數控車床在加工活塞環錐形表面中應用

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摘要：普通機床加工活塞環表面，常以傳統的進給方式或仿形方式進行加工。這些方法容易出現表面漏光、精度差等缺陷。從活塞環形狀出發，為了車削出符合設計要求的活塞環錐形表面，文章主要歸納了數控車床加工活塞環錐形表面的新方式來提高質量，分析了活塞環先進加工設備對外圓加工產生的影響。以加工試驗為主，CAE檢測試驗分析為輔，解決活塞環表面缺陷的質量問題，最終提出相應的預防措施與解決方法。

關鍵詞：加工精度，錐形表面，數控加工，仿真試驗

1數控車床的相關現狀

數控機床是在數字控制下，以零件精度和表面粗糙度為主要依據，加工出所需形狀的有色金屬零件的機床總稱。目前，高速、高精度的數控國際機床已成為主流，半導體電子控制技術已成為高速、高精度的發展趨勢，高精密數控機床在能源領域的應用日益廣泛。與傳統激光干涉儀相比，最新的機床檢測與補償技術能在短時間內完成偏置測量，機床的誤差補償可增加產品進度，效率大大提高，許多工具和夾具的設計為整體的加工提供了所有的輔助過程。數控車床是對工藝進行編程實現自動走刀過程的智能制造機床，它的功能有實現精確的點定位、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。而且數控車床進給方式主要采用直流或交流半封閉環伺服系統，具備智能制造細微加工、特殊形狀加工等特點。大多數情況下采用系統面板視頻輸出，系統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。數控臥式車床是一種用于加工主軸水平位置的數控驅動機床，傾斜機床主軸一定角度可以實現間隙補償、脈沖單量穩定、波紋減小等加工現象。本課題研究的是應用該臥式數控車床加工活塞環錐面。

2活塞環作用及錐面的重要性

活塞環是內燃機的關鍵部件，鑲嵌在活塞環槽中，是燃料發動機關鍵元件之一。為了保證氣缸內的密封效果防止外界混合的氣體進入，產生燒機油現象，防止潤滑油過熱引起灼燒缸壁產生機件損壞等故障，故在活塞上分別安裝以密封性為主要功能的第一道氣環，保證密封效果；第二道還是安裝氣環，最后安裝控油為主的第三道組合油環，見圖1。這樣可以通過大氣壓強的原理使活塞環壓縮空氣做功，讓其上下移動，刮除與氣缸壁相連的油，保持正常的油耗，滑動面由活塞環支撐，防止活塞與氣缸直接接觸。氣環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°），錐面環是活塞環外側的一個小錐角，汽缸壁與活塞連接靠活塞環，為了減小接觸面，提高表面接觸壓力，活塞環需要有一定的錐角，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的錐角，安裝時不得翻轉錐角。錐面環通常用于中間環，用于清洗缸內積碳量大、顆粒過大的物質，可以保證發動機的密封效果，防止燃氣泄漏，對發動機的使用性有著重大影響。活塞環的外表面是有錐度的，這與徑向分布的氣壓密不可分，活塞環的外形設計，根據情況選擇半徑曲線氣壓分布公式，根據數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，已經引進了車削活塞環的新技術。與以往的生產技術相比，提高生產的效率和產品的制造精度。

3活塞環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，數控車床用于切削活塞環外錐面。制造時，刀具實際上走無數階梯形狀的線。刀具軌跡不沿著直線移動，只沿著階梯線往返循環進行加工。這樣兩軸數控車床車削活塞環外圓錐面，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，刀走的軌跡是呈現階梯型，是由無數的折線構成的線，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。活塞環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。但對于數控機床方面來說，實現機器傳動高的靈敏度，將導致重大生產困難，及制造成本將大幅增加。

