數(shù)控車(chē)床在加工活塞環(huán)錐形表面中應(yīng)用

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摘要：普通機(jī)床加工活塞環(huán)表面，常以傳統(tǒng)的進(jìn)給方式或仿形方式進(jìn)行加工。這些方法容易出現(xiàn)表面漏光、精度差等缺陷。從活塞環(huán)形狀出發(fā)，為了車(chē)削出符合設(shè)計(jì)要求的活塞環(huán)錐形表面，文章主要?dú)w納了數(shù)控車(chē)床加工活塞環(huán)錐形表面的新方式來(lái)提高質(zhì)量，分析了活塞環(huán)先進(jìn)加工設(shè)備對(duì)外圓加工產(chǎn)生的影響。以加工試驗(yàn)為主，CAE檢測(cè)試驗(yàn)分析為輔，解決活塞環(huán)表面缺陷的質(zhì)量問(wèn)題，最終提出相應(yīng)的預(yù)防措施與解決方法。

關(guān)鍵詞：加工精度，錐形表面，數(shù)控加工，仿真試驗(yàn)

1數(shù)控車(chē)床的相關(guān)現(xiàn)狀

數(shù)控機(jī)床是在數(shù)字控制下，以零件精度和表面粗糙度為主要依據(jù)，加工出所需形狀的有色金屬零件的機(jī)床總稱(chēng)。目前，高速、高精度的數(shù)控國(guó)際機(jī)床已成為主流，半導(dǎo)體電子控制技術(shù)已成為高速、高精度的發(fā)展趨勢(shì)，高精密數(shù)控機(jī)床在能源領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。與傳統(tǒng)激光干涉儀相比，最新的機(jī)床檢測(cè)與補(bǔ)償技術(shù)能在短時(shí)間內(nèi)完成偏置測(cè)量，機(jī)床的誤差補(bǔ)償可增加產(chǎn)品進(jìn)度，效率大大提高，許多工具和夾具的設(shè)計(jì)為整體的加工提供了所有的輔助過(guò)程。數(shù)控車(chē)床是對(duì)工藝進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)走刀過(guò)程的智能制造機(jī)床，它的功能有實(shí)現(xiàn)精確的點(diǎn)定位、直線插補(bǔ)補(bǔ)償、邊界控制、輪廓走刀等功能，以上功能都能被X軸伺服電機(jī)、Z軸伺服電機(jī)控制達(dá)到進(jìn)行制造加工的效果。而且數(shù)控車(chē)床進(jìn)給方式主要采用直流或交流半封閉環(huán)伺服系統(tǒng)，具備智能制造細(xì)微加工、特殊形狀加工等特點(diǎn)。大多數(shù)情況下采用系統(tǒng)面板視頻輸出，系統(tǒng)面板不僅能仿真加工路徑，而且還能自動(dòng)診斷程序是否有誤、加工分析等功能。數(shù)控臥式車(chē)床是一種用于加工主軸水平位置的數(shù)控驅(qū)動(dòng)機(jī)床，傾斜機(jī)床主軸一定角度可以實(shí)現(xiàn)間隙補(bǔ)償、脈沖單量穩(wěn)定、波紋減小等加工現(xiàn)象。本課題研究的是應(yīng)用該臥式數(shù)控車(chē)床加工活塞環(huán)錐面。

