本文介紹了內燃機鋁活塞銷孔的技術要求，根據精鏜滾壓銷孔工序的加工特點，從設備、刀具系統等方面分析了影響銷孔精度的原因，提出了相應的改進、保證措施，并在大批量生產實踐中驗明了這些措施的有效性。
隨著發動機性能的不斷提高，活塞的結構隨之變化，對活塞銷孔的精度要求也越來越高。內燃機鋁活塞（見圖1）的銷孔，其形狀、尺寸精度以及表面要求都很高，按GB1148-93的規定，銷孔的圓柱度應為5級，要求2～3mm；尺寸公差為IT5，一般為4～8mm；粗糙度一般為Ra0.4mm。在批量生產條件下，精鏜 滾壓銷孔工序要達到這樣的要求，一定要在工藝上采取一系列嚴格措施才能滿足加工要求。
圖1 內燃機鋁活塞
某廠是的活塞加工企業，為國內幾乎所有的主機廠配套，在活塞加工方面積累了豐富的經驗。在生產實踐中，我們采用了以下措施來保證銷孔的各項技術要求。
減少鏜床的振動
鏜孔時，由于機床自身的振動以及外來的振動都會明顯地影響到所鏜銷孔的圓度，為此，我們采取以下措施：
1. 在床身與地面接觸部位安裝4個減振墊，可使銷孔圓度得以改善。我廠經過試驗，銷孔圓度可提高0.3～0.4mm。
2. 加固安放機床的地基。深挖地基，把地基的混凝土層厚度加深，并用減振材料把鏜床地基與周圍地面隔開，防止周圍機床的振動傳給鏜床。
刀具系統的改進
在設備精度、配置一定的條件下，要提高銷孔的精度、滿足加工要求，刀具系統是關鍵。為此，我們主要從以下幾個方面進行分析改進:
1. 鏜桿的改進
（1）鏜桿的設計制作
由于精鏜銷孔是高速切削加工，輕微的振動將直接影響活塞銷孔的表面粗糙度，因此，在鏜桿設計制作時要求鏜桿與主軸的同軸度小于0.01mm，且整個鏜桿各部外圓都要進行磨削加工。這樣就保證了鏜桿在高速轉動中可保持平衡、減少振動，消除了鏜桿本身的影響因素。刀孔的位置直接影響裝夾后刀具的加工角度，因此在鏜桿設計時（見圖2），要求刀孔中心經過鏜桿中心或刀孔中心偏離鏜桿中心一定距離，且刀孔中心垂直于鏜桿軸線，保證裝夾后刀具的加工角度；同時，給定相應各部的形位公差，減少因鏜桿替換引起銷孔加工表面粗糙度的變化。銷孔加工的鏜桿一般懸臂較長，因此鏜桿必須進行穩定強化熱處理，這樣可以提高鏜桿的強度、剛性，減少鏜桿的受力變形，提高活塞銷孔表面粗糙度水平。
圖2 鏜桿的設計結構
（2）鏜桿的材料
銷孔質量問題的關鍵之一在于銷孔精鏜刀桿的顫振。在鏜削銷孔時，鏜桿的長徑比一般都大于5，個別甚至達到10。鏜桿在加工過程中，受彎曲、扭轉和壓縮載荷的組合作用，會產生振動，尤其在加工銷孔小于φ15mm的活塞時，由于鏜桿的直徑較小，其情況尤其明顯。我們在為日本小松加工某活塞時，其銷孔直徑僅為φ8mm，而鏜桿的直徑更小，由于鏜桿的顫振使得銷孔達不到規定粗糙度、圓柱度的占到1/3之多。
由材料力學可知：K∝EI/L3，即鏜桿靜剛度K與其材料彈性模量E、慣性矩I成正比，與懸伸量L的3次方成反比。懸伸量L由于受到活塞直徑大小的限制，其值一般不能變化太多，這就要求我們選擇彈性模量大的材料。我們通用的鏜桿材料是45#鋼，其彈性模量E=196～216GPa，對于銷孔直徑較大（＞φ15mm）的活塞，其力學性能還基本能滿足銷孔的加工要求；對于銷孔直徑較小的活塞，我們就要尋找彈性模量大的材料。硬質合金(YG8)的彈性模量E=600～610GPa，顯然，硬質合金鏜桿剛度遠大于鋼質合金鏜桿，但其缺點是不易加工。我們嘗試在鏜桿的前端焊接上一段45#鋼，以便加工裝夾刀具的通孔和螺孔。
