气缸活塞环槽切削机理分析
摘要：以CMK2气缸活塞环槽加工为例，介绍了气缸活塞的作用，分析了活塞的材料特性、加工过程以及割槽刀对活塞环槽的加工质量的影响，并为活塞环槽的工艺改善提出了一些有效的方法。
关键词：气缸；活塞环槽；割槽刀；剪切
引言
CMK2气缸活塞是气缸中的受压力零件，结构如图1所示。为防止活塞左右两腔相互窜气，设有活塞密封圈，安装于活塞环槽中。为了减少活塞密封圈的径向磨耗，活塞台阶上的安装耐磨环，
既可可减少摩擦阻力，又提高气缸的导向性。但活塞环槽与活塞密封圈的密封性能取决于活塞环槽的加工质量和必要的滑动部分长度来决定。通常，为提高活塞的加工精度，只有选择良好的工艺来保
证。事实上，为了进一步改善活塞环的加工精度， 图1 活 塞
研究活塞环槽的加工有着十分重要的意义。
1.材料特性
CMK2气缸活采用2A12铝合金棒材加工，该牌号铝合金属于Al- Cu -Mg系列的铝合金,以铜原属含量最高，大概在3.8～4.8%左右。强度高，有好的抗疲劳强度和一定的耐热性，可用作150°C以下的工作零件。热状态、退火和新淬火状态下成形性能都比较好，热处理强化效果显著，但热处理工艺要求严格和抗蚀性较差，综合性能较好。
同时，按照2A12铝合金材料力学性能分析（抗拉强度σb：≥370 Mpa；屈服强度 σ0.2：≥215 Mpa；延伸率δ：≥12% ）[1] ，属于塑性材料。在对其切削的刀具必须具备高硬度、耐磨性、强度、韧性、抗氧化性及抗粘结性。此外，由于在2A11铝合金存在一定的硅含量（Si≤0.7），考虑到硅对高硬度刀具（硬质合金）有一定腐蚀作用[2] 。因此必须选择刀具材料的粒径为8μm～9μm刀具进行加工，需要注意的是不能采用氧化铝基陶瓷刀具加工2A12牌号的铝合金材料 ，因为铝与氧化铝基陶瓷的化学亲和力易产生粘结现象，会影响刀具的耐用度，降低刀具使用寿命[3] 。
2.加工过程
金属加工的过程是指是被切削金属在刀具切削刃和前刀面的挤压作用下，产生剪切滑移变形的过程。由材料挤压实验的结果可知，试件在外力作用下，内部要产生剪切应力应变，试件要经过弹性变形、塑性变形与断裂三个阶段[4] 。根据这个推论，我们将
活塞环槽割槽刀切削刃附近的切削层分为三个
变形区域，如图2所示。
剪切滑移区[Ⅰ]：在这第一个变形区域内，
由许多剪切应力面构成的剪切滑移区， 图2 三个变形区的划分
但不同面 上的剪切力值不一，被切削铝在割槽刀的车削下将沿这些面产生剪切滑移。在车削过程中，车削层中铝材某质点逐渐向切削刃逼近，应力应变也随之增大，当剪切应力达到了2A11铝合金的屈服强度215Mpa或超越时，内部金属晶粒中的原子沿着滑移面发生剪切滑移，使圆形晶粒被搓剪成椭圆形并按一定方向呈纤维状分布，其纤维方向与剪切方向基本一致。
刀具与前刀面接触区[Ⅱ]：当车削层的铝经过剪切滑移后形成铝屑并沿前刀面流出时，靠近前刀面处的铝屑受到前刀面的挤压而产生剧烈摩擦，再次产生剪切变形。同时，铝屑底层很薄的一层金属晶粒被拉长呈纤维状，并与前刀面平行而成纤维层。此外，由于2A11铝合金的延伸率为δ (%)：≥12，属于塑性材料，在切削过程中，如果切削条件选择不当，由于铝的剪切产生的剧烈塑性变形，使得切削底层中的一部分铝被粘结或冷焊在割槽刀前刀面上，形成高于2A11铝合金硬度2～3倍的楔块，即积屑瘤[5] 。它能代替割槽刀的切削刃进行切削零件表面，影响了活塞环槽的尺寸精度和表面粗糙度。为了控制车削过程中这一现象的产生，通过大量的生产实践证明，将切削速度提升到200m/min,可以避免切屑瘤的产生。而且切削速度的提升也有助于工件表面温度升高，切屑底层金属软化，降低铝合金的剪切强度，也不易产生积屑瘤。但是工件的温度不得高于400℃，否则会产生逆反效果。
