活塞裙部中凸变椭圆异型面车削加工

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摘要：介绍了一种以步进电机为驱动源，采用软靠模与硬靠模相结合的新方法，实现中凸变椭圆活塞裙部加工的车削系统。系统应用计算机进行控制，并进行加工误差的补偿，有效提高了加工精度和效率，获得良好的效果。
1 前言

(a)T(z)-活塞任一截面的椭圆度

: _$ m4 B7 x4 j. H5 c1 U(b)A(z)-活塞裙部的型线
图1 中凸变椭圆活塞外形
, L9 d/ y4 {# P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)。
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。
$ T, K1 x" g" |7 Y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。
% ?% H9 T  _" t' h3 z! u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。
8 j2 T( E6 B4 a( N. J$ c$ t7 S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。
/ N1 p, q/ O; ?4 e! C) L9 q2 中凸变椭圆活塞车削加工系统组成

- O* w& H0 z% Z! y/ w  {5 y7 U1、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
　　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。
3 L' R! @4 l* V& w6 p4 C$ S9 w4 u" j　　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。
2 a8 X' e6 c4 ~: p3 活塞裙部中凸变椭圆成型原理
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图3 车削加工系统的基本原理

图4 变椭圆加工原理图