基于電控單體泵柱塞孔的珩磨加工裝夾方案優(yōu)化*

李晨光，蘇鐵熊，張艷崗，郭巨壽，趙亞波

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051；2.北方通用動(dòng)力集團(tuán)有限公司，山西 大同 037036)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代柴油機(jī)的加工精度越來(lái)越高，這就導(dǎo)致了其內(nèi)部關(guān)鍵部件單體泵柱塞孔精加工要求的提高。由此，珩磨工藝逐漸發(fā)展起來(lái)。珩磨是一種面接觸磨削工藝，相較于其他的磨削工藝，它加工精度高、表面質(zhì)量好、應(yīng)用范圍廣、切削效率高，是一種優(yōu)秀的精加工手段。目前，很多企業(yè)與工廠都選用珩磨進(jìn)行機(jī)械表面精加工。然而，由于缺乏理論上的指導(dǎo)及技術(shù)上的漏洞，國(guó)內(nèi)珩磨裝夾工藝在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)依然保持在靠以往的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上來(lái)研究，其結(jié)果并不科學(xué)可靠。因此，國(guó)內(nèi)大量學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究：薛慶恩等[1]對(duì)柴油機(jī)搖臂內(nèi)孔的珩磨夾具進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究；王謙[2]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔珩磨時(shí)夾具對(duì)形狀精度的影響進(jìn)行了研究；中北大學(xué)的史麗媛、祝錫晶團(tuán)隊(duì)[3]設(shè)計(jì)了一種發(fā)動(dòng)機(jī)缸套專用的超聲振動(dòng)珩磨夾具；樊永彬等[4]研究了不同尺寸的珩磨油石對(duì)珩磨頭效率的影響情況；許彪[5]對(duì)珩磨力的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建進(jìn)行了研究；張艷崗等[6]對(duì)切削加工中的軌跡進(jìn)行了數(shù)值模擬分析；顧蘇怡等[7]研究了珩磨油石制備及選用的發(fā)展?fàn)顩r；楊云江，張斌，楊立等[8-10]分別就各自不同的學(xué)科方向，對(duì)珩磨的數(shù)控仿真、工藝優(yōu)選、網(wǎng)紋質(zhì)量進(jìn)行了深入的學(xué)習(xí)與研究。

綜上所述，珩磨加工工藝的研究已相對(duì)成熟，相關(guān)領(lǐng)域還有待進(jìn)一步探索。研究通過(guò)對(duì)柴油機(jī)內(nèi)關(guān)鍵部件—單體泵柱塞孔進(jìn)行分析，基于Abaqus軟件，對(duì)其裝夾方案進(jìn)行對(duì)比，探討其應(yīng)力應(yīng)變情況，最后基于珩磨加工仿真模擬，優(yōu)選珩磨裝夾方式。

1 柱塞孔珩磨機(jī)理與變形分析

1.1 柱塞孔珩磨機(jī)理

電控單體泵是用于產(chǎn)生噴油器(或噴射器)的噴射壓力裝置。由于內(nèi)含復(fù)雜的燃油噴射系統(tǒng)，其內(nèi)部關(guān)鍵部件—柱塞孔的加工和工作情況就非常重要。因此，采用高效高精度的珩磨是一種行之有效的加工方法。

如圖1所示，柱塞孔珩磨的機(jī)理是利用裝夾在珩磨頭周圍的數(shù)根油石條，在漲開(kāi)機(jī)構(gòu)的作用下徑向微量進(jìn)給，使油石條壓向柱塞孔孔壁。與此同時(shí)，珩磨頭開(kāi)始做旋轉(zhuǎn)和往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)孔表面逐步進(jìn)行低速磨削和摩擦拋光。因?yàn)橛褪瘲l每一行程都會(huì)錯(cuò)開(kāi)一個(gè)角度，內(nèi)孔表面在油石磨粒的切削作用下會(huì)產(chǎn)生交叉且不重復(fù)的網(wǎng)紋，這有助于柱塞孔的儲(chǔ)油潤(rùn)滑和穩(wěn)定工作。

圖1 柱塞孔珩磨示意圖

1.2 珩磨變形分析

1.2.1 切削力產(chǎn)生的變形

(1)變形原因

在單體泵柱塞孔的珩磨過(guò)程中，油石刀具在徑向旋轉(zhuǎn)切削、軸向往復(fù)切削和徑向施加壓力形成加工余量時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生各種力的接觸，進(jìn)而造成工件的應(yīng)變；油石與柱塞孔內(nèi)壁之間存在著摩擦，為了克服這些摩擦，內(nèi)壁也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形。而這些形變量的大小直接取決于裝夾方式的優(yōu)劣。

(2)影響因素

珩磨切削力的大小主要取決于切削中磨粒嵌入工件表面的深度及切除這一部分金屬所需的力。而影響嵌入量及切除難易的因素又有很多，如進(jìn)給力、油石面積、裝夾方式、被加工零件的珩前狀況及材質(zhì)、油石的磨料、硬度、組織、切削液性能和機(jī)床的工藝參數(shù)等。

