)行配重的方法，減少鏜桿自身質(zhì)量與切削力的比值，以此降低鏜桿在加工過程中產(chǎn)生的震顫［7-8］。

3.3 精鏜刀具

為了達(dá)到活塞銷孔的精加工要求，刀具及切削參數(shù)也是非常重要的方面?；钊N孔精加工的刀具一般采用人造金剛石刀［9］。生產(chǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)刀具實(shí)際磨損情況，及技術(shù)要求規(guī)定的尺寸精度來確定換刀頻次，并且須嚴(yán)格保證換刀頻次［10］。為了避免刀具干切削，在加工時(shí)，應(yīng)使用切削液，降低刀尖溫度，增加刀具使用壽命［11］。

3.4 精鏜工藝

在精鏜活塞銷孔的過程中，由于采用止口定位，出現(xiàn)了設(shè)計(jì)基準(zhǔn) （Q）與加工基準(zhǔn) （A）不統(tǒng)一的現(xiàn)象，如圖3所示。活塞銷孔中心線到活塞頂面距離A0，通常稱為活塞壓縮高度尺寸，簡(jiǎn)稱壓縮高。按目前的加工工藝，壓縮高A0為間接保證尺寸，即壓縮高A0是通過加工尺寸A1和尺寸A2來間接得到的。因此，尺寸鏈中壓縮高A0是封閉環(huán)，如圖4所示。

圖3 活塞壓縮高度加工尺寸鏈

圖4 活塞壓縮高度尺寸鏈?zhǔn)疽?/p>

實(shí)際加工中，間接法完全能保證壓縮高A0的精度要求。先精車活塞頂面尺寸A1，這是增環(huán)，再精鏜活塞銷孔尺寸A2，這是減環(huán)，A0為封閉環(huán)，組成環(huán)的各尺寸按一定的順序首尾連接，符合工藝尺寸鏈的基本特點(diǎn)。因此，一定要確保A1和A2尺寸的加工精度［12］。精鏜活塞銷孔 A2時(shí)，切削參數(shù)，即鏜床的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)刀量對(duì)保證活塞銷孔的最終尺寸、形位公差和表面質(zhì)量至關(guān)重要，需要嚴(yán)格控制。鏜床的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)刀量等參數(shù)需要根據(jù)活塞的材料和加工尺寸進(jìn)行調(diào)整，并需要通過一系列試驗(yàn)來獲得最佳的數(shù)值。

要確?；钊N孔精加工質(zhì)量，其粗加工的質(zhì)量也非常重要。粗加工時(shí)，既要確?；钊N孔的粗加工質(zhì)量，也要給出合理的精加工余量，不能簡(jiǎn)單地將活塞銷孔粗鏜加工視為僅僅是減少精加工的切削余量；粗鏜加工質(zhì)量的好壞，直接影響活塞銷孔的變形量及精加工余量的控制。因此，要求粗鏜加工后的活塞銷孔，其加工余量均勻，直徑公差控制在0 ～0.02 mm， 平行度控制在 100∶0.01，對(duì)稱度控制在0.05 ～0.10 mm， 表面粗糙度控制在R a 1.6 mm 以下。

4 結(jié)論

按照國標(biāo)對(duì)活塞銷孔的加工要求，并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，在減少機(jī)床振動(dòng)、減少活塞銷孔變形、保證活塞銷孔表面粗糙度和圓柱度等方面提出了相應(yīng)的措施。本文給出的措施，經(jīng)過實(shí)踐證明是有效可行的。這些措施充分考慮了人員、設(shè)備、刀具、加工方式、生產(chǎn)節(jié)拍、加工成本等各種因素，能夠滿足常規(guī)活塞銷孔的機(jī)械加工技術(shù)要求。