鋁合金表面網紋密封性及加工工藝性研究

李志賢　宋健

摘 要：通過分析網紋的形成機理，網格的形狀和分布等七大方面闡述了變速箱結合面采用網紋面對密封性能的影響。工件表面加工出平面菱形網紋的主要目的是通過表面網狀的溝槽，增加硅膠的抗拉強度和抗剪切強度，間接地增大平面密封膠的附著面積和摩擦系數，提高附著力，從而提高變速箱的密封性。

關鍵詞：形成機理；形狀和分布；切削參數；受力分析；密封性

中圖分類號：TG661 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）04-0083-05

長期以來我國大多數汽配廠家技術人員往往認為變速箱結合面加工的越光亮越好，但采用結合面上涂膠工藝，光滑結合面的密封膠模受箱內壓力的影響反而容易沖破，造成漏油。在汽車行進的過程中，由于車身震動和變速箱油溫升高等因素，結合面會出現滲油或漏油現象，嚴重影響其使用性能。國內外對發動機缸體，壓力容器等高壓強結合面采用研磨技術加工成網紋的研究比較多，且取得良好效果。借鑒該原理，采用銑削的方法將變速器箱體結合面加工成網紋面，用理論分析和實踐數據對比的方法，分析網紋結合面對密封性的影響，達到提升變速箱殼體結合密封效果。

1 形成機理

如圖1所示，其為CAD繪制的Φ50的銑刀盤的仿真圖，銑刀從切入工件到切離工件形成上弓和下弓的紋理，圖中的黑點就是圓盤銑刀在直線進給過程中，上弓和下弓刀痕的交叉點。由于刀具刀尖在切削過程中的軌跡類似螺旋曲線，且每轉進給是個常量a（圖1縱向的進給量0.8mm），其隨時間變化的軌跡方程為：

2 網格的形狀和分布

將網紋的區域劃分為4個區域，其中A到D分別為密格，次密格，中格和疏格等四個區域區，如圖3所示。

A區為接近光整平面，D區有部分還未形成菱形網格，C區域就在圖1中的30°～80°之間的區域，在加工過程中，盡可能將銑刀盤的行進區域選取C區、或C+B區。

對于刀盤走圓弧插補銑削的，情況發生了變化，圖4為半徑為R的網紋銑刀由直線進給轉為以半徑為R的插補銑所形成的網紋，假設離刀盤中心的某點為P，偏離中心的距離為p，那么，以R為半徑上弓和下弓交叉點所形成的兩交點的距離：

a=（R+p）/R*a，（p≤R≤R），也就是說，圓弧插補銑削中，在不同的行進半徑上每轉的公進是隨著半徑的增大而增大，體現在網格的夾角30°～120°的C區間比刀盤直線行走時C區域加寬了。

3 網紋銑削對設備的要求

盤銑刀與待加工表面平行，即刀盤的旋轉軸線垂直于加工表面（per300范圍內≤0.015），這樣就形成了切削紋與回刀紋交叉的網紋，如果垂直度超出一定范圍，這就只有切削紋或回刀紋的普通單紋平面。

4 網紋與切削參數的關系

通過上面的分析得知，網紋是由網格的長寬和槽溝的深度構成的，通過調整刀具的轉速、進給速度來控制網紋的大小，如果網格在進給方向上的長度a（毫米），主軸轉速n（轉/分），刀盤齒數z，那么進給速度F（毫米/分）=a·n（或F=z·fz·n，其中fz為每齒進給）。槽溝的深度是通過調整銑刀盤上的尖頭刀片的軸向伸出量來調整的，可以根據具體網紋的要求來選擇具體的切削參數和刀片。

5 網紋銑刀對網紋形狀的影響與刀片的調整方法

常規的普通銑刀通過轉速和進給速度的調整，也能銑出網紋面（如圖5所示的銑刀）。該銑刀是一把5齒的普通粗銑的面銑刀，全部用帶尖角刀片，刀片的徑向跳動≤0.002，軸向向跳動同樣≤0.002，銑出來的面視覺效果也是網紋，但放大后是一種由凸起的孤島式的、如同編制物的網紋（見圖6）。

同樣這把銑刀，把其中的2片換成帶修光刃的刀片（如圖7所示），并按如下方法調試：

（1）將外修光刃與內修光人的軸向偏差h控制在0.002以內，徑向間距b小于修光刃的寬度；

（2）將槽溝尖角刀的徑向位置置于兩修光人中間，軸向高出修光刃（約0.015～0.02mm）；其余刀片比修光刃低約0.05mm，這樣就形成由切削刃、修光刃和網紋槽溝刀組成的復合銑刀，將這把銑刀選擇與上面同樣的轉速和進給，網紋的效果如圖9所示，顯示的網紋是由均勻相間交叉的溝槽與小平臺組成。

6 網紋的表面輪廓

以上兩種銑刀銑出來的面都是網紋面，微觀形狀類似，但前者手感上略微感覺粗糙，那網紋的粗糙度怎么來評定呢？

網紋表面輪廓評定參數基本上由平面Ra和Rz、Pt、Rsm來評定的，通過Rt值的變化來分析兩種網紋的不同， 即Rt=Zp+Zv，網紋銑刀通過修光刃的調整，表面輪廓會發生如圖10的變化。

