數(shù)控車床在加工活塞環(huán)錐形表面中應用

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摘要：普通機床加工活塞環(huán)表面，常以傳統(tǒng)的進給方式或仿形方式進行加工。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)，為了車削出符合設(shè)計要求的活塞環(huán)錐形表面，文章主要歸納了數(shù)控車床加工活塞環(huán)錐形表面的新方式來提高質(zhì)量，分析了活塞環(huán)先進加工設(shè)備對外圓加工產(chǎn)生的影響。以加工試驗為主，CAE檢測試驗分析為輔，解決活塞環(huán)表面缺陷的質(zhì)量問題，最終提出相應的預防措施與解決方法。

關(guān)鍵詞：加工精度，錐形表面，數(shù)控加工，仿真試驗

1數(shù)控車床的相關(guān)現(xiàn)狀

數(shù)控機床是在數(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床總稱。目前，高速、高精度的數(shù)控國際機床已成為主流，半導體電子控制技術(shù)已成為高速、高精度的發(fā)展趨勢，高精密數(shù)控機床在能源領(lǐng)域的應用日益廣泛。與傳統(tǒng)激光干涉儀相比，最新的機床檢測與補償技術(shù)能在短時間內(nèi)完成偏置測量，機床的誤差補償可增加產(chǎn)品進度，效率大大提高，許多工具和夾具的設(shè)計為整體的加工提供了所有的輔助過程。數(shù)控車床是對工藝進行編程實現(xiàn)自動走刀過程的智能制造機床，它的功能有實現(xiàn)精確的點定位、直線插補補償、邊界控制、輪廓走刀等功能，以上功能都能被X軸伺服電機、Z軸伺服電機控制達到進行制造加工的效果。而且數(shù)控車床進給方式主要采用直流或交流半封閉環(huán)伺服系統(tǒng)，具備智能制造細微加工、特殊形狀加工等特點。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，而且還能自動診斷程序是否有誤、加工分析等功能。數(shù)控臥式車床是一種用于加工主軸水平位置的數(shù)控驅(qū)動機床，傾斜機床主軸一定角度可以實現(xiàn)間隙補償、脈沖單量穩(wěn)定、波紋減小等加工現(xiàn)象。本課題研究的是應用該臥式數(shù)控車床加工活塞環(huán)錐面。

2活塞環(huán)作用及錐面的重要性

活塞環(huán)是內(nèi)燃機的關(guān)鍵部件，鑲嵌在活塞環(huán)槽中，是燃料發(fā)動機關(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入，產(chǎn)生燒機油現(xiàn)象，防止?jié)櫥瓦^熱引起灼燒缸壁產(chǎn)生機件損壞等故障，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)，見圖1。這樣可以通過大氣壓強的原理使活塞環(huán)壓縮空氣做功，讓其上下移動，刮除與氣缸壁相連的油，保持正常的油耗，滑動面由活塞環(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，這有利于活塞運行更加流暢和降低油量防止灼燒。同時，活塞上升時，由于傾斜角度的“油楔”效應，它可以浮在油膜上，而不會造成熔裂。所以必須正確選擇錐面環(huán)的錐角，安裝時不得翻轉(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、顆粒過大的物質(zhì)，可以保證發(fā)動機的密封效果，防止燃氣泄漏，對發(fā)動機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，根據(jù)情況選擇半徑曲線氣壓分布公式，根據(jù)數(shù)學和力學知識計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，一些制造類強國，如德國、美國、日本等，已經(jīng)引進了車削活塞環(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題、弊端

