基于雙刀架進給機構的活塞車削技術

辛紅敏, 史耀耀, 頡潭成, 張建國, 孫鵬程

活塞是發動機的核心部件,其軸截面為中凸形,橫截面為橢圓形,且在軸向上每個橫截面的橢圓度不盡相同，由于活塞外形不同于傳統的回轉體零件,單靠車床主軸的旋轉,主軸的單次進給不能加工出其外形,要加工出活塞的外形必須在主軸高速旋轉的前提下,車刀不停地做高頻的進給。其中橫截面的加工是活塞加工中的難點,要想加工出符合要求的活塞,通用數控車床已經不能滿足其要求,必須采用專用的中凸變橢圓活塞數控車床。

國外早在20世紀80年代已經開始了此項技術的研究,1987美國CROSS.CO. 公司研制出了一套獨特的應用于活塞加工的軟件系統,此項創新開創了活塞加工的新工藝,標志著活塞加工新時代的到來。此后,CROSS.CO公司又推出PTM-2000T 和PTM-3000專用活塞數控車床[1]。緊接著日本、德國、美國等也相繼開展了活塞數控加工設備的研發。國內此項技術進行最早的是清華大學以王先逵教授為核心的科研團隊,早在1988年就研制出了中凸變橢圓活塞CNC車床[2-3],1995年清華大學分別與廣州機床廠、安陽機床廠聯合研發了2臺活塞數控車床[4]。1990年長沙國防科技大學研制了由TP801單板機控制的樣機[5],該系統采用486作為主機,活塞的型線數據的輸入和修改可以直接在計算機中進行操作,徑向進給系統選用直線電機,Z軸選用普通伺服電機,工件的形線輪廓誤差為0.01 mm。湖南長沙一派數控機床有限公司研制的ECK2320數控活塞異形外圓車床,采用運動控制卡控制Z軸、X軸、主軸的運動,X軸可實現直線插補,X、Z軸可聯動。國內對此項技術進行的大量研究,執行機構都普遍采用單刀架進給系統,由直線電機驅動,因其推力小,線性和動態特性差,與國外同行業的機床還有很大差距。 基于此種情況,本文在單刀架進給機構的基礎上,提出雙刀架進給機構,不僅能降低由于進口機床增加的成本,而且能保證活塞加工的平穩性,保持加工的精度。

1 中凸變活塞形線數學描述方法

由于中凸變活塞形線的復雜性,沒有統一的方程可描述,一般取形面上一些離散的點進行表示[6]。

1.1 中凸變活塞軸截面形線數學描述

中凸變橢圓活塞軸截面內形線一般以一些離散的點給出[7-9],軸向坐標用z表示,縱向半徑用y來表示,軸截面內的無數個點便可表示成(z0,y0),(z1,y1),…,(zn-1,yn-1),(zn,yn)如圖1a)所示。

中凸變橢圓活塞每一個橫截面的橢圓度用字母G表示,G即為橢圓長軸與短軸之差。G的大小沿裙高呈線性變化,如圖1a)中G上表示中凸變活塞裙上部的橢圓度,G下表示中凸變活塞裙下部的橢圓度,G上、G下兩部分的線性變化系數分別為k1、k2。G0為長軸直徑最大處的橢圓度。通常利用長軸尺寸的不斷變化來形成不同的橢圓度,所以圖1中y代表橢圓長軸的半徑值。

1.2 中凸變活塞橫截面形線數學描述

在大多數情況下,橫截面的形狀不是標準橢圓,而是類橢圓,所以不能以標準的橢圓方程來描述,通常也是由一些離散的列表點來表示的[7-9]。由于橫截面具有對稱性,只列出第一象限內的離散點即可。取某一橫截面作為研究對象,以極坐標表示第一象限內的點,可分別為:(θ0,ρ0),(θ1,ρ1),(θ2,ρ2),…,(θn,ρn),ρi表示極徑,θi表示極角,極徑的長度可用長軸半徑減去徑向縮減量ΔRi來表示,ρi=a-ΔRi,如圖1b)所示:

圖1 中凸變活塞截面形線描述

徑向縮減量ΔRi可表示為:

(1)

