活塞異形外圓數(shù)控車(chē)床的實(shí)驗(yàn)研究與誤差分析

賈志廣，李國(guó)康

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

0 引言

活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要組成元件，其質(zhì)量的好壞直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能?；钊庑螌?duì)系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性、可靠性、壽命、排放及噪聲等指標(biāo)有很大的影響?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)由燃?xì)鈮毫Α⑵讐毫υ斐傻幕钊冃我约盎钊旧淼臒嶙冃蔚扔绊懸蛩?，目前活塞裙部廣泛采用的是中凸變橢圓型面。這種型面具有如下特點(diǎn)：橫截面為橢圓或類(lèi)橢圓，且其橢圓度沿活塞軸向變化；縱截面的型線(xiàn)為一條中部外凸的曲線(xiàn)。對(duì)于這種復(fù)雜型面，目前已有多種加工方法，由于國(guó)外大多機(jī)械設(shè)備價(jià)格昂貴且技術(shù)保密，因此國(guó)內(nèi)技術(shù)很難得到國(guó)外技術(shù)的支持，在穩(wěn)定性和精度等方面國(guó)內(nèi)產(chǎn)品仍存在問(wèn)題。本文以磁致伸縮棒微進(jìn)給機(jī)構(gòu)的數(shù)控車(chē)床為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，加工活塞的非圓截面，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)床的性能進(jìn)行分析和優(yōu)化。

1 車(chē)床加工的原理

1.1 微進(jìn)給刀架機(jī)構(gòu)

微進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要元件是由超磁致伸縮材料（Giant Magnetostrictive Material，簡(jiǎn)稱(chēng)GMM）加工而成的磁致伸縮棒，利用改變線(xiàn)圈的電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，來(lái)驅(qū)動(dòng)磁致伸縮棒。由于超磁致伸縮材料具有飽和磁致伸縮系數(shù)大、響應(yīng)速度快、能量密度高、抗壓強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，因此超磁致伸縮材料能夠滿(mǎn)足車(chē)床加工活塞時(shí)的要求。超磁致伸縮刀架的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由稀土超磁致伸縮棒、驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈、彈簧板、鋁板、外殼等組成。

1.2 車(chē)床系統(tǒng)工作原理

活塞橢圓度的加工是通過(guò)調(diào)節(jié)電流的變化控制超磁致伸縮刀架的微進(jìn)給來(lái)完成的。為了提高加工同批活塞的一致性，需消除加工溫度引起的X軸向誤差。此系統(tǒng)通過(guò)加工前補(bǔ)償來(lái)消除X軸向誤差，加工前補(bǔ)償控制邏輯如圖2所示，反饋系統(tǒng)依據(jù)橢圓基準(zhǔn)初始信號(hào)查找反饋芯片里的數(shù)據(jù)，即標(biāo)定的電渦流傳感器的電壓（車(chē)刀的位移量）與采集到當(dāng)前傳感器的電壓進(jìn)行對(duì)比，得到差值傳給數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行X軸補(bǔ)償。

圖1 超磁致伸縮刀架的基本結(jié)構(gòu)

圖2 加工前補(bǔ)償控制邏輯圖

通過(guò)觸發(fā)橢圓信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大直接控制磁致伸縮刀架的進(jìn)給完成橢圓度的加工。加工過(guò)程控制邏輯如圖3所示。

2 加工活塞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析

實(shí)驗(yàn)采用同批次活塞，在不同實(shí)驗(yàn)條件下加工，用千分表檢測(cè)活塞大徑位置（檢測(cè)前先選用量塊，標(biāo)定千分表在該量塊尺寸下讀數(shù)為零），此時(shí)活塞的尺寸為千分表讀數(shù)與標(biāo)定量塊尺寸之和，為簡(jiǎn)化記錄與分析，記錄的活塞尺寸數(shù)據(jù)只是千分表讀數(shù)，單位為μm。將記錄下的千分表讀數(shù)做成活塞尺寸曲線(xiàn)圖，經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，影響加工工件尺寸變化的主要因素如下：①程序參數(shù)的設(shè)定帶來(lái)的誤差；②鋁板受溫度影響帶來(lái)的誤差；③切削徑向力帶來(lái)的誤差。

圖3 加工過(guò)程控制邏輯圖

2.1 程序參數(shù)的設(shè)定帶來(lái)的誤差

參數(shù)λ是指鋁板與彈簧板固定位置到電渦流傳感器檢測(cè)中心位置的距離C和鋁板與彈簧板固定位置

圖4 不同系數(shù)λ下加工得到的活塞尺寸數(shù)據(jù)

2.2 鋁板受溫度影響帶來(lái)的誤差

2.2.1 鋁板熱變形對(duì)刀尖影響帶來(lái)的誤差

該機(jī)床的刀架上安裝鋁板是為了減少由高速振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力，機(jī)床開(kāi)始加工時(shí)從室溫25℃升到恒溫35℃狀態(tài)，由于鋁板熱膨脹系數(shù)為22×10－6／℃，相對(duì)較大，所以鋁板熱變形是影響活塞加工誤差不可忽視的因素。測(cè)量刀尖到鋁板固定端距離b為70 mm，熱膨脹量ΔL的計(jì)算公式為：

