活塞裙部中凸變橢圓異型面車削加工

1 前言
    活塞是發(fā)動機的一個重要組成元件，質(zhì)量的好壞直接影響到發(fā)動機的性能。其外形對系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性、可靠性、壽命、排放及噪聲等指標(biāo)有很大的影響�？紤]到發(fā)動機運行時由燃氣壓力、汽缸壓力造成的活塞變形以及活塞本身的熱變形等影響因素，目前活塞裙部廣泛采用的是中凸變橢圓型面。這種型面具有如下特點：橫截面為橢圓或類橢圓，且其橢圓度沿活塞軸向變化(圖1a)；縱截面的型線為一條中部外凸的曲線(圖1b)。

(a)T(z)-活塞任一截面的橢圓度 (b)A(z)-活塞裙部的型線
圖1 中凸變橢圓活塞外形

    活塞設(shè)計成這樣的外形，可以將活塞工作時由熱膨脹等因素產(chǎn)生的變形沿活塞銷軸方向擴展，使得裙部橫截面變成近似圓形，從而在活塞工作時可以獲得更寬、更均勻的承載面，同時還使得活塞的裙部與汽缸壁更好地貼合，減小了配缸氣隙，有利于降低活塞裙部比壓，減小活塞對汽缸壁的沖擊，降低發(fā)動機運行時的噪聲。另外中凸的裙部與汽缸壁之間的楔形油隙又可以起改善潤滑的作用，并且可以提高活塞的對中性，這就大大地減小了零件的磨損，提高了活塞的工作性能和使用壽命。目前，中凸變橢圓型面已經(jīng)作為一種公認的活塞裙部優(yōu)良型面而被廣泛采用。
這種復(fù)雜型面的車削加工，現(xiàn)有的加工方式主要有硬靠模法和軟靠模法(數(shù)控加工法)兩種。
    硬靠模加工就是活塞與活塞形狀相同的母靠模同軸裝上機床主軸，然后利用仿形裝置制造出與母靠模相同形狀的活塞。這種加工的方式具有加工穩(wěn)定性好的特點，不便之處在于靠模制造困難、加工周期長、成本昂貴。同時，機械結(jié)構(gòu)動特性使得機床主軸轉(zhuǎn)速受到限制，對活塞生產(chǎn)效率的提高有較大的影響。
    軟靠模加工是根據(jù)活塞的型面進行編程，并以所編制的程序作為靠模，采用計算機控制刀具的高頻微位移進給機構(gòu)來進行活塞的加工。這種加工方式對活塞的改型有較大的柔性。目前，國內(nèi)依靠軟靠模加工的執(zhí)行機構(gòu)還普遍存在著線性和動特性較差、受突加負載的影響較大等問題，不能很好地保證加工精度。
    本文對表面成型采用分解設(shè)計的方法，將中凸變橢圓異型面的加工分解成幾組運動的合成。利用數(shù)控單元和機械機構(gòu)各自的優(yōu)點，采用軟、硬靠模相結(jié)合的方法，研究設(shè)計了一套新型的中凸變橢圓活塞裙部車削系統(tǒng)，實現(xiàn)活塞裙部的高精度、高效率加工。
2 中凸變橢圓活塞車削加工系統(tǒng)組成
    步進電機在機床行業(yè)應(yīng)用較為廣泛。近年來，由于步進電機采用了細化電路，其步距角越來越小，轉(zhuǎn)角精度也越來越高。另外矩頻特性、最高速度及最大轉(zhuǎn)矩性能也有所提高。基于步進電機具有精度高、慣性小以及有利于進行數(shù)字控制等特點，我們采用如圖2所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)活塞的中凸變橢圓型面加工。

1、12.光電編碼器 2.主軸 3.加工零件 4.刀具 5.大拖板 6.直角杠桿 7.小拖板 8、10、14、15.步進電機 9、13.步進電機驅(qū)動器 11.橢圓靠模
圖2 中凸變橢圓活塞車削加工系統(tǒng)

