高強度缸套加工工藝研究

張之濤，王保民，李勝利，洪彥奎，梁 望，顏書華

(河北華北柴油機有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050081)

隨著高功率密度發(fā)動機技術(shù)的快速發(fā)展，柴油機的平均有效壓力和發(fā)動機轉(zhuǎn)速不斷提高。目前柴油機爆壓可達到25 MPa以上，這使氣缸套的工況更加惡劣。這就要求高強度的材料來適應(yīng)柴油機技術(shù)的發(fā)展。同時，為保證氣缸套內(nèi)孔表面具有較高的耐磨性、抗蝕性和抗熱疲勞強度等綜合優(yōu)良性能，氣缸套內(nèi)孔尺寸及形位精度要求越來越嚴格，而且對其內(nèi)表面物理組織、微觀結(jié)構(gòu)要求也更為苛刻[1]。

1 高強度鑄鐵材料

缸套材料一般選用含磷鑄鐵、含硼鑄鐵、含鈮鑄鐵等耐磨材料，其鑄造工藝廣泛采用離心鑄造法，便于獲得珠光體+硬質(zhì)相的耐磨組織，其基體硬度普遍在200 HBW，硬質(zhì)相硬度達到800～1 200 HV。加鈮元素高強度鑄鐵，由于金像組織的特點，其基體硬度約為300 HBW。根據(jù)鑄鐵中析出高硬度的第三相提高耐磨性原理，在鑄鐵化學(xué)成分中加入鈮，當(dāng)鈮含量達0.4%左右時，在基體組織中可析出鈮碳氮化合物，顯微硬度為2 000 HV，均布于珠光體基體上，當(dāng)其直徑為3～7 μm時，具有最佳的耐磨性[2-4]。

加鈮元素鑄鐵缸套摩擦因數(shù)比硼鑄鐵及片狀珠光體低，鈮碳氮化合物顆粒小，硬度高，均布于滑動面，潤滑性能好。因而，耐磨性、抗咬合性均比硼鑄鐵優(yōu)越。鑄鐵中加入鈮，抗拉強度大于400 MPa，切削性能不好。同時其加工精度普遍要求達到IT6級精度，如何改善加工效率和提高加工精度是高強度缸套加工面臨的一個難題。

2 加工方案

2.1 缸套技術(shù)要求

某氣缸套毛坯為含鉻、鉬、鈮、錫等化學(xué)成分的高強度鑄鐵缸套，其材料特性：抗拉強度σb≥400 MPa，硬度≥280 HBW，壁厚最薄處僅5 mm，內(nèi)孔表面粗糙度≤Rz6 μm，圓柱度為0.02 mm，外圓尺寸為φ170f6。由此可見，該零件不僅材料強度、硬度很高，切削加工性能很差，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計壁厚很薄，屬于典型的薄壁弱剛性零件，極易產(chǎn)生加工變形[5-6]。最重要的是內(nèi)孔表面粗糙度要求很高，采用傳統(tǒng)的加工技術(shù)難以保證氣缸套內(nèi)孔表面的加工質(zhì)量。

2.2 主要工藝流程

主要工藝流程如下：毛坯→粗車→半精鏜內(nèi)孔→精車端面、外圓→車密封槽→精鏜內(nèi)孔→精車止口、外圓→粗珩磨內(nèi)孔→半精珩磨內(nèi)孔→精珩磨內(nèi)孔→清洗→入庫。其中，精鏜內(nèi)孔為核心加工工序，后續(xù)珩磨內(nèi)孔為網(wǎng)紋精整加工工序。

2.3 主要加工工序

2.3.1 鏜孔

采用缸套外圓作加工定位基準(zhǔn)，精鏜孔后的尺寸和幾何精度對最終工序(珩磨)的幾何精度有決定性的影響。因為珩磨只能提高尺寸精度和降低表面粗糙度值，而對于形狀位置的偏差則無法糾正。所以應(yīng)盡量提高該工序的幾何精度，以滿足珩磨工序的要求。

