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活塞裙部中凸变椭圆异型面车削加工 |
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作者：上海交通大学 李峻 翁世修 胡德金 |
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1 前言
活塞是发动机的一个重要组成元件，质量的好坏直接影响到发动机的性能。其外形对系统的燃油经济性、可靠性、寿命、排放及噪声等指标有很大的影响。考虑到发动机运行时由燃气压力、汽缸压力造成的活塞变形以及活塞本身的热变形等影响因素，目前活塞裙部广泛采用的是中凸变椭圆型面。这种型面具有如下特点：横截面为椭圆或类椭圆，且其椭圆度沿活塞轴向变化(图1a)；纵截面的型线为一条中部外凸的曲线(图1b)。  
(a)T(z)-活塞任一截面的椭圆度 (b)A(z)-活塞裙部的型线
图1 中凸变椭圆活塞外形
活塞设计成这样的外形，可以将活塞工作时由热膨胀等因素产生的变形沿活塞销轴方向扩展，使得裙部横截面变成近似圆形，从而在活塞工作时可以获得更宽、更均匀的承载面，同时还使得活塞的裙部与汽缸壁更好地贴合，减小了配缸气隙，有利于降低活塞裙部比压，减小活塞对汽缸壁的冲击，降低发动机运行时的噪声。另外中凸的裙部与汽缸壁之间的楔形油隙又可以起改善润滑的作用，并且可以提高活塞的对中性，这就大大地减小了零件的磨损，提高了活塞的工作性能和使用寿命。目前，中凸变椭圆型面已经作为一种公认的活塞裙部优良型面而被广泛采用。
这种复杂型面的车削加工，现有的加工方式主要有硬靠模法和软靠模法(数控加工法)两种。
硬靠模加工就是活塞与活塞形状相同的母靠模同轴装上机床主轴，然后利用仿形装置制造出与母靠模相同形状的活塞。这种加工的方式具有加工稳定性好的特点，不便之处在于靠模制造困难、加工周期长、成本昂贵。同时，机械结构动特性使得机床主轴转速受到限制，对活塞生产效率的提高有较大的影响。
软靠模加工是根据活塞的型面进行编程，并以所编制的程序作为靠模，采用计算机控制刀具的高频微位移进给机构来进行活塞的加工。这种加工方式对活塞的改型有较大的柔性。目前，国内依靠软靠模加工的执行机构还普遍存在着线性和动特性较差、受突加负载的影响较大等问题，不能很好地保证加工精度。
本文对表面成型采用分解设计的方法，将中凸变椭圆异型面的加工分解成几组运动的合成。利用数控单元和机械机构各自的优点，采用软、硬靠模相结合的方法，研究设计了一套新型的中凸变椭圆活塞裙部车削系统，实现活塞裙部的高精度、高效率加工。
2 中凸变椭圆活塞车削加工系统组成
步进电机在机床行业应用较为广泛。近年来，由于步进电机采用了细化电路，其步距角越来越小，转角精度也越来越高。另外矩频特性、最高速度及最大转矩性能也有所提高。基于步进电机具有精度高、惯性小以及有利于进行数字控制等特点，我们采用如图2所示的系统结构，来实现活塞的中凸变椭圆型面加工。
1、12.光电编码器 2.主轴 3.加工零件 4.刀具 5.大拖板 6.直角杠杆 7.小拖板 8、10、14、15.步进电机 9、13.步进电机驱动器 11.椭圆靠模
图2 中凸变椭圆活塞车削加工系统
整个系统是由主控CPU、步进电机、光电编码器、靠模系统、杠杆系统等部分组成。它采用现有的NC机床作母体，以步进电机作为系统的主要驱动源，驱动椭圆靠模作高速转动并通过杠杆结构实现刀具的高频往复进给。主控CPU则对光电编码器等传感器提供的反馈信号进行实时处理，不断调整步进电机的转动，同时还保持与CNC机床CPU的通信，保证整个加工系统的运动匹配，从而实现对中凸变椭圆活塞裙部的加工。为节约机床空间，特意将杠杆系统设计成直角形。
3 活塞裙部中凸变椭圆成型原理
根据机床运动学原理，要形成活塞裙部的中凸变椭圆异型面，在车削加工时可以将活塞裙部的中凸变椭圆型面的加工分解成三组运动的合成，亦即：
1) 刀具的径向进给运动 保持刀具的径向往复直线运动频率是活塞旋转运动频率的两倍，以形成活塞的椭圆截面。
2) 刀具同杠杆系统间的轴向相对运动 当刀具沿轴向进给时，按照活塞裙部椭圆度的变化曲线来控制刀具和杠杆的相对运动，改变刀具径向往复运动行程的大小，以形成活塞裙部的变椭圆截面。
3) CNC机床控制的刀具附加径向运动 CNC机床主要控制刀具在沿轴向进给时，给刀具一个附加的径向运动，以实现活塞裙部的中凸型线。
图3为车削加工系统的基本原理，它将上述三组运动按照一定的运动关系匹配起来，使得系统中主轴的运动，靠模系统、杠杆系统的运动以及CNC机床控制的刀具运动之间保持对应关系。即让运动(1)实现活塞的椭圆截面，运动(2)实现活塞的变椭圆，运动(3)实现活塞的中凸型面。这样，就可以加工出中凸变椭圆的活塞型面。
图3 车削加工系统的基本原理
