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(dòng)機(jī)的一個(gè)重要組成元件，質(zhì)量的好壞直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。其外形對(duì)系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)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(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)由燃?xì)鈮毫Α⑵�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(diǎn)：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(jì)成這樣的外形，可以將活塞工作時(shí)由熱膨脹等因素產(chǎn)生的變形沿活塞銷軸方向擴(kuò)展，使得裙部橫截面變成近似圓形，從而在活塞工作時(shí)可以獲得更寬、更均勻的承載面，同時(shí)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(duì)汽缸壁的沖擊，降低發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)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(rùn)滑的作用，并且可以提高活塞的對(duì)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(rèn)的活塞裙部?jī)?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(jī)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(diǎn)，不便之處在于靠模制造困難、加工周期長(zhǎng)、成本昂貴。同時(shí)，機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)特性使得機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速受到限制，對(duì)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(jìn)行編程，并以所編制的程序作為靠模，采用計(jì)算機(jī)控制刀具的高頻微位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行活塞的加工。這種加工方式對(duì)活塞的改型有較大的柔性。目前，國(guó)內(nèi)依靠軟靠模加工的執(zhí)行機(jī)構(gòu)還普遍存在著線性和動(dòng)特性較差、受突加負(fù)載的影響較大等問(wèn)題，不能很好地保證加工精度。
    本文對(duì)表面成型采用分解設(shè)計(jì)的方法，將中凸變橢圓異型面的加工分解成幾組運(yùn)動(dòng)的合成。利用數(shù)控單元和機(jī)械機(jī)構(gòu)各自的優(yōu)點(diǎn)，采用軟、硬靠模相結(jié)合的方法，研究設(shè)計(jì)了一套新型的中凸變橢圓活塞裙部車削系統(tǒng)，實(shí)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(jìn)電機(jī)在機(jī)床行業(yè)應(yīng)用較為廣泛。近年來(lái)，由于步進(jìn)電機(jī)采用了細(xì)化電路，其步距角越來(lái)越小，轉(zhuǎn)角精度也越來(lái)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�；�于步進(jìn)電機(jī)具有精度高、慣性小以及有利于進(jìn)行數(shù)字控制等特點(diǎn)，我們采用如圖2所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)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(jìn)電機(jī) 9、13.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 11.橢圓靠模
圖2 中凸變橢圓活塞車削加工系統(tǒng)

    整個(gè)系統(tǒng)是由主控CPU、步進(jìn)電機(jī)、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(jī)床作母體，以步進(jìn)電機(jī)作為系統(tǒng)的主要驅(qū)動(dòng)源，驅(qū)動(dòng)橢圓靠模作高速轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)杠桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)刀具的高頻往復(fù)進(jìn)給。主控CPU則對(duì)光電編碼器等傳感器提供的反饋信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，不斷調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)還保持與CNC機(jī)床CPU的通信，保證整個(gè)加工系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)匹配，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)中凸變橢圓活塞裙部的加工。為節(jié)約機(jī)床空間，特意將杠桿系統(tǒng)設(shè)計(jì)成直角形。
3 活塞裙部中凸變橢圓成型原理
    根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)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(shí)可以將活塞裙部的中凸變橢圓型面的加工分解成三組運(yùn)動(dòng)的合成，亦即：
1) 刀具的徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 保持刀具的徑向往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)頻率是活塞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng) 當(dāng)?shù)毒哐剌S向進(jìn)給時(shí)，按照活塞裙部橢圓度的變化曲線來(lái)控制刀具和杠桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，改變刀具徑向往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程的大小，以形成活塞裙部的變橢圓截面。
3) CNC機(jī)床控制的刀具附加徑向運(yùn)動(dòng) CNC機(jī)床主要控制刀具在沿軸向進(jìn)給時(shí)，給刀具一個(gè)附加的徑向運(yùn)動(dòng)，以實(shí)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(yùn)動(dòng)按照一定的運(yùn)動(dòng)關(guān)系匹配起來(lái)，使得系統(tǒng)中主軸的運(yùn)動(dòng)，靠模系統(tǒng)、杠桿系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)以及CNC機(jī)床控制的刀具運(yùn)動(dòng)之間保持對(duì)應(yīng)關(guān)系。即讓運(yùn)動(dòng)(1)實(shí)現(xiàn)活塞的橢圓截面，運(yùn)動(dòng)(2)實(shí)現(xiàn)活塞的變橢圓，運(yùn)動(dòng)(3)實(shí)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(shí)現(xiàn)機(jī)理