2活塞環(huán)作用及錐面的重要性

活塞環(huán)是內(nèi)燃機(jī)的關(guān)鍵部件，鑲嵌在活塞環(huán)槽中，是燃料發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵元件之一。為了保證氣缸內(nèi)的密封效果防止外界混合的氣體進(jìn)入，產(chǎn)生燒機(jī)油現(xiàn)象，防止?jié)櫥瓦^(guò)熱引起灼燒缸壁產(chǎn)生機(jī)件損壞等故障，故在活塞上分別安裝以密封性為主要功能的第一道氣環(huán)，保證密封效果；第二道還是安裝氣環(huán)，最后安裝控油為主的第三道組合油環(huán)，見(jiàn)圖1。這樣可以通過(guò)大氣壓強(qiáng)的原理使活塞環(huán)壓縮空氣做功，讓其上下移動(dòng)，刮除與氣缸壁相連的油，保持正常的油耗，滑動(dòng)面由活塞環(huán)支撐，防止活塞與氣缸直接接觸。氣環(huán)的錐面加工是本課題研究的外圓呈形形狀，錐面角度一般為87mR～262mR（05°～2°），錐面環(huán)是活塞環(huán)外側(cè)的一個(gè)小錐角，汽缸壁與活塞連接靠活塞環(huán)，為了減小接觸面，提高表面接觸壓力，活塞環(huán)需要有一定的錐角，這有利于活塞運(yùn)行更加流暢和降低油量防止灼燒。同時(shí)，活塞上升時(shí)，由于傾斜角度的“油楔”效應(yīng)，它可以浮在油膜上，而不會(huì)造成熔裂。所以必須正確選擇錐面環(huán)的錐角，安裝時(shí)不得翻轉(zhuǎn)錐角。錐面環(huán)通常用于中間環(huán)，用于清洗缸內(nèi)積碳量大、顆粒過(guò)大的物質(zhì)，可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的密封效果，防止燃?xì)庑孤?，?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性有著重大影響?；钊h(huán)的外表面是有錐度的，這與徑向分布的氣壓密不可分，活塞環(huán)的外形設(shè)計(jì)，根據(jù)情況選擇半徑曲線氣壓分布公式，根據(jù)數(shù)學(xué)和力學(xué)知識(shí)計(jì)算出錐角加工出所需的錐面，這種錐形活塞環(huán)的表面粗糙度Ra要求非常光滑［1］。目前，一些制造類(lèi)強(qiáng)國(guó)，如德國(guó)、美國(guó)、日本等，已經(jīng)引進(jìn)了車(chē)削活塞環(huán)的新技術(shù)。與以往的生產(chǎn)技術(shù)相比，提高生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品的制造精度。

3活塞環(huán)錐面的加工存在的問(wèn)題、弊端

31直線插補(bǔ)加工方式

在NC加工中，最小運(yùn)動(dòng)單位等效于脈沖，不是走直線。通常，數(shù)控車(chē)床用于切削活塞環(huán)外錐面。制造時(shí)，刀具實(shí)際上走無(wú)數(shù)階梯形狀的線。刀具軌跡不沿著直線移動(dòng)，只沿著階梯線往返循環(huán)進(jìn)行加工。這樣兩軸數(shù)控車(chē)床車(chē)削活塞環(huán)外圓錐面，可以用線性插值法對(duì)錐面進(jìn)行變換。但是，表面并不是一條直線，通過(guò)CAE過(guò)程試驗(yàn)測(cè)試，放大了很多被切削的表面，刀走的軌跡是呈現(xiàn)階梯型，是由無(wú)數(shù)的折線構(gòu)成的線，小折線的長(zhǎng)度等于沖量，沖量的當(dāng)量為001毫米時(shí)，小折線長(zhǎng)度為001毫米［2］，見(jiàn)圖2?；钊h(huán)外圓錐型面的粗糙度嚴(yán)格控制，NC脈沖當(dāng)量較小時(shí)，圓錐表面的對(duì)插值比有著非常重要的作用，若脈沖當(dāng)量趨近于零界值，機(jī)械傳動(dòng)部件將非常的靈敏，這就聯(lián)系到帶動(dòng)傳動(dòng)部件的動(dòng)力裝置。這樣雖然加工出的錐面粗糙度可以得到保證。但對(duì)于數(shù)控機(jī)床方面來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器傳動(dòng)高的靈敏度，將導(dǎo)致重大生產(chǎn)困難，及制造成本將大幅增加。