    整個系統(tǒng)是由主控CPU、步進電機、光電編碼器、靠模系統(tǒng)、杠桿系統(tǒng)等部分組成。它采用現(xiàn)有的NC機床作母體，以步進電機作為系統(tǒng)的主要驅(qū)動源，驅(qū)動橢圓靠模作高速轉(zhuǎn)動并通過杠桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)刀具的高頻往復(fù)進給。主控CPU則對光電編碼器等傳感器提供的反饋信號進行實時處理，不斷調(diào)整步進電機的轉(zhuǎn)動，同時還保持與CNC機床CPU的通信，保證整個加工系統(tǒng)的運動匹配，從而實現(xiàn)對中凸變橢圓活塞裙部的加工。為節(jié)約機床空間，特意將杠桿系統(tǒng)設(shè)計成直角形。
3 活塞裙部中凸變橢圓成型原理
    根據(jù)機床運動學(xué)原理，要形成活塞裙部的中凸變橢圓異型面，在車削加工時可以將活塞裙部的中凸變橢圓型面的加工分解成三組運動的合成，亦即：
1) 刀具的徑向進給運動 保持刀具的徑向往復(fù)直線運動頻率是活塞旋轉(zhuǎn)運動頻率的兩倍，以形成活塞的橢圓截面。
2) 刀具同杠桿系統(tǒng)間的軸向相對運動 當(dāng)?shù)毒哐剌S向進給時，按照活塞裙部橢圓度的變化曲線來控制刀具和杠桿的相對運動，改變刀具徑向往復(fù)運動行程的大小，以形成活塞裙部的變橢圓截面。
3) CNC機床控制的刀具附加徑向運動 CNC機床主要控制刀具在沿軸向進給時，給刀具一個附加的徑向運動，以實現(xiàn)活塞裙部的中凸型線。
    圖3為車削加工系統(tǒng)的基本原理，它將上述三組運動按照一定的運動關(guān)系匹配起來，使得系統(tǒng)中主軸的運動，靠模系統(tǒng)、杠桿系統(tǒng)的運動以及CNC機床控制的刀具運動之間保持對應(yīng)關(guān)系。即讓運動(1)實現(xiàn)活塞的橢圓截面，運動(2)實現(xiàn)活塞的變橢圓，運動(3)實現(xiàn)活塞的中凸型面。這樣，就可以加工出中凸變橢圓的活塞型面。

圖3 車削加工系統(tǒng)的基本原理

1) 活塞裙部變橢圓的實現(xiàn)機理
    變橢圓的加工是通過兩組加工運動的復(fù)合實現(xiàn)的，一是刀具作高頻往復(fù)直線運動，二是刀具與杠桿系統(tǒng)間的軸向相對運動。前者控制的是刀具的運動頻率，后者控制的是刀具的運動幅度。兩組運動的疊加，可以使得系統(tǒng)在加工過程中保持活塞裙部橢圓截面的短軸長度始終不變，其長軸長度則在活塞軸線方向上隨橢圓度曲線的變化而變化，以此實現(xiàn)變橢圓的加工。
    在實現(xiàn)過程中，由于活塞的橫截面是一個橢圓，當(dāng)采用車削加工方式時，刀具相對主軸的轉(zhuǎn)動作相應(yīng)的直線往復(fù)運動�；钊�每轉(zhuǎn)一圈，刀具必須往復(fù)進給兩次。亦即可以得出，刀具的進給頻率是主軸旋轉(zhuǎn)頻率的兩倍。主軸的轉(zhuǎn)速越高，刀具的往復(fù)運動頻率就越高，刀具的運動速度、加速度也就越大。同時，由于活塞裙部橢圓截面的長短軸長度之差一般在2mm以下，因此刀具的徑向運動的幅度很小。這樣，刀具的運動實際上是一個高頻微位移運動。
    為了實現(xiàn)刀具的高頻微位移進給，在考慮了硬靠模的優(yōu)點后，采用如圖4所示的原理，以步進電機作為驅(qū)動源，通過一杠桿結(jié)構(gòu)將橢圓靠模的高速旋轉(zhuǎn)化為刀具的高頻微位移進給。為避免在加工過程中出現(xiàn)刀具往復(fù)運動頻率和主軸旋轉(zhuǎn)頻率的不協(xié)調(diào)，使得所加工的活塞出現(xiàn)變形，系統(tǒng)在主軸和靠模上均安裝上光電編碼器，并以光電編碼器的輸出信號作為反饋信號，由主控CPU進行快速甄別，不斷改變步進電機驅(qū)動源的控制信號頻率以調(diào)整步進電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)橢圓靠模和主軸的位置同步，保證加工工件和橢圓靠模的相位的一致性。