精鏜內(nèi)孔工序采用高精度立式加工中心高速精鏜內(nèi)孔，以提高缸孔的加工精度和降低表面粗糙度值。設(shè)備具有高剛度、高強度、大功率，轉(zhuǎn)速范圍能滿足切削速度為100～200 m/min立方氮化硼刀片的要求，加工余量為0.3～0.5 mm，保證尺寸加工精度在0.03 mm之內(nèi)，內(nèi)表面圓柱度為0.02 mm。

2.3.2 上、下外圓的精加工

缸套的上、下外圓在安裝使用中主要起導(dǎo)向及密封冷卻水作用。其加工精度高，尺寸精度為IT6級，上、下外圓對內(nèi)表面中心線的同軸度為φ0.05 mm，所以外圓面的加工應(yīng)特別注意，采用數(shù)控車床精車外圓。

2.3.3 內(nèi)孔珩磨

內(nèi)孔預(yù)珩磨直接影響到后續(xù)內(nèi)孔平頂珩磨加工，是將珩磨的時間減少到最低程度的一道重要工序，同時，將為平頂珩磨內(nèi)孔獲得理想的技術(shù)參數(shù)做好幾何形態(tài)的基礎(chǔ)準(zhǔn)備。

平頂珩磨缸套工作面是主加工，其工藝過程由切削和擠壓表面復(fù)合加工構(gòu)成。平頂珩磨是在粗珩磨、半精珩磨之后增加的一次超精珩磨，目的是磨去粗珩磨和半精珩磨之后的缸孔表面波峰峰頂?shù)囊徊糠帧Ｆ巾旂衲ナ呛途衲ズ显谝粋€珩磨頭上，即精珩和平頂珩磨由一個珩磨頭完成，以保證珩磨質(zhì)量。工藝方案是同一珩磨頭上采用雙膨脹系統(tǒng)，一個機械膨脹系統(tǒng)和一個液壓膨脹系統(tǒng)[7-9]。

珩磨余量控制在0.03～0.05 mm，拋光余量為0.005 mm。有利于內(nèi)孔表面圓柱度達到0.02 mm，砂條長度應(yīng)為缸套內(nèi)孔長度的1/3，使用對稱油石的珩磨頭。

3 精鏜內(nèi)孔試驗研究

3.1 試驗思路

切削加工表面的幾何公差和表面粗糙度對缸套的使用有重要影響，而加工過程中的工藝參數(shù)又是影響幾何公差和表面粗糙度的主要因素。通過分析刀具參數(shù)和切削參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律，確定影響表面粗糙度的主要因素，為合理匹配切削加工工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。

3.2 試驗方案

本試驗在立式加工中心TK5680上進行，配置專用鏜床夾具。

3.2.1 刀具參數(shù)和刀片材質(zhì)對內(nèi)孔粗糙度的影響

工藝試驗刀尖圓角半徑(試驗數(shù)據(jù)見表1和圖1)、刀片材質(zhì)(試驗數(shù)據(jù)見表2和圖2)對內(nèi)孔粗糙度的影響。試驗結(jié)論：刀尖圓角半徑越大，表面粗糙度值越低，但切削力越大，易產(chǎn)生震紋；刀具前角大小決定著切削變形和刀具的鋒利程度，前角大，切削變形和摩擦力減小，但前角太大，刀具強度減弱，刀具散熱情況差，磨損加快，通過試驗確定前角取5°；后角相似不再贅述，后角取7°；硬質(zhì)合金刀和CBN(立方氮化硼)刀片相比，CBN刀片對降低鑄鐵件表面粗糙度值效果明顯。

表1 刀尖圓角半徑試驗數(shù)據(jù)

圖1 不同刀尖圓角半徑、進給量對表面粗糙度的影響

表2 刀片材質(zhì)試驗數(shù)據(jù)

圖2 不同刀片材質(zhì)、進給量對表面粗糙度的影響

3.2.2 切削參數(shù)對表面粗糙度的影響

試驗時刀具使用CBN刀片(刀尖圓角r0.4)。通過切削試驗，確定了切削速度、切削深度和進給量對表面粗糙度的影響。試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 切削參數(shù)試驗數(shù)據(jù)

切削速度對表面粗糙度的影響如圖3所示，隨著切削速度的提高，內(nèi)孔粗糙度呈先下降后升高趨勢。當(dāng)切削速度為180 m/min時，表面粗糙度Rz值明顯減小，此時，隨著切削速度的進一步增大，主軸精度下降，表面粗糙度值略有增大。