32仿形加工方式

以傳統(tǒng)的平動(dòng)數(shù)控仿形加工方案為例，它是一種高性能、高頻響應(yīng)、高剛度的加工方式。滑板上設(shè)有外轉(zhuǎn)刀座和內(nèi)鉆桿座，刀座具有足夠的剛度，滑板可在滾動(dòng)導(dǎo)軌上水平移動(dòng)。數(shù)控仿形裝置的伺服電機(jī)角度位移由偏心機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，運(yùn)動(dòng)方式由彈簧作用在滑板上滑移，以便滑動(dòng)板能夠在水平方向上執(zhí)行細(xì)微伺服運(yùn)動(dòng)［3］。彈簧的柔韌性和剛度經(jīng)過(guò)仔細(xì)的計(jì)算和測(cè)試，足以傳遞內(nèi)外輪廓位置的切削力，保證輪廓精度。仿形加工的切削要素公式：切削速度公式vx＝6·n1000·dρdθ（m／s）（1）加速度公式ax＝（6×n）21000×d2ρdρ2（m／s2）（2）n代表轉(zhuǎn)速；d代表活塞環(huán)直徑；ρ為活塞環(huán)面矢徑；θ為轉(zhuǎn)角。利用活塞環(huán)仿形加工切削速度公式（1）和加速度公式（2）得到自由曲線處理輪廓點(diǎn)數(shù)值，可實(shí)現(xiàn)活塞環(huán)外圓錐面的加工。這樣加工外圓和錐度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)部分活塞環(huán)的粗糙度過(guò)高，表面變形大，見(jiàn)圖3。出現(xiàn)這種情況的起因是一系列不固定因素造成的，此現(xiàn)象不僅與活塞環(huán)每個(gè)制造階段的周邊不穩(wěn)定性有關(guān)，還與制造工藝等多種因素有關(guān)［4］其主要因素如下：1．加工誤差不同（厚度、高度、環(huán)周?chē)鷨蝹€(gè)截面與給定形狀的偏差等）。2．加工活塞環(huán)時(shí)，由于材料結(jié)構(gòu)和硬度不穩(wěn)定，加工余量分布不均勻，環(huán)周?chē)母鹘孛鎽?yīng)力值不同。3．實(shí)際上，自由狀態(tài)下環(huán)周彈性模量的失穩(wěn)率大于7～8環(huán)，而在環(huán)的計(jì)算中，認(rèn)為彈性模量是一個(gè)定值。對(duì)華閩南配集團(tuán)股份有限公司采用仿形模具制造的直徑150mm的梨形徑向壓力活塞環(huán)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，該類(lèi)環(huán)錐度的最大和最小計(jì)算值為1°45′時(shí)，加工檢測(cè)只有873％的活塞環(huán)實(shí)際尺寸能得到保證，但是還有部分環(huán)的錐度等于零或是負(fù)值，不符合尺寸角度要求。在CAE工藝試驗(yàn)中得出，無(wú)論活塞環(huán)錐度是正錐度還是負(fù)錐度，開(kāi)口間隙區(qū)的壓力都會(huì)增大，是產(chǎn)生這127％不合格的原因，此方法加工效率低，廢品率較高。以上兩種方法都存在一定的缺陷。