式中:ΔRi為相對于橢圓長軸的半徑收縮量;G為橢圓度;θ為ΔRi處所在位置與橢圓長軸的夾角。

2 活塞橫截面加工中的加速度分析

活塞加工中,活塞橫截面的加工是關鍵,所以有必要對活塞橫截面的加工過程進行研究。

如圖2所示,當加工開始時,電機驅動車刀從長軸處開始進刀,初速度v0=0,主軸在旋轉一個角度Δθ的過程中,刀具以變速度沿徑向運動,當旋轉到角度Δθ時,刀具必須同時走到對應的等分點處,通過分析可看出,從0°到45°的旋轉期間,相鄰等分點之間的徑向距離越來越大,電機必須加速運動,加速度a為正值。從45°到90°的旋轉期間,相鄰等分點之間的徑向距離越來越小,直線電機必須不斷減速,加速度a為負值,到90°時,速度減到零。從90°到180°的旋轉期間,電機做退回運動,過程與0°到90°相同。180°到360°與0°到180°的運動相同。

(2)

對電機的加速度a影響最大的是活塞加工時的主軸轉速和活塞的橢圓度,加工橢圓度越大的截面,刀具車削運動時需要的加速度值就越大。以一拖集團有限公司的一個活塞零件為例,將橢圓截面按每3°等分為120個點,每一個等分點n相對于圓半徑的徑向縮減量d如圖2所示,橢圓度為0.265 mm,對加速度進行分析。

由于橢圓的對稱性,只對0°到90°之間的點進行分析,通過分析可知,相鄰2個點之間的最大差值為0.08 mm,出現在45°附近,從0°到45°,相鄰2個點之間的差值逐漸增大,從45°到90°,差值逐漸減小到零。通過公式(2)計算求出不同轉速情況下加工每個點所需的加速度a(m/s2)和末速度V(m/s)具體結果見表1。由于前5個點的徑向縮減量幾乎為零,而且在公差要求的范圍以內,所以刀具可以直接由第1點運動到第6個點,然后刀具加工第7個點,第8個點,一直到45°附近的點,由于相鄰2個等分點之間的差值是逐步增大的,刀具每加工完1個點后,都具有了一定的初速度,所以在加工過程中所需的加速度不會突變,會穩定在一個確定的范圍內。

圖2 在橢圓度為0.265 mm的截面中0°到180°之間等分點和徑向縮減量

表1 刀具加工橢圓度為0.265 mm的橢圓時運動到前10個等分點處的值

由表1數據可以看出隨著主軸轉速的增加,直線電機要加工活塞橫截面橢圓形線的加速度值就會越來越大,如果以最大值來計算,電機具有最高20g的加速度才可以在2 400 r/min的轉速下進行活塞零件的精加工。按照表1中的數據推算,到45°處,在3個不同的轉速下,直線電機要具有的最大加速度分別約為70 m/s2,250 m/s2,370 m/s2,如果以轉速3 000 r/min精加工直徑200 mm的活塞,則直線電機的加速度要有40g,一般情況下,當活塞直徑是200 mm時,180 m/min的線速度精加工零件,則活塞的表面粗糙度可以達到Ra0.8,則此時的轉速只有不到600 r/min,所以以180 m/min的線速度來計算,此時的加速度不超過8g,如果精加工轉速為2 000 r/min來計算,則加速度不超過20g。

3 雙刀架進給機構設計

現有的活塞加工方法多采用單刀架進給機構,此種機構普遍存在的問題是電機的加速度達不到要求,進給頻率不夠,加工的平穩性不能保證[10],直接影響了活塞的加工精度和效率。

針對上述問題,本文設計了雙刀架進給機構。X軸刀架機構采用溜板加音圈式直線電機代替原有的平板式直線電機。音圈式直線電機磁場圓周均勻分布,消除了磁吸附力的影響,降低了成本。除此之外,在溜板工作臺上安裝了四工位的旋轉刀架機構,可以進行普通車床零件的加工,也可以實現活塞零件的異型面外輪廓、環槽、倒角等工序在一次裝夾中完成,提高了活塞零件的加工精度和效率,并且可以增加活塞車床的通用性。

刀架機構根據臥式數控活塞車床的特點,可適應分段進給、行程大、高頻高精度要求的特點,采用雙軸控制。使用常規旋轉伺服電機驅動溜板,使用音圈式直線電機進行高頻進給切削。將直線電機裝在溜板上,較大的行程由溜板實現,迅速到達加工位置附近,采用音圈式直線電機高加速特性,配合高精密光柵實現高頻高精度的切削加工。雙刀架進給機構的結構示意圖如圖5所示。

1床身 2主軸箱 3工作臺 4直線刀架機構 5四工位刀架 6滾珠絲杠7直線導軌8四工位刀架X軸電機 9直線刀架X軸電機 10直線導軌 11滾珠絲杠12刀架 13音圈直線電機 14連接板