刀具与后刀面接触区[Ⅲ]：除了割槽刀前刀面与工件被加工表面的剪切变形，工件的过渡表面和已加工表面也受到割槽刀切削刃钝圆部分和后刀面的挤压、摩擦而产生塑性变形，造成活塞环槽表层材料的纤维化和加工硬化，并产生一定的残余应力。一旦刀具退出切削，残余应力在一定的时间里释放出来，形成凹凸不平的活塞环槽表面，也会影响其使用性能。
因此，在以上三个区域的滑移面都汇集在割槽刀的切削刃处，该处的应力集中而且复杂，它们之间是互相联系又互相影响的。
3.割槽刀具
3.1刀具磨损
加工活塞环槽时，铝合金塑性较大，切削速度较高( 一般大于200m/ min)，会在刀具的前刀面后刀面产生不同程度的磨损。首先，
在高速切削情况下，切屑的流出速度快，加剧了切屑与切槽刀前刀面的摩擦，使得前刀面会出现像月牙洼一样的凹坑。。随着切削时间的增加，月牙洼的扩展，刀刃的强度渐渐削弱，极易引起切削刃的破坏。
其次，在上述的切削条件下，活塞环槽的已加工表面与切槽刀
刀的后刀面间也存在着强烈的摩擦，后刀面临近切削刃处，因其散热
条件和强度较差被磨出沟痕，如图3所示。其靠近刀尖部分(C区)的磨损最大，同时由于加工硬化的影响，在靠近工件外表面处(N区)切削刃极 图3 后刀面磨损形状
其后刀面也产生较大的磨损。通常以磨损带中间的磨损均匀的地方评价切槽刀具的耐磨度[6] 。
因此，过度地提高切削速度，会加剧刀具的磨
损，导致刀具耐度降低。通过实践证明，刀具的切削速度V 对刀具耐用度T的影响成驼峰曲线， 图4 切削速度对刀 如图4所示。当在A点时，切削速度为V , 具耐用度的影响
刀具的耐用度也最大。由图4可知，当切削速度小于VA的范围时,切削速度增大，切削温度也随之升高，使得铝和割槽刀具的硬度都有所降低，但铝的硬度降低要比刀具材料更为明显。
如果切削速度在V 左边范围内，随着刀具的磨损会随着切削温度会升高而降低，且刀具的冲击韧性略有提高，提高刀具切削性能；但当切削速度在V 右边范围内持续增大时，由于铝是塑性材料，会随着切削温度的升高，加剧刀具与铝的粘结、刀具本身的氧化以及刀具表面材料组织的相变等方面到的磨损，导致刀具耐用度下降。
3.2刀具刃口对内槽面的挤压
依据牛顿的力学原理两个物体之间的作用力和反作用力，在同一条直线上，大小相等，方向相反的原则可以判断：在刀具刃口倒钝的圆弧上，既有
刀具与后刀面的摩擦力，又有刀具与前刀面的摩擦力，它们的方向都朝着背离刃口的方向，且它们之间在刃口倒钝的圆弧面上存在着一个分界点。如果我们取一微单元分析可知，摩擦力的方向为刃口倒钝的圆弧的切线方向。按照材料力学剪切原理，最大剪应力方向与主应力方向的夹角为45° 图5 割槽刀刃口挤压分析
的原则，可以判断在刃口钝圆上切线方向与切削方向成45°的那
一点是刀具与前、后刀面的摩擦力的分界点，如图5所示。于是便可计算出最大挤压余量Δacm为：
Δacm = rn (1 - cos45°)≈0. 3 rn（rn为刀具圆弧半径）
因此，选择数控刀片或者设计活塞环槽刀具时可以此分析公式，选择合适的活塞环槽刀具刃口的倒钝圆弧，以确定最大挤压余量，控制刀具的耐磨损程度。
如上所述，在活塞环槽加工过程中，由于刀具倒钝圆弧刃口对工件存在一定的挤压。如果挤压量不大时，刀具后刀面上微观凸峰会对工件表面上的微观凸峰进行切削，甚至划擦。否则，刀具后刀面表面凸峰只对工件已加工表面凸峰进行耕犁，迫使被耕犁的凸峰向周边波谷流动，从而降低已加工表面微观凸峰高度。造成已加工表面晶粒大量破碎并且开始出现细小的鳞刺，肉眼看上去亮度较差，出现苍白的已加工表面[7] 。随着切削时间的延长，在刀具的后刀面上就会出现铝粘刀现象，产生粘刀磨损，影响活塞环槽的表面加工质量。
结束语
综上所述，在CMK2活塞环槽加工过程中，我们应根据2A12铝合金材料自身特性，研究分析活塞环槽切削加工机理，不断去改善加工工艺，才能进一步提高CMK2活塞环槽的加工质量，满足气缸所要达到的性能要求。
【参考文献】
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