4提出改進(jìn)方式

41主軸偏置用走直線的方式加工活塞環(huán)錐面

目前，直線插補(bǔ)技術(shù)是在編程加工輪廓起點(diǎn)，沿X方向的走刀路線，如果終點(diǎn)低于加工輪廓點(diǎn)，則下一個(gè)線段將沿Y方向走段距離循環(huán)。此時(shí)，如果線段的端點(diǎn)仍低于加工輪廓，則會(huì)繼續(xù)沿Y方向走循環(huán)指令，直到高于加工輪廓，然后沿X方向走段距離，繼續(xù)循環(huán)依此類(lèi)推。改進(jìn)后，將裝有墊片的多個(gè)活塞環(huán)安放在壓口中，因此活塞環(huán)的每個(gè)錐形之間的間隔相同，襯墊墊片，壓口的反方向由機(jī)床尾座中心頂著固定。此時(shí)用百分表將車(chē)床主軸偏置一定錐度，用兩把或兩把以上的刀具安裝在支撐架上，并分兩道加工工序，來(lái)粗、精車(chē)削環(huán)的表面。加工圓錐面時(shí)，刀只在直線方向上移動(dòng)，因此加工活塞環(huán)外圓表面的技術(shù)得到了更新，此方式攻克了表面粗糙度不穩(wěn)定的問(wèn)題，解決了早期加工工藝上的不足。大大提升了加工過(guò)程中的速度，提高了產(chǎn)品的品質(zhì)，降低了生產(chǎn)的成本。具體實(shí)施方式，在芯軸上固定幾個(gè)粗加工的活塞環(huán)，每個(gè)活塞環(huán)之間設(shè)置同一墊片。注意墊片的厚度要一致，以便刀具進(jìn)入切削時(shí)能保持一致，減少誤差。如果墊片不一致，應(yīng)使用砂紙打磨墊片，使墊片厚度符合加工要求［5］。端部用螺母與壓板軸的螺紋連接固定，壓板的一端安裝在加工機(jī)床的主軸上，另一端由機(jī)床的尾座中心支撐。夾持在車(chē)床刀架上的方式與單把刀具相同，安放在壓口上的活塞環(huán)距離是活塞環(huán)厚度總和的倍數(shù)。該設(shè)備是在傳統(tǒng)兩軸的數(shù)控機(jī)床框架上，將主軸偏置一定角度產(chǎn)生第三坐標(biāo)，機(jī)床主軸上第三個(gè)坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向是1°45′角?？捎萌嵌囗?xiàng)式表示活塞環(huán)的徑向壓力角：q（Ψ）＝q（1＋∑UK＝2qkcosΨ＋∑WK＝2qksinΨ）（3）—qk多項(xiàng)式系數(shù)；式中（3）的三角函數(shù)考慮到活塞環(huán)的非對(duì)稱(chēng)性用上式求出徑向壓力角。5錐度調(diào)整參數(shù)現(xiàn)有NC車(chē)床兩個(gè)坐標(biāo)，大支撐板（Z軸）它可以沿著直線做縱向移動(dòng)，小支撐板（X軸）可以沿著相對(duì)于大支撐板上方的支撐板做橫向移動(dòng)。第三個(gè)坐標(biāo)，在一個(gè)小的支撐板上有一個(gè)支架，刀架面板從機(jī)床主軸的角度移動(dòng)1°45′，刀架安裝在可轉(zhuǎn)位的支架中，支架與小型支架連接，小型支架與大型支架相連接，運(yùn)用表1計(jì)算出U、W的參數(shù)值，來(lái)引導(dǎo)驅(qū)動(dòng)X軸和Z軸加載進(jìn)給刀具，當(dāng)?shù)毒吲c活塞圓錐環(huán)接觸時(shí)，X軸和Z軸啟動(dòng)引導(dǎo)裝置帶動(dòng)傾斜軸控制刀具面板，沿1°45′角朝旋轉(zhuǎn)軸方向進(jìn)給，這時(shí)刀架帶動(dòng)刀具延直線移動(dòng)，解決了插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的問(wèn)題。如圖4、圖5所示。完成前一階段后（即成品錐面被刀具加工后），導(dǎo)向裝置帶動(dòng)X、Z軸移動(dòng)，傾斜軸的刀具循環(huán)加工后回到起始點(diǎn)，朝著Z方向的縱向進(jìn)給，進(jìn)行下個(gè)一循環(huán)，重復(fù)上述操作，直到壓板芯軸上錐形活塞環(huán)的錐面被全部加工完畢［6］。用走直線的加工方式加工出活塞環(huán)錐面，通過(guò)CAE試驗(yàn)爬表圖可以得出，加工出的活塞環(huán)表面光滑，波動(dòng)在合理范圍，見(jiàn)圖6?；钊h(huán)錐面平整飽滿，無(wú)表面缺陷，符合制造工藝，達(dá)到了加

42采用改進(jìn)的伺服電機(jī)直線插補(bǔ)方法加工活塞環(huán)