圖3 切削速度對表面粗糙度的影響

切削深度對表面粗糙度的影響如圖4所示，一定范圍內(nèi)增加切削深度對表面粗糙度的影響不大，即在銑削力穩(wěn)定的加工過程中，表面粗糙度變化幅度較小。若繼續(xù)增大切削深度，則會導(dǎo)致切削力幅值波動加大，引起工件、刀具變形，造成表面粗糙度顯著變化。

圖4 切削深度對表面粗糙度的影響

進給量對表面粗糙度的影響如圖5所示，進給量在0.06～0.12 mm/r范圍變化時，表面粗糙度值隨著進給量的增大而逐漸增大，最后趨于平緩。當(dāng)進給量為0.06 mm/r時，表面粗糙度最佳，當(dāng)進給量在0.06～0.08 mm/r范圍變化時，表面粗糙度變化不大。由此可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速一定時，增大進給量在提高生產(chǎn)效率的同時增大了殘留面積的高度，造成表面粗糙度增大。

圖5 進給量對表面粗糙度的影響

通過試驗可知，CBN刀片切削時線速度達180 m/min時，表面粗糙度較好。因此鏜φ150內(nèi)孔時，主軸轉(zhuǎn)速為380 r/min比較合適。切削線速度公式：

(1)

將各參數(shù)值帶入式1可得：

(2)

可計算出n=382 r/min，取整為380 r/min。

經(jīng)正交試驗優(yōu)化后，切削參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速380 r/min，切削深度0.3 mm，進給量0.06 mm/r。

3.2.3 設(shè)備對內(nèi)孔粗糙度和圓柱度的影響

試驗時使用立式加工中心TK5680。立式加工中心加工零件的表面粗糙度和圓柱度較金剛鏜床好。設(shè)備高轉(zhuǎn)速、高剛度、高精度是保證內(nèi)孔粗糙度和圓柱度的必要條件。

4 試驗驗證

4.1 加工表面粗糙度

隨機抽取的10件經(jīng)精鏜加工的氣缸套內(nèi)孔表面質(zhì)量情況見表4。由表4中數(shù)據(jù)可知，表面粗糙度值均在Rz8 μm以下，與普通鏜削加工一般所達到的表面粗糙度Rz12.5 μm相比，其效果相當(dāng)好。

表4 精鏜加工后氣缸套內(nèi)孔表面質(zhì)量

4.2 氣缸套表面磨損

氣缸套表面的耐磨性是非常重要的技術(shù)指標(biāo)，它影響發(fā)動機的工作性能。為驗證按該工藝路線精鏜后再平頂珩磨加工氣缸套內(nèi)孔的工作性能，在某型號柴油機上進行了500 h耐久性臺架考核試驗。試驗結(jié)果證明：按該工藝加工后的氣缸套內(nèi)孔表面工作狀況良好，磨損量非常小(經(jīng)500 h考核試驗后，平均磨損量僅為0.008 mm)，沒有發(fā)現(xiàn)劃傷與異常磨損痕跡，無穴蝕情況，滿足整機各項技術(shù)指標(biāo)及可靠性要求。

5 結(jié)語

綜上所述，通過科學(xué)制定工藝方案，優(yōu)選切削刀具(材質(zhì)、刀尖半徑、前角、后角等)，合理確定切削工藝參數(shù)(切削速度、切削深度、進給量等)，可獲得優(yōu)越的高強度缸套加工表面。

基于CBN刀具的高強度鑄鐵缸套加工技術(shù)，可以明顯提高缸套的加工精度和生產(chǎn)效率。平頂珩磨后的缸套可以提高缸套內(nèi)孔的物理力學(xué)性能，改善零件表面的應(yīng)力分布狀態(tài)，大幅提高零件摩擦副的抗疲勞強度、耐磨性及耐腐蝕性。內(nèi)燃機中活塞環(huán)和氣缸套是一對重要的摩擦副，對發(fā)動機的動力性、可靠性和使用壽命有著極大的影響。在考慮缸套加工質(zhì)量的同時，還必須考慮氣缸套與活塞環(huán)的合理匹配。