    變橢圓的加工是通過(guò)兩組加工運(yùn)動(dòng)的復(fù)合實(shí)現(xiàn)的，一是刀具作高頻往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，二是刀具與杠桿系統(tǒng)間的軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)。前者控制的是刀具的運(yùn)動(dòng)頻率，后者控制的是刀具的運(yùn)動(dòng)幅度。兩組運(yùn)動(dòng)的疊加，可以使得系統(tǒng)在加工過(guò)程中保持活塞裙部橢圓截面的短軸長(zhǎng)度始終不變，其長(zhǎng)軸長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)變橢圓的加工。
    在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，由于活塞的橫截面是一個(gè)橢圓，當(dāng)采用車削加工方式時(shí)，刀具相對(duì)主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)作相應(yīng)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)�；钊�每轉(zhuǎn)一圈，刀具必須往復(fù)進(jìn)給兩次。亦即可以得出，刀具的進(jìn)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(yùn)動(dòng)頻率就越高，刀具的運(yùn)動(dòng)速度、加速度也就越大。同時(shí)，由于活塞裙部橢圓截面的長(zhǎng)短軸長(zhǎng)度之差一般在2mm以下，因此刀具的徑向運(yùn)動(dòng)的幅度很小。這樣，刀具的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是一個(gè)高頻微位移運(yùn)動(dòng)。
    為了實(shí)現(xiàn)刀具的高頻微位移進(jìn)給，在考慮了硬靠模的優(yōu)點(diǎn)后，采用如圖4所示的原理，以步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，通過(guò)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(jìn)給。為避免在加工過(guò)程中出現(xiàn)刀具往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(hào)作為反饋信號(hào)，由主控CPU進(jìn)行快速甄別，不斷改變步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)源的控制信號(hào)頻率以調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)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(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，同時(shí)也是實(shí)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(jī)構(gòu)通過(guò)橢圓靠模將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為杠桿的擺動(dòng)，從而推動(dòng)刀具作高頻微位移直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。圖中如果保持刀具與杠桿之間的相對(duì)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(guò)主控PCU控制另一步進(jìn)電機(jī)15的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)滾珠絲桿(圖2)，使得杠桿相對(duì)刀具有一個(gè)軸向的運(yùn)動(dòng)。這樣就可以控制刀具與杠桿支點(diǎn)之間的距離L的大小，改變刀具的徑向運(yùn)動(dòng)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(hào)，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(guò)程中，當(dāng)杠桿與橢圓靠模的觸點(diǎn)在橢圓長(zhǎng)軸位置時(shí)，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?duì)杠桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，可保證活塞的各加工截面其橢圓的短軸長(zhǎng)度始終保持不變。隨刀具與杠桿的相對(duì)位置不斷變動(dòng)的僅僅是橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)度。因此采用這樣的結(jié)構(gòu)可以使得形成變橢圓的整個(gè)控制過(guò)程簡(jiǎn)單化，便于實(shí)現(xiàn)橢圓度任意變化的活塞橫截面的加工。
    采用步進(jìn)電機(jī)作驅(qū)動(dòng)的橢圓靠模杠桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)變橢圓的加工，充分利用了杠桿和硬靠模的優(yōu)點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)不但可以獲得很大的剛度和足夠大的推力，同時(shí)在高頻振動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和跟隨性較好，使得系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定可靠。另外系統(tǒng)也綜合了有關(guān)軟靠模的優(yōu)點(diǎn)，可以方便地通過(guò)主控CPU控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)來(lái)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(shí)現(xiàn)各類不同型面活塞的加工。
2) 中凸型線的成型機(jī)理
    通常，活塞的中凸型線均采用列表數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，型線的徑向位置變化量?jī)H僅是一系列的離散點(diǎn)。為確定活塞軸向各截面處的徑向位置變化量，必須要先對(duì)給定的有限點(diǎn)進(jìn)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(xiàng)式擬合法等。通過(guò)擬合處理，就可以找出在任意裙長(zhǎng)處刀具同工件的徑向相對(duì)位置。
    由于系統(tǒng)采用現(xiàn)有CNC機(jī)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(jì)算機(jī)中按照NC的指令規(guī)則對(duì)型線進(jìn)行自動(dòng)編程，生成加工中凸型線的NC程序。然后通過(guò)與CNC機(jī)床CPU的通信，將所編制的程序傳輸?shù)紺NC的程序存儲(chǔ)單元，實(shí)現(xiàn)活塞裙部中凸型線的加工。在NC的加工過(guò)程中，應(yīng)保持與加工變橢圓截面的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使中凸型線準(zhǔn)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(guó)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(jì)了實(shí)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(diǎn)，對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(jiǎn)單、輸出力大、加工穩(wěn)定性好等特性。
3) 可以通過(guò)軟件的改進(jìn)對(duì)系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，提高加工精度