圖4 變橢圓加工原理圖

    圓靠模和主軸的同步既是橢圓截面的實現(xiàn)的關(guān)鍵，同時也是實現(xiàn)變橢圓的前提。在圖4所示的變橢圓加工原理中，執(zhí)行機構(gòu)通過橢圓靠模將步進電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為杠桿的擺動，從而推動刀具作高頻微位移直線往復(fù)運動。圖中如果保持刀具與杠桿之間的相對位置不變，則加工出的活塞裙部應(yīng)為橢圓柱，即活塞各截面的橢圓形狀大小相等。為了能加工出變橢圓的活塞型面，可以通過主控PCU控制另一步進電機15的轉(zhuǎn)動，帶動滾珠絲桿(圖2)，使得杠桿相對刀具有一個軸向的運動。這樣就可以控制刀具與杠桿支點之間的距離L的大小，改變刀具的徑向運動行程。圖3中的光柵位移傳感器為系統(tǒng)提供了刀具位移的反饋信號，確保加工出的變橢圓符合給定的橢圓度變化曲線。在此還需要指出的是，在加工過程中，當(dāng)杠桿與橢圓靠模的觸點在橢圓長軸位置時，杠桿必須一直保持處于水平的狀態(tài)，其目的在于當(dāng)?shù)毒呦鄬Ω軛U運動時，可保證活塞的各加工截面其橢圓的短軸長度始終保持不變。隨刀具與杠桿的相對位置不斷變動的僅僅是橢圓長軸長度。因此采用這樣的結(jié)構(gòu)可以使得形成變橢圓的整個控制過程簡單化，便于實現(xiàn)橢圓度任意變化的活塞橫截面的加工。
    采用步進電機作驅(qū)動的橢圓靠模杠桿機構(gòu)來實現(xiàn)變橢圓的加工，充分利用了杠桿和硬靠模的優(yōu)點。整個系統(tǒng)不但可以獲得很大的剛度和足夠大的推力，同時在高頻振動時系統(tǒng)的動態(tài)特性和跟隨性較好，使得系統(tǒng)運動穩(wěn)定可靠。另外系統(tǒng)也綜合了有關(guān)軟靠模的優(yōu)點，可以方便地通過主控CPU控制步進電機的運動來改變刀具和杠桿間的距離(杠桿臂L)，從而可以加工得到不同橢圓度曲線的型面，靈活地實現(xiàn)各類不同型面活塞的加工。
2) 中凸型線的成型機理
    通常，活塞的中凸型線均采用列表數(shù)據(jù)設(shè)計，型線的徑向位置變化量僅僅是一系列的離散點。為確定活塞軸向各截面處的徑向位置變化量，必須要先對給定的有限點進行一定的擬合處理，生成一條活塞中凸型線的曲線。有關(guān)擬合處理的方法有很多，例如：三次樣條擬合法、等誤差直線逼近法、高斯擬合法、多項式擬合法等。通過擬合處理，就可以找出在任意裙長處刀具同工件的徑向相對位置。
    由于系統(tǒng)采用現(xiàn)有CNC機床作為母體，因此系統(tǒng)本身就具有直接加工中凸型線的能力�？梢愿鶕�(jù)擬合得到的曲線，在計算機中按照NC的指令規(guī)則對型線進行自動編程，生成加工中凸型線的NC程序。然后通過與CNC機床CPU的通信，將所編制的程序傳輸?shù)紺NC的程序存儲單元，實現(xiàn)活塞裙部中凸型線的加工。在NC的加工過程中，應(yīng)保持與加工變橢圓截面的對應(yīng)關(guān)系，使中凸型線準確地疊加在活塞的各橫截面上，完成活塞裙部中凸變橢圓的加工。
4 結(jié)論
    本文提出的方法，結(jié)合了國內(nèi)外的活塞加工現(xiàn)狀，采用了軟靠模和硬靠模技術(shù)相結(jié)合的新加工方法，設(shè)計了實現(xiàn)活塞裙部中凸變橢圓異型面的車削加工系統(tǒng)。系統(tǒng)具有如下特性：
1) 充分利用了軟靠模的優(yōu)點，對于不同活塞形狀尺寸的工件，不管是調(diào)整活塞型面的中凸型線，還是調(diào)整活塞的橢圓度曲線，只要調(diào)整主控CPU中的控制程序即可實現(xiàn)對活塞的改型，因而系統(tǒng)具有較大的柔性。
2) 加工系統(tǒng)具有硬靠模的結(jié)構(gòu)簡單、輸出力大、加工穩(wěn)定性好等特性。
3) 可以通過軟件的改進對系統(tǒng)中的運動誤差進行補償，提高加工精度