其中：ΔT為溫度變化值，℃；α為熱膨脹率，℃－1；L為材料原始長(zhǎng)度。

已知溫度變化量為0℃～10℃，α＝22×10－6／℃，將已知參數(shù)代入式（1）可得刀具下降最大高度（ΔL）為70×22×10－6×10＝15μm。

刀具下降對(duì)外圓半徑的影響見(jiàn)圖5，其中，加工活塞半徑R為50 mm。

由圖5可知，半徑變化量為：

將下降最大高度和活塞半徑代入式（2），可知半徑變化量為0.002μm，影響到活塞尺寸變化極小，故可忽略不計(jì)。

圖5 刀具下降對(duì)外圓半徑的影響

2.2.2 鋁板熱變形對(duì)電渦流檢測(cè)面影響帶來(lái)的誤差

由于電渦流傳感器對(duì)鋁的感應(yīng)能力比較低，因此在檢測(cè)鋁板位置處粘貼一塊電渦流感應(yīng)強(qiáng)度高的鐵片，圖1中尺寸C即電渦流檢測(cè)中心到鋁板固定位置的距離，C＝105 mm，溫度ΔT變化范圍為0℃～10℃，將相關(guān)參數(shù)代入式（1），得電渦流初始檢測(cè)位置下降高度范圍為0μm～23μm，即在加工時(shí)電渦流檢測(cè)中心相對(duì)檢測(cè)鐵片位置在不斷上升。而系統(tǒng)的補(bǔ)償原理是消除刀架在X軸向熱變形誤差，并未考慮鐵片檢測(cè)面與傳感器端面的平行度和鐵片表面粗糙度對(duì)活塞尺寸誤差的影響。

為了驗(yàn)證鐵片檢測(cè)面與傳感器端面的平行度和鐵片的粗糙度帶來(lái)的影響，分別進(jìn)行修整鐵片前和修整鐵片后兩組實(shí)驗(yàn)（修整鐵片減小平行度和鐵片粗糙度），實(shí)驗(yàn)得到的平行度修整前、后活塞的尺寸數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6。從圖6可以看出：平行度修整前，隨加工時(shí)間的積累，活塞尺寸變化范圍在不斷加大，最后穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)；而平行度修整后的數(shù)據(jù)穩(wěn)定范圍比修整前小5μm左右。由此可知檢測(cè)面和傳感器端面的平行度和鐵片的粗糙度同樣是活塞尺寸誤差的影響因素，因?yàn)樵诖诉^(guò)程中平行度誤差將會(huì)使傳感器檢測(cè)距離減小，而刀尖位置沒(méi)變，此時(shí)系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生誤補(bǔ)償，從而產(chǎn)生誤差。

圖6 檢測(cè)面與傳感器端面平行度修整前、后活塞的尺寸數(shù)據(jù)

2.3 切削徑向力帶來(lái)的加工誤差

結(jié)構(gòu)中刀尖位移量與彈簧板變形量有關(guān)，而彈簧板變形量又受切削徑向力的影響，由于系統(tǒng)是加工前補(bǔ)償，因此切削徑向力是分析加工誤差所必須考慮的因素之一。由文獻(xiàn)［1］可知，單彈簧板撓度σ（m）的計(jì)算公式為：

其中：Fp為徑向切削力，N；E為材料的彈性模量，Pa；I為截面慣性矩，m4為板的厚度，b為板的寬度；l為板的長(zhǎng)度。

彈簧板受力為合力，但加工橢圓同一位置時(shí)，只有徑向力不確定，因此此處只考慮徑向力的影響。

測(cè)量彈簧板有效變形的尺寸l為16 mm，b為100 mm，h為5 mm，彈簧板材質(zhì)為合金彈簧鋼，E為206 GPa，將以上參數(shù)代入截面慣性矩公式和式（3），計(jì)算得：

主切削力Fc的計(jì)算公式為：

其中：CFc為取決于工件材料和切削條件的系數(shù)；αp為背吃刀量；f為進(jìn)給量 ；v為切削速度；KFc為主切削的修正系數(shù)；xFc，yFc，nFc均為計(jì)算指數(shù)。

已知αp為0.25 mm，f 為0.25 mm，v為1 200 r／min。查表并計(jì)算可得CFc為40，指數(shù)xFc，yFc，nFc分別為1，0.75，0，KFc＝0.634，將已知參數(shù)代入式（5）可得Fc＝22 N。

其中：K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，此處取K為0.4。

將相關(guān)參數(shù)代入式（6）計(jì)算得Fp＝88.8 N。

由于活塞要求的誤差范圍為20μm，由撓度公式（4）可推徑向力波動(dòng)范圍為±1.5 N，由式（6）可知主切削力的波動(dòng)范圍為±3.75 N，即主切削力在18.25 N～25.75 N間變化，將主切削力兩個(gè)波動(dòng)極值代入式（3），得精加工余量誤差在±43.5μm范圍時(shí)加工可靠。

3 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)表明，活塞尺寸誤差受補(bǔ)償系統(tǒng)程序參數(shù)的影響，不當(dāng)?shù)膮?shù)極易擴(kuò)大活塞加工誤差的范圍。

（2）由于被檢測(cè)面的加工和安裝導(dǎo)致被檢測(cè)面和傳感器端面呈一定角度，兩者的角度越大，加工活塞的尺寸誤差波動(dòng)范圍越大。

（3）同批次活塞精加工余量的波動(dòng)，導(dǎo)致刀架的徑向力發(fā)生變化，從而影響彈簧板的彈性變形量，由于系統(tǒng)是加工前補(bǔ)償，因此系統(tǒng)不能消除加工時(shí)徑向力帶來(lái)的誤差。

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