發(fā)動機缸套軸頸部滾壓裝置及其控制系統(tǒng)的設計

曾顯波，王文健

(1.青島港灣職業(yè)技術學院，山東 青島 266404)

(2.北京長城計量測試技術研究所,北京 100095)

發(fā)動機缸套軸頸部滾壓裝置及其控制系統(tǒng)的設計

曾顯波1，王文健2

(1.青島港灣職業(yè)技術學院，山東 青島 266404)

(2.北京長城計量測試技術研究所,北京 100095)

對發(fā)動機缸套軸頸部進行滾壓加工的意義和要求進行了探討，設計了一套滾壓結構與控制系統(tǒng)。通過機械結構與液壓伺服系統(tǒng)實現(xiàn)對滾壓工藝過程及滾壓力、滾壓圈數(shù)、滾壓速度等滾壓參數(shù)的精確控制，解決了缸套軸頸部滾壓實施過程中沒有合適監(jiān)控方法的問題，對發(fā)動機缸套的實際生產(chǎn)具有重要意義。

缸套頸部；滾壓裝置；控制系統(tǒng)；滾壓參數(shù)

發(fā)動機缸套是發(fā)動機的重要組成部件，是發(fā)動機的心臟零部件、燃燒室部件主體，也是易損件[1]。發(fā)動機工作時，發(fā)動機缸套頸部是主要受力部位之一，是發(fā)動機工作過程中受到應力(機械應力、熱應力)最集中的部位，同時因其軸肩部位是缸套結構設計中最薄弱的部位，易在上端面至軸肩退刀槽處產(chǎn)生疲勞失效而導致缸套出現(xiàn)裂紋甚至斷裂，進而導致發(fā)動機產(chǎn)生故障。隨著發(fā)動機向高壓、高速方向發(fā)展，需要解決的問題是如何利用有效手段，在盡量降低缸套生產(chǎn)成本的前提下，提高發(fā)動機缸套的使用壽命。

運用表面滾壓技術可提高金屬材料的疲勞強度。王海軍等[2]將這一技術應用到缸套滾壓試驗中，并總結出指導生產(chǎn)的工藝參數(shù)與效果評價等。王憲成等[3]建立了動載荷條件下的缸套磨損計算模型，對缸套滾壓試驗具有一定的參考意義。Rutecka A等[4]對相關材料進行了測試，找出了適合汽車發(fā)動機缸套的材料。覃正光[5]提出用R槽取代直槽并對槽口處進行滾壓，產(chǎn)生表面硬化層，從而提高其疲勞強度。綜合分析發(fā)現(xiàn)，對發(fā)動機缸套頸部采用R槽加工并進行滾壓操作，可有效提高發(fā)動機的安全性及使用壽命。

1 滾壓裝置的總體設計

1.1缸套滾壓加工技術要求

某型發(fā)動機缸套零件圖如圖1所示。

根據(jù)覃正光提出的用R槽取代直槽的設想，將傳統(tǒng)的缸套軸肩處退刀槽由直槽改為R槽，如圖1所示。切槽的加工和缸套軸頸部的滾壓是通過在數(shù)控機床上加裝控制裝置實現(xiàn)的，運用數(shù)控機床的相關功能，利用R型切槽刀完成切槽加工，隨后利用滾壓裝置完成滾壓加工。

缸套軸頸部滾壓參數(shù)如下：

a.滾壓壓力。

滾壓壓力是指滾輪施加到缸套軸頸部R槽處的壓力，其大小直接影響加工質(zhì)量。滾壓力過小，達不到表面強化要求；滾壓力過大，容易造成缸套變形。滾壓力大小應該根據(jù)缸套的材料、硬度、壁厚及發(fā)動機工作參數(shù)等情況綜合確定，實際加工過程中一般通過實驗或經(jīng)驗獲取其數(shù)值，也可通過對加工參數(shù)的優(yōu)選，計算獲得滾壓力值。

缸套軸頸處R槽的半徑為r，滾壓加工時滾輪的滾壓圓弧半徑一般取R槽半徑值的上限，使?jié)L輪圓弧盡量與R槽表面全部接觸。根據(jù)滾輪與R槽的等效接觸面積可理論計算出滾壓力P。假設滾輪滾壓圓弧半徑為r1，滾輪直徑為D1，滾輪位移進給量為δ，則施加到缸套上的滾壓力[1]：