31直線插補加工方式

在NC加工中，最小運動單位等效于脈沖，不是走直線。通常，數(shù)控車床用于切削活塞環(huán)外錐面。制造時，刀具實際上走無數(shù)階梯形狀的線。刀具軌跡不沿著直線移動，只沿著階梯線往返循環(huán)進行加工。這樣兩軸數(shù)控車床車削活塞環(huán)外圓錐面，可以用線性插值法對錐面進行變換。但是，表面并不是一條直線，通過CAE過程試驗測試，放大了很多被切削的表面，刀走的軌跡是呈現(xiàn)階梯型，是由無數(shù)的折線構(gòu)成的線，小折線的長度等于沖量，沖量的當量為001毫米時，小折線長度為001毫米［2］，見圖2?；钊h(huán)外圓錐型面的粗糙度嚴格控制，NC脈沖當量較小時，圓錐表面的對插值比有著非常重要的作用，若脈沖當量趨近于零界值，機械傳動部件將非常的靈敏，這就聯(lián)系到帶動傳動部件的動力裝置。這樣雖然加工出的錐面粗糙度可以得到保證。但對于數(shù)控機床方面來說，實現(xiàn)機器傳動高的靈敏度，將導致重大生產(chǎn)困難，及制造成本將大幅增加。

32仿形加工方式

以傳統(tǒng)的平動數(shù)控仿形加工方案為例，它是一種高性能、高頻響應、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，滑板可在滾動導軌上水平移動。數(shù)控仿形裝置的伺服電機角度位移由偏心機構(gòu)的運動轉(zhuǎn)換，運動方式由彈簧作用在滑板上滑移，以便滑動板能夠在水平方向上執(zhí)行細微伺服運動［3］。彈簧的柔韌性和剛度經(jīng)過仔細的計算和測試，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數(shù)值，可實現(xiàn)活塞環(huán)外圓錐面的加工。這樣加工外圓和錐度時，會出現(xiàn)部分活塞環(huán)的粗糙度過高，表面變形大，見圖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)周圍單個截面與給定形狀的偏差等）。2．加工活塞環(huán)時，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)周圍的各截面應力值不同。3．實際上，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)的計算中，認為彈性模量是一個定值。對華閩南配集團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)進行了分析，結(jié)果表明，該類環(huán)錐度的最大和最小計算值為1°45′時，加工檢測只有873％的活塞環(huán)實際尺寸能得到保證，但是還有部分環(huán)的錐度等于零或是負值，不符合尺寸角度要求。在CAE工藝試驗中得出，無論活塞環(huán)錐度是正錐度還是負錐度，開口間隙區(qū)的壓力都會增大，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，直線插補技術(shù)是在編程加工輪廓起點，沿X方向的走刀路線，如果終點低于加工輪廓點，則下一個線段將沿Y方向走段距離循環(huán)。此時，如果線段的端點仍低于加工輪廓，則會繼續(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)依此類推。改進后，將裝有墊片的多個活塞環(huán)安放在壓口中，因此活塞環(huán)的每個錐形之間的間隔相同，襯墊墊片，壓口的反方向由機床尾座中心頂著固定。此時用百分表將車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，來粗、精車削環(huán)的表面。加工圓錐面時，刀只在直線方向上移動，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)定的問題，解決了早期加工工藝上的不足。大大提升了加工過程中的速度，提高了產(chǎn)品的品質(zhì)，降低了生產(chǎn)的成本。具體實施方式，在芯軸上固定幾個粗加工的活塞環(huán)，每個活塞環(huán)之間設(shè)置同一墊片。注意墊片的厚度要一致，以便刀具進入切削時能保持一致，減少誤差。如果墊片不一致，應使用砂紙打磨墊片，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床的主軸上，另一端由機床的尾座中心支撐。夾持在車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)控機床框架上，將主軸偏置一定角度產(chǎn)生第三坐標，機床主軸上第三個坐標的運動方向是1°45′角。可用三角多項式表示活塞環(huán)的徑向壓力角：q（Ψ）＝q（1＋∑UK＝2qkcosΨ＋∑WK＝2qksinΨ）（3）—qk多項式系數(shù)；式中（3）的三角函數(shù)考慮到活塞環(huán)的非對稱性用上式求出徑向壓力角。5錐度調(diào)整參數(shù)現(xiàn)有NC車床兩個坐標，大支撐板（Z軸）它可以沿著直線做縱向移動，小支撐板（X軸）可以沿著相對于大支撐板上方的支撐板做橫向移動。第三個坐標，在一個小的支撐板上有一個支架，刀架面板從機床主軸的角度移動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，運用表1計算出U、W的參數(shù)值，來引導驅(qū)動X軸和Z軸加載進給刀具，當?shù)毒吲c活塞圓錐環(huán)接觸時，X軸和Z軸啟動引導裝置帶動傾斜軸控制刀具面板，沿1°45′角朝旋轉(zhuǎn)軸方向進給，這時刀架帶動刀具延直線移動，解決了插補運動帶來的問題。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），導向裝置帶動X、Z軸移動，傾斜軸的刀具循環(huán)加工后回到起始點，朝著Z方向的縱向進給，進行下個一循環(huán)，重復上述操作，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CAE試驗爬表圖可以得出，加工出的活塞環(huán)表面光滑，波動在合理范圍，見圖6?；钊h(huán)錐面平整飽滿，無表面缺陷，符合制造工藝，達到了加

