張之濤，王保民，李勝利，洪彥奎，梁 望，顏書華

(河北華北柴油機(jī)有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050081)

隨著高功率密度發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，柴油機(jī)的平均有效壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不斷提高。目前柴油機(jī)爆壓可達(dá)到25 MPa以上，這使氣缸套的工況更加惡劣。這就要求高強(qiáng)度的材料來適應(yīng)柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，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(qiáng)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(yán)格，而且對(duì)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(qiáng)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(dá)到800～1 200 HV。加鈮元素高強(qiáng)度鑄鐵，由于金像組織的特點(diǎn)，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(dá)0.4%左右時(shí)，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(shí)，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(dòng)面，潤(rùn)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(qiáng)度大于400 MPa，切削性能不好。同時(shí)其加工精度普遍要求達(dá)到IT6級(jí)精度，如何改善加工效率和提高加工精度是高強(qiáng)度缸套加工面臨的一個(gè)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(qiáng)度鑄鐵缸套，其材料特性：抗拉強(qiáng)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(qiáng)度、硬度很高，切削加工性能很差，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(kù)。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(duì)最終工序(珩磨)的幾何精度有決定性的影響。因?yàn)殓衲ブ荒芴岣叱叽缇群徒档捅砻娲植诙戎?，而?duì)于形狀位置的偏差則無(wú)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(qiáng)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(jí)，上、下外圓對(duì)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(shí)間減少到最低程度的一道重要工序，同時(shí)，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?。平頂珩磨是和精珩磨合在一個(gè)珩磨頭上，即精珩和平頂珩磨由一個(gè)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(gè)機(jī)械膨脹系統(tǒng)和一個(gè)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(dá)到0.02 mm，砂條長(zhǎng)度應(yīng)為缸套內(nèi)孔長(zhǎng)度的1/3，使用對(duì)稱油石的珩磨頭。

3 精鏜內(nèi)孔試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)思路

切削加工表面的幾何公差和表面粗糙度對(duì)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(duì)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(yàn)方案

本試驗(yàn)在立式加工中心TK5680上進(jìn)行，配置專用鏜床夾具。

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

工藝試驗(yàn)刀尖圓角半徑(試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1和圖1)、刀片材質(zhì)(試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2和圖2)對(duì)內(nèi)孔粗糙度的影響。試驗(yàn)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(qiáng)度減弱，刀具散熱情況差，磨損加快，通過試驗(yàn)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(duì)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(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 不同刀尖圓角半徑、進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響

表2 刀片材質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 不同刀片材質(zhì)、進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響

3.2.2 切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

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

表3 切削參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

切削速度對(duì)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(shì)。當(dāng)切削速度為180 m/min時(shí)，表面粗糙度Rz值明顯減小，此時(shí)，隨著切削速度的進(jìn)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(duì)表面粗糙度的影響

切削深度對(duì)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(duì)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(huì)導(dǎo)致切削力幅值波動(dòng)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(duì)表面粗糙度的影響

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

圖5 進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響

通過試驗(yàn)可知，CBN刀片切削時(shí)線速度達(dá)180 m/min時(shí)，表面粗糙度較好。因此鏜φ150內(nèi)孔時(shí)，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(jì)算出n=382 r/min，取整為380 r/min。

經(jīng)正交試驗(yàn)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(jìn)給量0.06 mm/r。

3.2.3 設(shè)備對(duì)內(nèi)孔粗糙度和圓柱度的影響

試驗(yàn)時(shí)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(yàn)驗(yàn)證

4.1 加工表面粗糙度

隨機(jī)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(dá)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(dòng)機(jī)的工作性能。為驗(yàn)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(hào)柴油機(jī)上進(jìn)行了500 h耐久性臺(tái)架考核試驗(yàn)。試驗(yàn)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(yàn)后，平均磨損量?jī)H為0.008 mm)，沒有發(fā)現(xiàn)劃傷與異常磨損痕跡，無(wú)穴蝕情況，滿足整機(jī)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及可靠性要求。

5 結(jié)語(yǔ)

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(jìn)給量等)，可獲得優(yōu)越的高強(qiáng)度缸套加工表面。

基于CBN刀具的高強(qiáng)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(qiáng)度、耐磨性及耐腐蝕性。內(nèi)燃機(jī)中活塞環(huán)和氣缸套是一對(duì)重要的摩擦副，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)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(shí)，還必須考慮氣缸套與活塞環(huán)的合理匹配。