汽缸活塞環槽切削機理分析

摘 要：本文以CMK2汽缸活塞環槽加工為例，介紹了汽缸活塞的作用，分析了活塞的材料特性、加工過程以及割槽刀對活塞環槽的加工質量的影響，并為活塞環槽的工藝改善提出了一些有效的方法。

關鍵詞：汽缸 活塞環槽 割槽刀 切削

CMK2汽缸活塞是汽缸中的受壓零件，結構如圖1所示。為防止活塞左右兩腔相互竄氣，活塞上設有活塞密封圈，安裝于活塞環槽中。為了減小活塞密封圈的徑向磨耗，在活塞臺階上安裝耐磨環，既可減小摩擦阻力，又可提高汽缸的導向性。但活塞環槽與活塞密封圈的密封性能取決于活塞環槽的加工質量和必要的滑動部分長度。通常，為提高活塞的加工精度，只有選擇良好的工藝才能保證。事實上，為了進一步改善活塞環的加工精度，研究活塞環槽的加工工藝有著十分重要的意義。

圖1 活塞

一、材料特性

CMK2汽缸活塞采用2A12鋁合金棒材加工，該牌號鋁合金屬于Al-Cu-Mg系列的鋁合金，以銅金屬元素含量最高，大約在3.8%～4.8%。其強度高，有較好的抗疲勞強度和一定的耐熱性，可用作150℃以下工作環境的零件。其熱狀態、退火和淬火狀態下的成形性能都比較好，熱處理強化效果顯著，對熱處理工藝要求嚴格且抗蝕性較差，但綜合性能較好。

同時，按照2A12鋁合金材料力學性能分析（抗拉強度σb：≥370 MPa；屈服強度σ0.2：≥215 MPa；延伸率δ：≥12%），屬于塑性材料。在對其切削的刀具必須具備高硬度、耐磨性、強度、韌性、抗氧化性及抗黏結性。此外，由于在2A11鋁合金中存在一定的硅含量（Si≤0.7），考慮到硅對高硬度刀具（硬質合金）有一定腐蝕作用，因此必須選擇刀具材料的粒徑為8～9μm刀具進行加工。需要注意的是不能采用氧化鋁基陶瓷刀具加工2A12牌號的鋁合金材料，因為鋁與氧化鋁基陶瓷的化學親和力易產生黏結現象，會影響刀具的耐用度，降低刀具使用壽命。

二、加工過程

金屬加工的過程是指被切削金屬在刀具切削刃和前刀面的擠壓作用下，產生剪切滑移變形的過程。由材料擠壓實驗的結果可知，試件在外力作用下，內部要產生剪切應力應變，試件要經過彈性變形、塑性變形與斷裂三個階段。根據這個推論，我們將活塞環槽割槽刀切削刃附近的切削層分為三個變形區域，如圖2所示。

圖2 三個變形區的劃分

剪切滑移區[Ⅰ]：在第一個變形區域內，由許多剪切應力面構成的剪切滑移區，但不同面上的剪切力值不同，被切削鋁材在割槽刀的車削下將沿這些面產生剪切滑移。在車削過程中，車削層中鋁材某質點逐漸向切削刃逼近，應力應變也隨之增大，當剪切應力達到了2A11鋁合金的屈服強度215MPa或超越時，內部金屬晶粒中的原子沿著滑移面發生剪切滑移，使圓形晶粒被搓剪成橢圓形并按一定方向呈纖維狀分布，其纖維方向與剪切方向基本一致。

刀具與前刀面接觸區[Ⅱ]：當車削層的鋁經過剪切滑移后形成鋁屑并沿前刀面流出時，靠近前刀面處的鋁屑受到前刀面的擠壓而產生劇烈摩擦，再次產生剪切變形。同時，鋁屑底層很薄的一層金屬晶粒被拉長呈纖維狀，并與前刀面平行而成纖維層。此外，由于2A11鋁合金的延伸率為δ（%）：≥12，屬于塑性材料。因此在切削過程中，如果切削條件選擇不當，由于鋁的剪切產生的劇烈塑性變形，使得切削底層中的一部分鋁被黏結或冷焊在割槽刀前刀面上，形成高于2A11鋁合金硬度2～3倍的楔塊，即積屑瘤。它能代替割槽刀的切削刃切削零件表面，影響了活塞環槽的尺寸精度和表面粗糙度。為了控制車削過程中這一現象的產生，我們通過大量的生產實踐證明，將切削速度提升到200m/min，可以避免切屑瘤的產生。而且切削速度的提升也有助于工件表面溫度升高，切屑底層金屬軟化，降低鋁合金的剪切強度，也不易產生積屑瘤。但是，工件的溫度不得高于400℃，否則會產生逆反效果。