1.2.2 殘余應(yīng)力產(chǎn)生的變形

(1)產(chǎn)生原因

殘余應(yīng)力是指當(dāng)工件沒(méi)有承受外載荷時(shí)，工件在自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)作用力的作用下達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力。產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因有很多，大致分為三種：不均勻塑性變形、殘余熱應(yīng)力、材料性能改變。這在珩磨過(guò)程中是經(jīng)常存在的，因此殘余應(yīng)力不可避免。

(2)影響方式

珩磨加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，會(huì)使工件表面產(chǎn)生形變。孟龍暉等[11]通過(guò)用X射線衍射的測(cè)量方式，結(jié)合有限元方法(FEM)，得出了內(nèi)孔殘余應(yīng)力的應(yīng)變與壓力影響曲線。該研究表明，當(dāng)處于工作狀態(tài)時(shí)，殘余應(yīng)力和外界載荷會(huì)交叉作用；如果存在疊加效應(yīng)且疊加后應(yīng)力達(dá)到極限水平，工件將產(chǎn)生塑性變形。一旦形成塑性變形，工件在使用中的有效截面積減小，工件的硬度、耐腐蝕性等會(huì)受到較大影響。綜上所述，必須采用合理的裝夾方式以限制外載荷過(guò)載，減少殘余應(yīng)力的間接作用。

1.2.3 夾具產(chǎn)生的變形

(1)變形原因

在單體泵柱塞孔的珩磨過(guò)程中，由于機(jī)床存在誤差，且刀具給定的壓力有穩(wěn)定性的問(wèn)題，無(wú)論是將通孔或盲孔的端面加以?shī)A裝固定，還是在孔的圓周四面加以固定，在油石旋轉(zhuǎn)進(jìn)給與往復(fù)的過(guò)程中，都不可避免的會(huì)產(chǎn)生變形與應(yīng)力變化。這些變化在卸載夾具之后會(huì)明顯的呈現(xiàn)出來(lái)。因此，夾具體的好壞，對(duì)于整個(gè)工藝流程的進(jìn)展，有至關(guān)重要的作用。

(2)理論分析

1)由于通孔的結(jié)構(gòu)比盲孔簡(jiǎn)單規(guī)整，加工過(guò)程中穩(wěn)定性要好一些，因此盲孔的變形應(yīng)該會(huì)比通孔大些；

2)由于零件較長(zhǎng)，端面固定會(huì)影響到中間段的穩(wěn)定度，因此端面固定的變形應(yīng)該會(huì)比圓周固定大些。

1.2.4 總結(jié)

綜上所述，裝夾方案的選擇在限制工件變形上起到了至關(guān)重要的作用。從理論上分析，先將單體泵加工成通孔(噴油管道可以先加工出來(lái))，然后采用圓周夾緊方式固定；選取速度和壓力后，確定總加工余量，進(jìn)而采取先粗珩后精珩的方法，每步的加工余量從多到少；另外，為了確保殘余應(yīng)力的降低和卸載，應(yīng)選取適當(dāng)摩擦系數(shù)的油石刀具和與之相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定的有排屑功能的夾具。只有這樣，單體泵泵體的加工工藝質(zhì)量才能得到保證。

2 珩磨裝夾模型建立

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求，在單體泵內(nèi)部，柱塞孔與高壓油道連接，且有特定夾角。實(shí)驗(yàn)利用三維建模軟件，建立了圖2所示的單體泵模型。然后，將其導(dǎo)入有限元軟件中，建立相關(guān)的裝夾模型，進(jìn)行仿真分析。

圖2 單體泵模型

仿真前，采用有限元分析方法模擬裝夾方式，對(duì)單體泵柱塞孔這部分進(jìn)行了抽取，設(shè)計(jì)了四種不同的裝夾方案來(lái)進(jìn)行珩磨模擬切削仿真，分別是：通孔端面固定、通孔圓周固定、盲孔端面固定、盲孔圓周固定。

表1 裝夾方式示意圖

對(duì)于計(jì)算的結(jié)果，首先，將各個(gè)方案的應(yīng)力云圖提取出來(lái)，找到應(yīng)力云圖中薄弱的環(huán)節(jié)進(jìn)行觀察，然后檢查最大應(yīng)力的部位對(duì)柱塞孔的影響程度；其次，提取了夾具反力，借此考察其殘余應(yīng)力的大小以及變化情況；最后，提取了各個(gè)截面的直線度、圓度以及圓柱度，觀察其內(nèi)壁變形情況。最后，綜合選擇哪種裝夾方式更為優(yōu)秀。

3 珩磨有限元仿真分析

如表2所示，根據(jù)工廠的實(shí)際生產(chǎn)條件，選取了5種珩磨工藝，并優(yōu)選了方案4作為邊界條件來(lái)進(jìn)行夾具方案的優(yōu)選。

表2 不同工藝方案的詳細(xì)參數(shù)

