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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(jìn)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(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
1數(shù)控車床的相關(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。目前,高速、高精度的數(shù)控國際機(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,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)床檢測與補(bǔ)償技術(shù)能在短時間內(nèi)完成偏置測量,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(jìn)行編程實現(xiàn)自動走刀過程的智能制造機(jī)床,它的功能有實現(xiàn)精確的點定位、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。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(jī)床,傾斜機(jī)床主軸一定角度可以實現(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^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),見圖1。這樣可以通過大氣壓強(qiáng)的原理使活塞環(huán)壓縮空氣做功,讓其上下移動,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(yùn)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(yīng),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(jī)的密封效果,防止燃?xì)庑孤?,對發(fā)動機(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,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(qiáng)國,如德國、美國、日本等,已經(jīng)引進(jìn)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(bǔ)加工方式
在NC加工中,最小運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(dāng)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(yán)格控制,NC脈沖當(dāng)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(dāng)量趨近于零界值,機(jī)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(jī)床方面來說,實現(xiàn)機(jī)器傳動高的靈敏度,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,滑板可在滾動導(dǎo)軌上水平移動。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)動轉(zhuǎn)換,運(yùn)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(xì)微伺服運(yùn)動[3]。彈簧的柔韌性和剛度經(jīng)過仔細(xì)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(yīng)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(rèn)為彈性模量是一個定值。對華閩南配集團(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(fù)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(fù)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(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,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(jìn)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(jī)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(jìn)入切削時能保持一致,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)床主軸上第三個坐標(biāo)的運(yùn)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(biāo),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(biāo),在一個小的支撐板上有一個支架,刀架面板從機(jī)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(yùn)用表1計算出U、W的參數(shù)值,來引導(dǎo)驅(qū)動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,X軸和Z軸啟動引導(dǎo)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(jìn)給,這時刀架帶動刀具延直線移動,解決了插補(bǔ)運(yùn)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(dǎo)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(jìn)給,進(jìn)行下個一循環(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(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,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,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)行無機(jī)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(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(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刀時間較長,倘若進(jìn)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(jī)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(jī)件就具備高速效應(yīng),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(yùn)動單元是脈沖當(dāng)量,刀具車削時延直線運(yùn)行加工,這既能嚴(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,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]。對于一般的數(shù)控車床來說,受到傳動機(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(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,見圖7。
5結(jié)論
1.機(jī)床的直線進(jìn)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(yīng)用理論和操作動手能力以及一定的機(jī)床維護(hù)知識。2.通過更換高精度伺服電機(jī),使脈沖當(dāng)量無限接近于零,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)。但傳動精度高的伺服電機(jī)不僅造價高,而且不易維護(hù),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(jìn)后數(shù)控車床活塞環(huán)加工方法相比,CAE試驗表明,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