32仿形加工方式

以傳統的平動數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。滑板上設有外轉刀座和內鉆桿座，刀座具有足夠的剛度，滑板可在滾動導軌上水平移動。數控仿形裝置的伺服電機角度位移由偏心機構的運動轉換，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行細微伺服運動［3］。彈簧的柔韌性和剛度經過仔細的計算和測試，足以傳遞內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代表轉速；d代表活塞環直徑；ρ為活塞環面矢徑；θ為轉角。利用活塞環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值，可實現活塞環外圓錐面的加工。這樣加工外圓和錐度時，會出現部分活塞環的粗糙度過高，表面變形大，見圖3。出現這種情況的起因是一系列不固定因素造成的，此現象不僅與活塞環每個制造階段的周邊不穩定性有關，還與制造工藝等多種因素有關［4］其主要因素如下：1．加工誤差不同（厚度、高度、環周圍單個截面與給定形狀的偏差等）。2．加工活塞環時，由于材料結構和硬度不穩定，加工余量分布不均勻，環周圍的各截面應力值不同。3．實際上，自由狀態下環周彈性模量的失穩率大于7～8環，而在環的計算中，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進行了分析，結果表明，該類環錐度的最大和最小計算值為1°45′時，加工檢測只有873％的活塞環實際尺寸能得到保證，但是還有部分環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，無論活塞環錐度是正錐度還是負錐度，開口間隙區的壓力都會增大，是產生這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錐面

目前，直線插補技術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。此時，如果線段的端點仍低于加工輪廓，則會繼續沿Y方向走循環指令，直到高于加工輪廓，然后沿X方向走段距離，繼續循環依此類推。改進后，將裝有墊片的多個活塞環安放在壓口中，因此活塞環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，因此加工活塞環外圓表面的技術得到了更新，此方式攻克了表面粗糙度不穩定的問題，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，提高了產品的品質，降低了生產的成本。具體實施方式，在芯軸上固定幾個粗加工的活塞環，每個活塞環之間設置同一墊片。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距離是活塞環厚度總和的倍數。該設備是在傳統兩軸的數控機床框架上，將主軸偏置一定角度產生第三坐標，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的徑向壓力角：q（Ψ）＝q（1＋∑UK＝2qkcosΨ＋∑WK＝2qksinΨ）（3）—qk多項式系數；式中（3）的三角函數考慮到活塞環的非對稱性用上式求出徑向壓力角。5錐度調整參數現有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的參數值，來引導驅動X軸和Z軸加載進給刀具，當刀具與活塞圓錐環接觸時，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，重復上述操作，直到壓板芯軸上錐形活塞環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錐面，通過CAE試驗爬表圖可以得出，加工出的活塞環表面光滑，波動在合理范圍，見圖6。活塞環錐面平整飽滿，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

近年來，半導體電子技術大大提升了數控系統的運行倍數，半導體數字芯片控制系統在工業上得到了廣泛應用。因此，有大量的高速數控系統可供選擇，以滿足活塞環加工的要求。更換先進的伺服電機和球螺桿組合是數字式加工的特點，直線伺服電機近些年在各工業生產中得到了迅速的發展，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，是加工活塞環錐面的理想選擇。數控加工設備應用改進后，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據信息，實現了高性能數控系統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，所提供的參數值將會對活塞環的表面光澤有影響。對于NC車床來說，機械傳動結構受靈敏度限制，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。當數控脈沖當量較小時，活塞環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，所以改變參數值有助于提高圓錐表面的粗糙度［7］。對于一般的數控車床來說，受到傳動機構的靈敏度限制和系統精度的限制，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完成錐面車削。改進的直線伺服電機加工出活塞環外表表面較為光滑，缺陷較少，見圖7。

5結論

1．機床的直線進給加工通過偏置主軸錐度的方式，保證了活塞環外錐面的粗糙度，并通過數控車床實現了高精度活塞環的加工。要求操作者具有良好的數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。但傳動精度高的伺服電機不僅造價高，而且不易維護，這些因素是企業需要考慮的問題。綜上所述：傳統的活塞環加工方法與改進后數控車床活塞環加工方法相比，CAE試驗表明，改進后的方法加工活塞環外錐表面光澤度、粗糙度等參數均優于傳統加工方法，具有一定的工程應用價值。

作者:劉晉斌 莊道軍 單位:福建林業職業技術學院 華閩南配集團股份有限公司