4 基于雙刀架進給機構的控制系統

雙刀架的活塞異形面數控車床控制系統采用平行結構,分別為通用數控系統和運動控制器。如圖6所示,通用數控系統通過主軸控制口連接主軸伺服驅動器去控制活塞車床的主軸伺服電機,另外3個軸接口連接3個伺服驅動器去控制安裝在活塞車床雙刀架進給機構上的四工位加架X軸電機,直線刀架X軸電機,和Z軸電機。運動控制器只控制安裝在雙刀架進給機構上的直線電機。其中直線電機、直線刀架X軸電機、主軸電機的聯動可以加工出活塞的橢圓橫截面; 四工位刀架X軸電機、Z軸電機、主軸電機的聯動可以加工出活塞的軸截面中凸型線。運動控制器和通用數控系統通過接受主軸電機編碼器反饋過來的角度信號值進行進給控制,由于兩平行系統同時接受主軸編碼器反饋過來的信號,可以產生協調一致的節拍,實現兩平行系統的協調控制,主軸每旋轉一轉的過程中,數控程序控制直線刀架X軸電機和Z軸電機運動一個步長,同時運動卡控制直線電機加工一個截面,最終形成活塞外形線的加工。

另外,如果只啟用通用數控系統功能,分別控制主軸伺服電機、四工位刀架X軸電機、Z軸電機聯動,可以進行普通軸類零件輪廓加工。

5 活塞形線數據擬合驗證

基于雙刀架進給機構及車削數控自動編程技術[11-12],本文設計了活塞加工專用軟件。本套軟件從活塞的橫截面和軸截面2個方面進行設計。在進行活塞加工編程時,只需在軟件中輸入離散的活塞的數據點,然后由軟件進行后臺運算,擬合出與活塞真實形線相近的形線,最終將這些形線數據傳遞給通用數據系統和運動控制器,各個電機根據通用數控系統和運動控制器傳遞過來的指令進行進給,最終加工出活塞形線。為了驗證活塞加工軟件生成數據的正確性,本文利用Matlab工具生成的數據與活塞數據生成的數據對比,以驗證活塞加工軟件生成數據的可靠性。

圖4 雙刀架進給機構控制系統圖

5.1 活塞軸截面形線數據的驗證

以一拖集團有限公司活塞的軸截面形線數據為例進行驗證。表2為一拖集團有限公司活塞的軸截面形線離散數據。

表2 某公司活塞軸截面離散點列表

圖5 一拖集團有限公司活塞的軟件生成數據點與MATLAB生成數據點的對比圖

由圖7可知,Matlab工具擬合后的活塞形線與活塞加工軟件生成的活塞形線,其對應數據點之間的最大誤差為0.004 mm,由于差值微小,活塞加工軟件擬合出來的形線不會影響活塞加工的可靠性和精確性,所以可以確定活塞加工軟件生成的軸截面形線數據點是符合加工要求的。

5.2 活塞橫截面形線數據的驗證

對于活塞上橫截面的選取的原則為:每隔10個截面確定一個截面為檢測截面,如果相鄰2個檢測截面為相同形線,則改取下一個截面,直到所有的檢測為不同的形線。將取出的10個檢測截面,通過活塞加工軟件和MATLAB軟件對橫截面形線進行數學處理,將處理的數據點進行對比,由于活塞的橫截面為標準橢圓形線,形線為軸對稱圖形,因此只在0°～90°范圍內比較。

MATLAB軟件和活塞加工軟件對某公司活塞的高度15 mm處的橫截面進行數據處理得到的等分點處的徑向縮減量值(單位:mm)的對比如表3所示。表3中的角度值單位為度,MATLAB軟件處理的數據值用A來表示,活塞加工軟件處理的數據值用B來表示。橫截面的橢圓度為0.265 mm。

驗證結果由表3可知,2種軟件處理數據的最大誤差不超過0.005 mm, 不會影響活塞加工的可靠性和精確性,所以活塞加工軟件生成的橫截面數據點是符合加工要求的。

表3 某公司活塞的軟件生成數據點與MATLAB生成數據點的對比表

6 結 論

本文對活塞的特殊形線進行了描述,對其加工特點進行了分析,在此基礎上,設計了雙刀架進給機構和基于雙刀架進給機構的數控車床的控制系統,為了驗證活塞加工軟件的正確性,利用Matlab軟件對活塞離散數據進行擬合,通過2種軟件擬合數據的對比,驗證了活塞加工軟件生成數據的可靠性。

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