我們將用兩種刀具加工φ8mm銷孔的結果進行了對比，在我廠自制的BHT-20鏜床上分別加工了10只活塞，其實驗數據見表。結果表明：在相同加工條件下，硬質合金鏜桿的加工效果比45#鋼鏜桿要好得多。
表 使用兩種鏜桿得到的加工數據
（3）鏜桿的結構
鏜桿工作時不僅受到靜態力的作用，同時還有斷續切削、材質硬度不均勻、鏜桿自身不平衡和切削過程中自激振動等所引起的沖擊力或交變力的干擾，因此要求鏜桿不僅具有一定的靜剛性，還要具有足夠的抑制各種干擾力引起振動的能力，即抗振性。當切削力與鏜桿自身重量之比較大時，在切削過程中很容易自激振動，特別是加工直徑小于φ15mm的銷孔時，這種狀況非常嚴重。
由于硬質合金不易加工和成本高，我們還可在不采用硬質合金鏜桿的情況下，通過對45#鋼鏜桿增加配重，加大自身重量，減少自振。其具體方法是：在鏜桿末端裝比重較大的鉛棒（見圖3），保持徑向間隙0.05～0.1mm；裝好后用絲堵堵好,保持軸向間隙0.1～0.2mm，保證鉛棒在鏜桿內能自由轉動，使鏜桿在高速旋轉過程中保持動平衡。試驗結果表明，這種措施大大增強了鏜桿的抗振性。
圖3 小鏜桿的基本結構
2.刀具和切削參數的改進
（1）刀具的材料與角度
目前，精鏜銷孔的刀具大都由硬質合金刀具換成了金剛石刀具，鏜孔質量有了明顯的改善。由于人造金剛石硬度高，加工難度大，經過多次的設計試驗，我們選定了刀具的主要技術參數：刀尖圓孤R0.5～1，刀具前角為5°，刀具后角、副后角分別為12°和8°，刀具韌帶寬0.2mm，刀具前后刀面粗糙度Ra0.1mm。在30倍放大鏡下觀察，刀刃無缺口裂紋。使用按此幾何角度加工好的刀具鏜削銷孔，加工后測量銷孔圓度小于0.003mm，表面粗糙度小于Ra0.4mm。
相同條件下，采用PCD刀具加工銷孔時，刀具壽命可達到20 000件，是硬質合金刀具的50多倍。加工的表面粗糙度由原來的Ra0.4～Ra0.8mm降低到Ra0.2～Ra0.4mm。每班可以減少裝卸刀具、刃磨刀及調整刀具等輔助時間30min。由此可見，使用PCD刀具不僅質量有了明顯的提升，而且生產效率也大大提高。
（2）切削參數
為了保證銷孔的圓柱度、尺寸公差、粗糙度，鏜削銷孔時的工藝參數也很重要。經過多次試驗，我們總結出了適合自己設備的切削參數，精鏜銷孔必須是高速切削，主軸轉數在3 000r/min左右；走刀不能太快，進給量在0.05～0.07mm/r之間；精刀的切削深度控制在0.02～0.05mm之間，可干切削。按以上參數加工，基本能達到產品規定中對銷孔的各項要求。
鏡面滾壓 滾擠 壓光工藝
滾壓加工是無屑加工的一種,它利用經過淬硬和精細拋光的滾輪或滾珠,在常溫狀態下對金屬工件表面進行擠壓加工,逐步將前道工序留下的波峰壓平,從而修正工件表面的微觀幾何形兆,同時使工件表面的金屬組織細化。形成壓縮殘余應力,使工件表面粗糙度值降低(在Ra0.8-0.05范圍,對于難以磨削的材料,如銅、鋁以及粉末冶金等軟材料可達Ra0.4-0.05)、表面金屬的顯微硬度(提高10-40％,深度一般可達0.2-3mm)、疲勞強度顯著提高(提高5-30％)。
結束語
綜上所述，影響活塞銷孔精度及表面粗糙度的因素是綜合性的。在生產過程中，我們注意到存在著以上幾個方面的因素，并針對于此采取了相應的措施，從而保證了活塞銷孔在大批量的生產過程中，精鏜銷孔工序中鏜出、滾壓銷孔的圓柱度、尺寸公差、粗糙度等項目能達到客戶的要求。