式中：K為靜壓力提高系數(shù)，即最大等效應力σmax與最小抗拉強度σb的比值。

根據(jù)理論計算值，本文缸套軸頸部滾壓時要求滾壓力值為15kN±500N。

b.滾壓轉(zhuǎn)速。

滾壓轉(zhuǎn)速指滾壓時機床主軸轉(zhuǎn)速，即缸套轉(zhuǎn)速。滾壓時轉(zhuǎn)速不宜過快，過快容易造成振動或表面燒傷等；過慢會出現(xiàn)滾輪滯轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。根據(jù)經(jīng)驗，滾壓轉(zhuǎn)速選取區(qū)間一般為40～100r/min。本文缸套滾壓轉(zhuǎn)速設為40r/min，要求轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

c.滾壓圈數(shù)。

滾壓圈數(shù)是指滾輪壓過缸套軸頸處R槽中同一位置的次數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗，滾壓圈數(shù)一般為15～25圈，如繼續(xù)增加圈數(shù)則會產(chǎn)生接觸疲勞。本文中缸套滾壓圈數(shù)選取20圈，同時為了提高滾壓加工質(zhì)量，避免滾壓力的突增與突降對缸套產(chǎn)生的影響，滾壓力與滾壓圈數(shù)按照如圖2所示的滾壓曲線要求執(zhí)行。要求滾壓力在第0～6圈時勻速上升到15kN，并維持8圈(第7～14圈，力值要求15kN±500N)，在第15～20圈勻速下降到零。

1.2滾壓裝置控制方案

滾壓裝置的控制主要由液壓伺服系統(tǒng)執(zhí)行和完成，控制系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

液壓伺服系統(tǒng)的核心部件是控制器，由三菱可編程控制器(PLC)、GOT模塊(液晶觸摸屏)組成，主要功能是對控制信號進行接收、計算與發(fā)送等，實現(xiàn)對滾壓力的閉環(huán)控制，從而達到精確控制滾壓力與滾壓工藝要求的目的。通過觸摸屏可置入?yún)?shù)和工作方式，由顯示器顯示當前的滾壓力值、所轉(zhuǎn)圈數(shù)等信息。工作時，控制器接收傳感器檢測的信號并按照置入的控制程序進行運算，輸出換向與比例電壓信號，控制換向閥的方向與比例溢流閥的油液流量，實現(xiàn)輸出的壓力與缸套轉(zhuǎn)動圈數(shù)的曲線關系(如圖2所示)。

1.3滾壓裝置機械結構整體設計

滾壓裝置的機械結構部分主要由自行設計的機械臂和滾輪組成，通過機械臂將液壓缸與滾輪固定在機床上，液壓缸的位置與滾輪的角度可以微調(diào)。如圖4所示。

2 滾壓裝置工作控制原理

滾壓裝置包括臥式數(shù)控車床和液壓伺服系統(tǒng)及安裝有液壓缸與滾輪的機械臂。工作時，先利用數(shù)控車床進行R角切削加工，然后液壓伺服系統(tǒng)控制伺服閥驅(qū)動安裝在機械臂上的油缸使其帶動滾壓輪運動，當滾壓輪接觸工件后，壓力傳感器與轉(zhuǎn)速傳感器開始檢測信號，并傳輸?shù)娇刂破鲀?nèi)，控制器內(nèi)置的控制程序按照給定的數(shù)據(jù)和檢測得到的轉(zhuǎn)速、滾壓力、轉(zhuǎn)動圈數(shù)等參數(shù)進行運算，輸出控制信號控制比例溢流閥，調(diào)節(jié)油缸壓力以控制滾壓力與缸套轉(zhuǎn)動圈數(shù)符合曲線要求。加工過程中液壓伺服系統(tǒng)能很好地實現(xiàn)滾壓力曲線自動控制，自動化程度高，無需人工干預。

2.1機電系統(tǒng)控制原理及流程

機電系統(tǒng)控制的主要內(nèi)容為液壓缸的進給與回退，以及使液壓力與缸套、轉(zhuǎn)動圈數(shù)符合曲線要求。操作人員向控制器輸入指令，控制器發(fā)出換向信號，驅(qū)動液壓缸運動，同時接收傳感器檢測到的信號，并按照置入的控制程序計算數(shù)據(jù)，將計算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電壓信號發(fā)向順序控制閥與比例溢流閥，控制閥芯動作，通過滾壓力與轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制實現(xiàn)機電系統(tǒng)的運動。其控制原理與流程如圖5所示。

液壓系統(tǒng)是實現(xiàn)滾壓曲線的關鍵部分，由油箱、比例溢流閥、換向電磁閥、順序閥、恒壓變量泵、電動機、濾油器、高壓軟管、液位計等組成。

其基本工作原理為：由恒壓變量泵提供工作壓力，開始工作時，換向電磁閥打開，活塞桿帶動測力傳感器前進；滾輪接觸工件后，由D/A輸出電壓控制比例溢流閥的出口壓力，以控制滾壓曲線。滾壓完成后，反向電磁閥打開，活塞桿退回，完成一次滾壓操作。其系統(tǒng)工作原理圖如圖6所示。

