提高活塞卡簧槽加工質量的方法

■ 中國船舶重工集團公司第712研究所 （湖北武漢 430064） 丁立芳 劉明學

活塞是發動機的“心臟”，承受交變的機械負荷和熱負荷，是發動機中工作條件最惡劣的關鍵零部件之一。活塞的功用是承受氣體壓力并通過活塞銷傳給連桿驅使曲軸旋轉。活塞是在高溫、高壓、高速和潤滑不良的條件下工作，而活塞卡簧槽的質量直接影響發動機工作的穩定性和壽命。

圖1 320活塞卡簧槽尺寸要求

1. 加工中出現的問題

320活塞（見圖1）是船用柴油發動機使用最廣泛的活塞之一，材質為鋁合金，該產品結構比較復雜，加工精度要求高，制造過程存在一定的難度。在批量生產中，320活塞因卡簧槽尺寸超差而頻繁出現質量問題，給產品的正常交付帶來了嚴重的影響。

2. 原因分析

經過分析，造成320活塞卡簧槽不合格的因素有：粗切卡簧槽超差、精切卡簧槽不合格（包括精切卡簧槽寬度和表面粗糙度超差），其中精切卡簧槽過程中出現不合格數量占活塞卡簧槽加工不合格總數量的95%以上。

針對精切卡簧槽工序的生產過程及工藝方法進行分析，共找出了三個主要原因：加工參數不合理、刀具材質規定不明確以及精車工序加工余量大。

3. 確定合適的加工參數

（1）試驗目的和考察指標。目的：通過正交試驗法，找出最佳加工參數組合，達到以較低成本同時滿足降低表面粗糙度值和提高加工精度的目的。方法：分別選擇不同的主軸轉速、進給量和背吃刀量進行驗證。由于320活塞尺寸規格大、質量大，出于安全考慮，主軸轉速≤600r/min。考察指標：槽寬精度8.04+0.02+0mm以及卡簧槽表面粗糙度值＜1.25μm。

（2）試驗因素。經分析，有三個因素需要確定最佳條件：①主軸轉速。②進給量。③背吃刀量。

（3）選位級，制定因素位級表。根據工藝分析，每個因素選三個位級較為合適。①因素A，即主軸轉速S（r/min）：A1=300、A2=400、A3=500。②因素B，即進給量f（mm/r）：B1=0.08、B2=0.12、B3=0.18。③因素C，即背吃刀量ap（mm）：C1=0.2、C2=0.1、C3=0.05。

表1 正交試驗表

表2 補充試驗結果

圖2

（4）設計試驗方案。選用L9（34）正交表安排試驗，如表1所示。

（5）結果分析。各因素對結果影響的重要程度。極差R最大者，對結果影響程度最大；R最小者則影響程度最小。因此，影響主指標槽寬精度的因素的重要程度次序是A、B、C；對影響次指標表面粗糙度值的因素的重要程度次序是A、B、C。

直接看：從試驗表中可以看到，第5號的試驗結果最好，其工藝條件為A2B2C3，同時滿足槽寬精度和表面粗糙度要求。

算一算：從位級之和可以看出，提高320活塞合格率最好的工藝條件應是A2B2C2。趨勢如圖2所示。

綜合評定：“直接看”與“算一算”結果有差異，但其重要因素A、B是一致的，均為A2B2；因素C要在C2、C3中選取。根據上批試驗的情況，決定對“算一算”的好條件進行補充試驗，試驗結果如表2所示。

在滿足槽寬精度要求的前提下，表面粗糙度值越低越好。經綜合評定，其最佳加工參數可望是A2B2C2，即主軸轉速S=400 r/min，進給量f=0.12mm/r，背吃刀量ap=0.1mm。

小批跟蹤試驗取得成功，數據如表3所示。

（6）確定加工參數組合。經綜合評定和小批試加工，最佳加工參數為：主軸轉速S=400 r/min，進給量f=0.12mm/r，背吃刀量ap=0.1mm。

表3 小批試驗結果

4. 使用不同材質刀具對卡簧槽進行精加工

通過現場加工比較統計，采用標準寬度為6mm的普通合金刀片和金剛石刀片分別精加工320活塞的卡簧槽，加工結果如表4所示。

表4數據表明，采用普通合金刀片精加工320活塞卡簧槽，狀態極不穩定，處于不受控狀態；采用金剛石刀片精加工320活塞卡簧槽，加工狀態比較穩定，平均每把刀片的加工數量都在57件以上，處于受控狀態。

根據表4數據還可計算出精切活塞卡簧槽的刀具成本，如表5所示。

結論：采用標準寬度為6mm的金剛石刀片精切卡簧槽，不僅達到了目標要求，使卡簧槽加工處于受控狀態，而且還節約了刀具成本。

5. 調整精車加工余量

對于精度要求較高的有色金屬加工（精度等級IT6～IT7，表面粗糙度值Ra=0.8～1.6μm，經濟的加工方案為：粗車→半精車→精車。因此，在原來粗車工序加工余量不變的情況下，調整了加工工序，將精切卡簧槽分為半精加工和精加工兩道工序，半精加工后卡簧槽單邊余量為0.1mm。

半精加工和精加工采用一次裝夾完成，只是使用的刀具不同，而且半精加工使用的刀具為精加工切削淘汰的刀具。既保證了精車工序的加工余量，又提高了刀具的利用率。

采用標準寬度為6mm的金剛石刀片分別按精車加工余量為1mm和0.1mm來加工320活塞，試驗結果如表6所示。

將精車卡簧槽的加工余量調整為0.1mm，并合理地劃分加工工序，使320活塞卡簧槽的合格數量顯著提升。

6. 結語

通過對加工參數、刀具材質和精車工序加工余量等方面的改進，提高了320活塞卡簧槽的加工質量，為同類產品的加工提供了借鑒。

表4 采用不同材質刀片加工卡簧槽的合格數量

表5 采用不同材質刀片加工卡簧槽的刀具成本

表6 采用不同材質刀片加工卡簧槽的刀具成本

參考文獻：

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