1) 活塞裙部变椭圆的实现机理
变椭圆的加工是通过两组加工运动的复合实现的，一是刀具作高频往复直线运动，二是刀具与杠杆系统间的轴向相对运动。前者控制的是刀具的运动频率，后者控制的是刀具的运动幅度。两组运动的叠加，可以使得系统在加工过程中保持活塞裙部椭圆截面的短轴长度始终不变，其长轴长度则在活塞轴线方向上随椭圆度曲线的变化而变化，以此实现变椭圆的加工。
在实现过程中，由于活塞的横截面是一个椭圆，当采用车削加工方式时，刀具相对主轴的转动作相应的直线往复运动。活塞每转一圈，刀具必须往复进给两次。亦即可以得出，刀具的进给频率是主轴旋转频率的两倍。主轴的转速越高，刀具的往复运动频率就越高，刀具的运动速度、加速度也就越大。同时，由于活塞裙部椭圆截面的长短轴长度之差一般在2mm以下，因此刀具的径向运动的幅度很小。这样，刀具的运动实际上是一个高频微位移运动。
为了实现刀具的高频微位移进给，在考虑了硬靠模的优点后，采用如图4所示的原理，以步进电机作为驱动源，通过一杠杆结构将椭圆靠模的高速旋转化为刀具的高频微位移进给。为避免在加工过程中出现刀具往复运动频率和主轴旋转频率的不协调，使得所加工的活塞出现变形，系统在主轴和靠模上均安装上光电编码器，并以光电编码器的输出信号作为反馈信号，由主控CPU进行快速甄别，不断改变步进电机驱动源的控制信号频率以调整步进电机的转速，实现椭圆靠模和主轴的位置同步，保证加工工件和椭圆靠模的相位的一致性。
图4 变椭圆加工原理图
圆靠模和主轴的同步既是椭圆截面的实现的关键，同时也是实现变椭圆的前提。在图4所示的变椭圆加工原理中，执行机构通过椭圆靠模将步进电机的转动转化为杠杆的摆动，从而推动刀具作高频微位移直线往复运动。图中如果保持刀具与杠杆之间的相对位置不变，则加工出的活塞裙部应为椭圆柱，即活塞各截面的椭圆形状大小相等。为了能加工出变椭圆的活塞型面，可以通过主控PCU控制另一步进电机15的转动，带动滚珠丝杆(图2)，使得杠杆相对刀具有一个轴向的运动。这样就可以控制刀具与杠杆支点之间的距离L的大小，改变刀具的径向运动行程。图3中的光栅位移传感器为系统提供了刀具位移的反馈信号，确保加工出的变椭圆符合给定的椭圆度变化曲线。在此还需要指出的是，在加工过程中，当杠杆与椭圆靠模的触点在椭圆长轴位置时，杠杆必须一直保持处于水平的状态，其目的在于当刀具相对杠杆运动时，可保证活塞的各加工截面其椭圆的短轴长度始终保持不变。随刀具与杠杆的相对位置不断变动的仅仅是椭圆长轴长度。因此采用这样的结构可以使得形成变椭圆的整个控制过程简单化，便于实现椭圆度任意变化的活塞横截面的加工。
采用步进电机作驱动的椭圆靠模杠杆机构来实现变椭圆的加工，充分利用了杠杆和硬靠模的优点。整个系统不但可以获得很大的刚度和足够大的推力，同时在高频振动时系统的动态特性和跟随性较好，使得系统运动稳定可靠。另外系统也综合了有关软靠模的优点，可以方便地通过主控CPU控制步进电机的运动来改变刀具和杠杆间的距离(杠杆臂L)，从而可以加工得到不同椭圆度曲线的型面，灵活地实现各类不同型面活塞的加工。
2) 中凸型线的成型机理
通常，活塞的中凸型线均采用列表数据设计，型线的径向位置变化量仅仅是一系列的离散点。为确定活塞轴向各截面处的径向位置变化量，必须要先对给定的有限点进行一定的拟合处理，生成一条活塞中凸型线的曲线。有关拟合处理的方法有很多，例如：三次样条拟合法、等误差直线逼近法、高斯拟合法、多项式拟合法等。通过拟合处理，就可以找出在任意裙长处刀具同工件的径向相对位置。
由于系统采用现有CNC机床作为母体，因此系统本身就具有直接加工中凸型线的能力。可以根据拟合得到的曲线，在计算机中按照NC的指令规则对型线进行自动编程，生成加工中凸型线的NC程序。然后通过与CNC机床CPU的通信，将所编制的程序传输到CNC的程序存储单元，实现活塞裙部中凸型线的加工。在NC的加工过程中，应保持与加工变椭圆截面的对应关系，使中凸型线准确地叠加在活塞的各横截面上，完成活塞裙部中凸变椭圆的加工。
4 结论
本文提出的方法，结合了国内外的活塞加工现状，采用了软靠模和硬靠模技术相结合的新加工方法，设计了实现活塞裙部中凸变椭圆异型面的车削加工系统。系统具有如下特性：
1) 充分利用了软靠模的优点，对于不同活塞形状尺寸的工件，不管是调整活塞型面的中凸型线，还是调整活塞的椭圆度曲线，只要调整主控CPU中的控制程序即可实现对活塞的改型，因而系统具有较大的柔性。
2) 加工系统具有硬靠模的结构简单、输出力大、加工稳定性好等特性。
3) 可以通过软件的改进对系统中的运动误差进行补偿，提高加工精度。(end)
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(2/4/2007) |
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