3 滾壓裝置關鍵部件結構設計

3.1液壓缸的設計

滾壓時必須保證滾輪不得有軸向轉(zhuǎn)動，因此液壓缸的活塞桿必須安裝導向機構。

a.液壓缸結構設計。

液壓缸的結構如圖7所示。

b.液壓缸活塞直徑的確定。

晚上陶小西的爸媽見到溫衡都很高興，特意買了周老五家的老鴨湯，四個人坐在客廳像家人一樣有說有笑，但老鴨湯的香味卻熏得陶小西眼眶泛紅。從前，她跟爸爸也很喜歡吃這家老鴨湯，每周爸爸不出海的日子，他們都會去買一鍋來，父女二人跟奶奶圍著一鍋湯吃得很酣暢淋漓。那樣的幸福和溫暖，已經(jīng)離她好遠好遠了。

為減小噪聲和液壓系統(tǒng)的體積，設定液壓系統(tǒng)工作時的最高壓力為5MPa，則活塞產(chǎn)生的最大力F為：

式中：p為液壓系統(tǒng)壓力；D為活塞直徑。

因此，為了提供15kN的滾壓力，活塞直徑D為：

考慮到摩擦損失和標準化要求，取活塞直徑D=80mm，活塞桿直徑為38mm。

3.2缸套夾具設計

受到裝夾力與滾壓力的作用，缸套滾壓過程中易產(chǎn)生變形，同時考慮裝夾的方便性和定位精度的準確性，必須設計專用夾具進行裝夾。缸套專用機床夾具采用脹套結構，由芯軸、彈簧套筒、錐形套、螺桿、螺母等構成。其結構圖如圖8所示。

裝夾時將工件裝夾在彈簧套筒上，擰緊螺母，螺桿帶動錐形套向里移動，芯軸及錐形套的斜面將彈簧套筒向外擴張，從而撐緊工件，簡單方便地實現(xiàn)對發(fā)動機缸套的固定。

4 結束語

汽缸體頸部滾壓硬化技術作為一種經(jīng)濟有效的提高缸套疲勞強度的手段已經(jīng)得到廣泛應用。本文詳細介紹了一種可以對滾壓工藝參數(shù)精確控制的加工裝置及控制方式。根據(jù)缸套頸部滾壓的工藝參數(shù)設定滾壓曲線，控制裝置能有效地實現(xiàn)滾壓力曲線自動控制，此設計方案對發(fā)動機缸套的實際生產(chǎn)具有重要指導意義。(論文內(nèi)容已經(jīng)申請發(fā)明專利，受理號：201510056785.9)

[1] 袁志敏，徐涵秋. 發(fā)動機汽缸套失效的幾種形式及其成因[J].四川農(nóng)機, 2008(6):36-38.

[2] 王海軍，高廣軍. 發(fā)動機汽缸套深滾壓強化處理技術研究[J].內(nèi)燃機與配件, 2014(3):17-20.

[3] 王憲成, 劉冰,孫耀文,等. 車輛發(fā)動機缸套磨損計算模型[J]. 柴油機, 2014(4):23-26.

[4]RuteckaA,KowalewskiZL,PietrzakK,etal.Creepandlowcyclefatigueinvestigationsoflightaluminiumalloysforenginecylinderheads[J].Strain, 2011, 47(SUPPL. 2):374-381.

[5] 覃正光. 滾壓技術在汽缸套加工中的應用[J].內(nèi)燃機與配件,1995(2)：23-26.

Design of rolling device and its control system for engine cylinder liner axis neck

ZENG Xianbo1, WANG Wenjian2

(1.Qingdao Harbour Vocational and Technology College, Shandong Qingdao, 266404, China)

(2.Beijing Great Wall Institute of Measurement and Testing Technology, Beijing, 100095, China)

Based on the discussion for the significance and requirements of rolling processing on engine cylinder liner axis neck, it proposes a set of roller structure and control system. Using the mechanical structure and hydraulic servo system, it designs the control system for the rolling process and the parameters such as rolling pressure, rolling speed, rolling turns and rolling parameters accurately. This provides the appropriate monitoring method in the process of implementation, is of great significance for the actual production of engine cylinder liner.

cylinder neck; rolling device; control system; rolling parameters

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.04.018

2015-02-12

曾顯波(1978—)，男，山東青島人，青島港灣職業(yè)技術學院講師，碩士，主要從事機械制造及自動化相關領域的工作。

TK403

A

2095-509X(2015)04-0077-04