42采用改進的伺服電機直線插補方法加工活塞環(huán)

近年來，半導體電子技術(shù)大大提升了數(shù)控系統(tǒng)的運行倍數(shù)，半導體數(shù)字芯片控制系統(tǒng)在工業(yè)上得到了廣泛應用。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。更換先進的伺服電機和球螺桿組合是數(shù)字式加工的特點，直線伺服電機近些年在各工業(yè)生產(chǎn)中得到了迅速的發(fā)展，改進后的電機能夠進行無機械連接和反向間隙的筆直移動，是加工活塞環(huán)錐面的理想選擇。數(shù)控加工設(shè)備應用改進后，電機控制X方向進給和Z方向進給，使用芯軸智能編碼器來搜集數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)了高性能數(shù)控系統(tǒng)直線插補加工錐面的功能。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刀時間較長，倘若進給的值小，所提供的參數(shù)值將會對活塞環(huán)的表面光澤有影響。對于NC車床來說，機械傳動結(jié)構(gòu)受靈敏度限制，小脈沖效率傳動等要求難以滿足。若條件允許，傳動機件就具備高速效應，這就對生產(chǎn)的性價比大幅度提高。在NC車床中，刀具的最小運動單元是脈沖當量，刀具車削時延直線運行加工，這既能嚴格地沿軌跡運行，又能加工出折線刀路。當數(shù)控脈沖當量較小時，活塞環(huán)表面精度就能達到要求，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］。對于一般的數(shù)控車床來說，受到傳動機構(gòu)的靈敏度限制和系統(tǒng)精度的限制，不可能滿足無休止的傳動要求。如上所述，在車削活塞環(huán)錐面時，可采用改進的直線伺服電機，用直線插補方法加工活塞環(huán)完成錐面車削。改進的直線伺服電機加工出活塞環(huán)外表表面較為光滑，缺陷較少，見圖7。

5結(jié)論

1．機床的直線進給加工通過偏置主軸錐度的方式，保證了活塞環(huán)外錐面的粗糙度，并通過數(shù)控車床實現(xiàn)了高精度活塞環(huán)的加工。要求操作者具有良好的數(shù)控應用理論和操作動手能力以及一定的機床維護知識。2．通過更換高精度伺服電機，使脈沖當量無限接近于零，用直線插補方法加工出表面粗糙度好，精度符合要求的活塞環(huán)。但傳動精度高的伺服電機不僅造價高，而且不易維護，這些因素是企業(yè)需要考慮的問題。綜上所述：傳統(tǒng)的活塞環(huán)加工方法與改進后數(shù)控車床活塞環(huán)加工方法相比，CAE試驗表明，改進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，具有一定的工程應用價值。

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