首先，在后處理可視化中將模型沿軸線方向截開(kāi)。觀察內(nèi)孔表面狀態(tài)，如表3所示。

表3 應(yīng)變與反力

表3中左圖表示的是柱塞孔內(nèi)壁加工后的應(yīng)力變形情況。由圖可知，當(dāng)孔型相同時(shí)，端面固定應(yīng)力值較大，分布面積也大；圓周固定應(yīng)力值較集中，只是很少一部分受力較大，且有些受力較大的部分已被珩掉，不在變形范圍內(nèi)。當(dāng)裝夾方式相同時(shí)，通孔結(jié)構(gòu)較規(guī)整，相對(duì)盲孔而言，受力更均勻，殘余應(yīng)力也較小。

右圖表示柱塞孔在珩磨過(guò)程當(dāng)中受到的反力在x、y、z三個(gè)方向上隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。由圖可知，開(kāi)始加工時(shí)，油石對(duì)材料的沖擊效果使得x方向上受力較大；通孔圓周固定受到的支反力最小，約為287N。當(dāng)孔型相同時(shí)，在軸向(z)方向上，端面固定受力比圓周固定要大，且隨著時(shí)間推移，圓周固定明顯比端面固定穩(wěn)定。當(dāng)裝夾方式相同時(shí)，通孔受力比盲孔更加均勻。因此，初步確定選擇通孔圓周固定進(jìn)行加工。

(a) 直線度 (b) 圓度圖3 path方法采點(diǎn)軌跡

其次，采點(diǎn)取軌跡，測(cè)量模型的直線度與圓度：選取模型外圓最上端節(jié)點(diǎn)測(cè)量以代表直線度；選取外孔最外端邊上節(jié)點(diǎn)測(cè)量以代表圓度。由于選取的是外圓端口路徑測(cè)量，除孔口外，各截面的圓度相對(duì)保持較好，所以圓柱度主要是受到孔口圓度的影響[2]。因此，只要保證柱塞孔孔口的圓度即可保證其圓柱度?；诖耍緦?shí)驗(yàn)就以圓度代表圓柱度，采點(diǎn)軌跡如圖3所示。測(cè)試結(jié)果如表4所示。

由圖可得，在直線度上，圓周固定由于路徑選取經(jīng)過(guò)了其中兩個(gè)夾具的固定位置，所以呈“雙凹形”；盲孔端面固定由于僅固定了孔口，未固定盲孔端，因此其直線度非常不好，切削過(guò)程中產(chǎn)生很大偏移，不建議選擇。在圓度和圓柱度上，端面固定由于兩個(gè)夾具限制位移，所以也呈“雙凹形”。

從整體觀察，圓周固定形位公差較小，而且有規(guī)律可循，且珩磨加工應(yīng)選擇通孔這種規(guī)則且排屑容易的孔型才更穩(wěn)定高效。所以，優(yōu)選通孔圓周固定裝夾方案。

最后，對(duì)以上仿真數(shù)據(jù)結(jié)果做了提取及匯總，如表5所示。對(duì)比仿真分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)通孔圓周固定為最優(yōu)加工工藝方案。本方案優(yōu)選的結(jié)果可為后續(xù)的珩磨加工試驗(yàn)提供理論指導(dǎo)，同時(shí)可通過(guò)試驗(yàn)加工來(lái)驗(yàn)證理論研究的可靠性和有效性。

表4 直線度與圓度變化對(duì)比圖

表5 仿真結(jié)果

從以上曲線圖的變化和提取的數(shù)據(jù)可以看出，無(wú)論采取何種裝夾方案，珩磨工藝在精度高的同時(shí)又有好的穩(wěn)定性，是一種優(yōu)秀的機(jī)械精加工方法，有極強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 結(jié)論

內(nèi)孔珩磨加工技術(shù)有效率高、精度高的優(yōu)點(diǎn)。研究以電控單體泵柱塞孔為對(duì)象，對(duì)珩磨加工裝夾方案進(jìn)行了理論變形分析和工藝仿真優(yōu)選，主要結(jié)論如下：

(1)針對(duì)單體泵柱塞孔加工環(huán)境和工作條件的不同，文中分析了其特定的珩磨加工機(jī)理及變形方式，這可以為柱塞孔珩磨工藝試驗(yàn)驗(yàn)證提供理論指導(dǎo)；

(2)由于材料屬性設(shè)置困難、動(dòng)力顯式求解后處理復(fù)雜、材料去除迭代計(jì)算量龐大等，珩磨加工的仿真過(guò)程一直是有限元分析的難題。文中研究所施加的邊界條件以及參考點(diǎn)耦合的簡(jiǎn)化裝夾方式等都可以為相關(guān)的珩磨加工仿真提供參考；

(3)利用有限元后處理中的path方法可以準(zhǔn)確提取出珩磨加工后的直線度、圓度以及圓柱度。文中以直線度、圓度以及圓柱度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)四種不同的珩磨裝夾方案進(jìn)行了優(yōu)選。研究表明，在單體泵柱塞孔珩磨加工中，圓周裝夾方式要比端面更加穩(wěn)定和可靠，通孔加工比盲孔加工變化要更小，因此，試驗(yàn)應(yīng)優(yōu)選通孔圓周固定進(jìn)行加工生產(chǎn)。這與之前的變形理論分析一致，也為下一步試驗(yàn)驗(yàn)證工作的開(kāi)展提供了理論指導(dǎo)。

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