中凸變橢圓活塞曲面的造型與加工

石社軒 鄧 曉

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 柔性制造河南省工程實驗室,河南 南陽473009)

1 問題的提出

中凸變橢圓曲面是柴油機活塞裙部理想的型面,中凸曲面形狀復(fù)雜、加工難度大,傳統(tǒng)的是靠模加工一種靠模只能適用于一種曲面,不利于多品種、多尺寸的活塞的加工；專用的活塞加工機床能夠快速加工活塞,但是專用設(shè)備的成本較高,用通用設(shè)備加工,適應(yīng)性好,但用時較多。

隨著智能加工技術(shù)的發(fā)展,生產(chǎn)多種產(chǎn)品的柔性生產(chǎn)線會越來越普及,發(fā)動機活塞的柔性生產(chǎn)也成為一種加工方式,本文研究中凸變橢圓曲面的五軸數(shù)控加工的可行方法。

2 方案綜述

五軸加工中心以其良好的加工特性而應(yīng)用于復(fù)雜型面的加工,加工中心和普通機床組合方式,以五軸加工中心為核心組成的柔性化生產(chǎn)線,能夠充分發(fā)揮普通機床和加工中心的作用,實現(xiàn)活塞中凸變橢圓曲面的加工,可以生產(chǎn)多種批次和多品種的活塞零件。

本項目研究活塞橢圓曲面的五軸數(shù)控加工的可行性,具體技術(shù)方案是分析活塞裙部特征,選擇典型的裙部橢圓尺寸段,運用有限元法進行分析模擬,完成曲面造型,利用UG 生成機械加工工藝,運用五軸進行零件關(guān)鍵部位加工。

3 方案實施

3.1 活塞特征段的選擇

6110 柴油機是我國自主研發(fā)的柴油機,廣泛應(yīng)用于大型客車上,6110 型發(fā)動機的活塞(簡稱“活塞”)公稱直徑為110mm,活塞主視圖(部分) 見圖1,活塞裙部是典型的中凸橢圓曲面,裙部直徑尺寸沿高度方向變化,呈現(xiàn)上小下大的特點,裙部的橢圓度同樣沿裙部高度方向在變化,有三個典型的橫截面的控制點的尺寸,該活塞是中凸變橢圓活塞的典型的代表。

圖1 活塞主視圖

如圖1 所示,D2段上方的部分和D3下部的一部分,有活塞環(huán)槽和倒角,活塞裙部外圓被銑掉一部分,橢圓曲面特征不夠突出,鑒于本課題研究活塞裙部橢圓曲面的加工。因此,取D2到D3段作為研究對象。

根據(jù)活塞設(shè)計的控制尺寸要求,D2和D3之間的活塞橢圓曲面沿軸線方向分為10 段,見圖1。

3.2 活塞裙部橢圓橫截面特征點半徑計算

根據(jù)活塞零件圖,活塞部分特征位置D2、D3處橢圓的橢圓度的尺寸如圖2 所示。該段的造型方法是:D2到D3中間的實體,分為10 段,有11 個控制截面,每個位置選一個截面,每個截面上選36 個均布的特征點,參照圖2 和圖3 給定的橢圓度尺寸和圖1 右側(cè)提示的橢圓度計算方法,計算出每個截面特征點的半徑數(shù)值。除D2和D3截面以外,其余截面的橢圓度按照直線插入的方法進行計算,計算公式是:

圖2 活塞橢圓度尺寸教育教育

圖3 活塞曲面造型圖

Rф(x)=R90(x)-(ρф2-ρф3)*(x/48)

其中,Rф(x)為截面與D2距離為x,直徑線與活塞銷中心線成ф 夾角的點半徑。

R90(x)為截面與D2距離為x,直徑線與活塞銷中心線成90度夾角的點半徑,即橢圓的大徑。

ρф2為D2橢圓上對應(yīng)點的橢圓度,

ρф3為D3橢圓上對應(yīng)點的橢圓度。

計算后部分控制點的半徑尺寸見表1。

表1 活塞相應(yīng)截面的尺寸對比

3.3 基于UG 的曲面造型與加工

3.3.1 依照表1 給出的橫截面上點的尺數(shù)值,在相關(guān)軟件上(CAD 或者UG)擬合出橢圓,其后將截面擬合成為橢圓曲面包括的實體運用放樣命令,選十一個和軸線平行的特征點為連線為路徑,進行掃略,擬合成為圖3 所示的橢圓柱形實體。

3.3.2 UG 編程,形成加工工藝,進行工藝設(shè)計和優(yōu)化。

3.3.3 在機床上完成相應(yīng)的加工,材料為鋁合金圓柱形材料,原始尺寸直徑115mm,加工設(shè)備為DMU50。

4 檢測結(jié)果與分析

用雷頓三坐標檢測儀進行檢測,考慮到雷頓三坐標檢測儀的檢測范圍,檢測時,截面位置選擇長軸0 度、30 度、60 度、90度位置。每個位置處距上裙距離0-48 共11 點進行測量,檢測結(jié)果見表1。

5 結(jié)論

本項目以活塞的橢圓曲面加工為目標,運用有限元法結(jié)合CAD 和UG 技術(shù)完成活塞橢圓曲面的造型,并運用五聯(lián)動數(shù)控機床實現(xiàn)活塞橢圓曲面的加工。

根據(jù)表1 的檢測結(jié)果,此種方法能夠完成活塞橢圓曲面的加工,在加工設(shè)備充足完善的前提下,該方案能夠加工符合技術(shù)要求的產(chǎn)品,雖然與專用設(shè)備相比,加工時間(28 分鐘)會長一些。但由于其設(shè)備柔性好,能很好的適應(yīng)小批量,多品種加工的特點,是柔性生產(chǎn)線的可行方案。

在實際的加工過程中,還存在粗糙度不穩(wěn)定和活塞的輪廓度不易保證的問題,需要進一步的優(yōu)化,比如可以嘗試在造型完成后,用Powermill 進行加工編程等。