如果中線不變的話，未加修光刃的Zp值大，加了修光刃后的Zp值變小了，這是由于修光刃將輪廓的峰頂給削平了體現在測定的Ra值小，也就是基準平面的粗糙度小，而Zv值正是網紋平面要獲取的，即槽溝的深度，因此，只要按圖8所示的方法將網紋銑刀的刀片調整好，就能得到圖9一樣的網紋。

7 切削參數和加工路徑的選擇

根據網格的寬度a選擇轉速和公進速度，如網格的寬度a=0.8mm用5齒的銑刀，轉速n=6000rpm，每齒進給f=0.16mm，每轉進給0.8mm，則進給速度F=4800mm/min；

加工路徑對網格的形狀和分布有直接的關聯。如果刀具中心落在加工面上，或內外交替跨越，平面上就存在沒有封閉的網格，如圖11所示；銑刀的行走必須連續不間斷，如果停頓或重復網紋就會錯亂，如圖12所示。

加工路徑的設計要點：

（1）從零件大拐點處切入和切出，消除刀具停頓；（2）刀具的切削路徑設計成大圓弧，直線與圓弧，園弧與圓弧皆采用圓弧過度。（3）工件的切削面盡量落在C區（見前面圖4），刀具半徑的3/4處。

8 網紋結合面的受力分析和密封性分析

8.1 結合面硅膠的受力分析

結合面的硅膠在箱體裝配時被涂到后箱殼的結合面上，通過螺絲的擰緊力將多余部分部分的硅膠被擠出接合面，留在接合面之間硅膠固化后形成一層約為0.1mm的硅膠模（如圖15，圖的右面為光亮面的上膠情況）。

由于齒輪箱中有潤滑油，車子在行駛過程中油溫會升高，內腔會產生約0.1MPa的瞬間壓強，因此硅膠模除了通過螺栓緊固傳導的縱向壓力外，還受到一個變速箱內腔壓強產生橫向力，當然，這個橫向力在硅膠與箱體的結合面緊貼的情況下，只有靠內腔很淺的部分受力，并通過硅膠的彈性變形而抵消，但汽車在行駛過程中的震動，潤滑油的滲透，長久會使箱體與箱殼結合面間形成一層油膜，使得原來的靜摩擦轉變為動摩擦。

8.2 網紋結合面硅膠的密封性分析

硅鋁合金-硬橡膠在無潤滑的狀態下摩擦系數μ為0.25，而在有潤滑的狀態下摩擦系數μ幾乎為0。結合面為光亮平面的硅膠層是純粹靠靜摩擦力來抵抗箱內壓強產生的橫向壓力的，當橫向力超過硅膠的抗拉強度時，硅膠膜就破裂了，潤滑油就從裂紋中往外滲漏。

常用硅膠的抗拉強度為1.7N/mm2，的剪切強度為1.5N/mm2。下面對0.1mm厚度結合面上截取66mm長度（工件兩螺栓孔的最大間距為75mm，過孔的孔徑為9mm）的結合面進行分析（見圖16）。

每轉公進0.8mm，那么66mm長度上有切削槽圓弧有：66/0.8=82（段），回刀槽園弧也是82段。按槽深0.015mm，雙面網紋，則網紋槽所增加的面積S=2x11.7x82x2x0.015= 57.56mm2，由此可見，網紋面的硅膠層由于槽溝的存在，使其有效截面大福提升，不僅提升硅膠的抗拉強度，同時增加了一個抵抗橫向力的剪切力，橫向力必須超過硅膠的抗拉強度和剪切強度時，硅膠膜才會破裂（見表2），如果將抗拉強度和抗剪強度所形成的合力稱之為抗破膜力。從計算的數據看，抗破膜力提高了將近11倍，另外，溝將平面分割成菱形網格，還有將滲漏的潤滑油進行分割，防止其蔓延的作用。

9 密封性試驗

試驗件選用一種產品的前后殼，光整平面與網紋面各8件，為了模擬箱體的介質狀態，采用布蘸齒輪箱油再擰干擦結合面，使之形成油膜。通過對箱體內加壓，將箱體置入水箱中，以結合面冒泡（沖破膠膜漏氣）為臨界點，讀取壓力的數據，測試的結果顯示，光滑面所承受的壓力為0.35～0.6MPa，網紋面所承受的壓力所承受的壓力為0.75～1.2MPa（見表3），漏氣點均為連接螺栓處。

從以上的數據可以看出，耐壓并不非分析的11倍關系，經拆箱查看分析，原因為螺栓連接過孔處離箱體內壁的距離小或網格較疏，其中9#（網格疏）、16#（寬度2.8mm），光滑面在出現滲漏處附近不同程度的出現膠膜剝離，見圖17中的1#、3#、5#、8#圖片，其中4#出現兩連接螺孔中間段的膠膜剝離，從實驗數據看，網紋面的密封性較光滑面的密封性有明顯的提高。

10 結論

本文通過以上的論證和試驗，得出如下結論：（1）通過切削參數的設定和切削刀具的調整，可獲得菱形網格的網紋平面；（2）加工路徑直接與網格的密封性相關聯，要獲得良好的密封性能，就要選擇較為理想的中、次格區域對零件進行切削；（3）網格結合面要有足夠的結合寬度，否則密封性會急劇下降；（4）網格面的密封性能是光整平面的密封性能的1.3～2倍。

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