近年來(lái)，半導(dǎo)體電子技術(shù)大大提升了數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行倍數(shù)，半導(dǎo)體數(shù)字芯片控制系統(tǒng)在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。因此，有大量的高速數(shù)控系統(tǒng)可供選擇，以滿足活塞環(huán)加工的要求。更換先進(jìn)的伺服電機(jī)和球螺桿組合是數(shù)字式加工的特點(diǎn)，直線伺服電機(jī)近些年在各工業(yè)生產(chǎn)中得到了迅速的發(fā)展，改進(jìn)后的電機(jī)能夠進(jìn)行無(wú)機(jī)械連接和反向間隙的筆直移動(dòng)，是加工活塞環(huán)錐面的理想選擇。數(shù)控加工設(shè)備應(yīng)用改進(jìn)后，電機(jī)控制X方向進(jìn)給和Z方向進(jìn)給，使用芯軸智能編碼器來(lái)搜集數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)了高性能數(shù)控系統(tǒng)直線插補(bǔ)加工錐面的功能。這種方式，需要安裝兩把刀具，第一把刀具用于控制工件的精度，第二把刀具用于校正表面光澤度。此方法所需要用的對(duì)刀時(shí)間較長(zhǎng)，倘若進(jìn)給的值小，所提供的參數(shù)值將會(huì)對(duì)活塞環(huán)的表面光澤有影響。對(duì)于NC車(chē)床來(lái)說(shuō)，機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)受靈敏度限制，小脈沖效率傳動(dòng)等要求難以滿足。若條件允許，傳動(dòng)機(jī)件就具備高速效應(yīng)，這就對(duì)生產(chǎn)的性?xún)r(jià)比大幅度提高。在NC車(chē)床中，刀具的最小運(yùn)動(dòng)單元是脈沖當(dāng)量，刀具車(chē)削時(shí)延直線運(yùn)行加工，這既能?chē)?yán)格地沿軌跡運(yùn)行，又能加工出折線刀路。當(dāng)數(shù)控脈沖當(dāng)量較小時(shí)，活塞環(huán)表面精度就能達(dá)到要求，這是脈沖量小就能控制表面粗糙度的原因，所以改變參數(shù)值有助于提高圓錐表面的粗糙度［7］。對(duì)于一般的數(shù)控車(chē)床來(lái)說(shuō)，受到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的靈敏度限制和系統(tǒng)精度的限制，不可能滿足無(wú)休止的傳動(dòng)要求。如上所述，在車(chē)削活塞環(huán)錐面時(shí)，可采用改進(jìn)的直線伺服電機(jī)，用直線插補(bǔ)方法加工活塞環(huán)完成錐面車(chē)削。改進(jìn)的直線伺服電機(jī)加工出活塞環(huán)外表表面較為光滑，缺陷較少，見(jiàn)圖7。

5結(jié)論

1．機(jī)床的直線進(jìn)給加工通過(guò)偏置主軸錐度的方式，保證了活塞環(huán)外錐面的粗糙度，并通過(guò)數(shù)控車(chē)床實(shí)現(xiàn)了高精度活塞環(huán)的加工。要求操作者具有良好的數(shù)控應(yīng)用理論和操作動(dòng)手能力以及一定的機(jī)床維護(hù)知識(shí)。2．通過(guò)更換高精度伺服電機(jī)，使脈沖當(dāng)量無(wú)限接近于零，用直線插補(bǔ)方法加工出表面粗糙度好，精度符合要求的活塞環(huán)。但傳動(dòng)精度高的伺服電機(jī)不僅造價(jià)高，而且不易維護(hù)，這些因素是企業(yè)需要考慮的問(wèn)題。綜上所述：傳統(tǒng)的活塞環(huán)加工方法與改進(jìn)后數(shù)控車(chē)床活塞環(huán)加工方法相比，CAE試驗(yàn)表明，改進(jìn)后的方法加工活塞環(huán)外錐表面光澤度、粗糙度等參數(shù)均優(yōu)于傳統(tǒng)加工方法，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

作者:劉晉斌 莊道軍 單位:福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 華閩南配集團(tuán)股份有限公司