刀具與后刀面接觸區[Ⅲ]：除了割槽刀前刀面與工件被加工表面的剪切變形之外，工件的過渡表面和已加工表面也受到割槽刀切削刃鈍圓部分和后刀面的擠壓、摩擦而產生塑性變形，造成活塞環槽表層材料的纖維化和加工硬化，并產生一定的殘余應力。一旦刀具退出切削，殘余應力在一定的時間里釋放出來，形成凹凸不平的活塞環槽表面，因此這也會影響其使用性能。

以上三個區域的滑移面都匯集在割槽刀的切削刃處，該處的應力集中而且復雜，它們之間既互相聯系又互相影響的。

三、割槽刀具

1.刀具磨損

在加工活塞環槽時，鋁合金塑性較大，切削速度較高（ 一般大于200m/ min），會在刀具的前刀面、后刀面產生不同程度的磨損。

圖3 后刀面磨損形狀

首先，在高速切削情況下，由于切屑的流出速度快，加劇了切屑與切槽刀前刀面的摩擦，使得前刀面出現像月牙洼一樣的凹坑。隨著切削時間的增加，月牙洼的擴展，刀刃的強度漸漸削弱，因此極易引起切削刃的損壞。

其次，在上述的切削條件下，活塞環槽的已加工表面與切槽刀的后刀面間也存在著強烈的摩擦，后刀面接近切削刃處，因其散熱條件和強度較差被磨出溝痕，如圖3所示。其靠近刀尖部分（C區）的磨損最大，同時由于加工硬化的影響，在靠近工件外表面處（N區）切削刃及其后刀面也產生較大的磨損。通常以磨損帶中間磨損均勻的地方評價切槽刀具的耐磨度。

圖4 切削速度對刀具耐用度的影響

因此，過度地提高切削速度，會加劇刀具的磨損，導致刀具耐用度降低。通過實踐證明，刀具的切削速度VA對刀具耐用度T的影響成駝峰曲線，如圖4所示。當在A點時，切削速度為VA，刀具的耐用度也最大。由圖4可知，當切削速度小于VA的范圍時，切削速度增大，切削溫度也隨之升高，使得鋁和割槽刀具的硬度都有所降低，但鋁的硬度降低要比刀具材料更為明顯。

如果切削速度在VA左邊范圍內，刀具的磨損會隨著切削溫度的升高而降低，且刀具的沖擊韌性略有提高，從而提高刀具切削性能。但當切削速度在VA右邊范圍內持續增大時，由于鋁是塑性材料，會隨著切削溫度的升高，導致加劇刀具與鋁的黏結、刀具本身的氧化以及刀具表面材料組織的相變等方面的磨損，導致刀具耐用度下降。

2.刀具刃口對內槽面的擠壓

依據牛頓力學原理，兩個物體之間的作用力和反作用力，在同一條直線上，大小相等，方向相反的原則可以判斷：在刀具刃口倒鈍的圓弧上，既有刀具與后刀面的摩擦力，又有刀具與前刀面的摩擦力，它們的方向都朝著背離刃口的方向，且它們之間在刃口倒鈍的圓弧面上存在著一個分界點。如果我們取一微單元分析可知，摩擦力的方向為刃口倒鈍的圓弧的切線方向。按照材料力學剪切原理，最大剪應力方向與主應力方向的夾角為45°的原則，可以判斷在刃口鈍圓上切線方向與切削方向成45°的那一點是刀具與前、后刀面的摩擦力的分界點，如圖5所示。

圖5 割槽刀刃口擠壓分析

于是計算最大擠壓余量Δacm為：

Δacm=rn（1-cos45°）≈0.3rn（rn為刀具圓弧半徑）

因此，在選擇數控刀片或者設計活塞環槽刀具時，可以以此分析公式選擇合適的活塞環槽刀具刃口的倒鈍圓弧，以確定最大擠壓余量，控制刀具的耐磨損程度。

在活塞環槽加工過程中，刀具倒鈍圓弧刃口對工件存在一定的擠壓。如果擠壓量不大，刀具后刀面上微觀凸峰會對工件表面上的微觀凸峰進行切削，甚至劃擦。否則，刀具后刀面表面凸峰只對工件已加工表面凸峰進行耕犁，迫使被耕犁的凸峰向周邊波谷流動，從而降低已加工表面微觀凸峰高度。這樣造成已加工表面晶粒大量破碎并且開始出現細小的鱗刺，看上去亮度較差，出現蒼白的已加工表面。隨著切削時間的延長，在刀具的后刀面上就會出現鋁粘刀現象，并產生粘刀磨損，從而影響活塞環槽的表面加工質量。

我們應根據2A12鋁合金材料自身特性，研究分析活塞環槽切削加工機理，不斷去改善加工工藝，這樣才能進一步提高CMK2活塞環槽的加工質量。

參考文獻：

[1]陳宏鈞.實用機械加工工藝手冊[M].北京：機械工業出版社，2005.

（作者單位：無錫技師學院）