非圓活塞車削加工技術(shù)現(xiàn)狀研究

薛笑運 白金柯

摘要：活塞是內(nèi)燃機的主要組成部分，為了減少因為熱變形原因活塞在運動過程中出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，必須在低溫條件下將活塞裙制成特定形狀，即非圓狀，并慢慢將非圓活塞來取代傳統(tǒng)的圓柱形活塞。本文分析了當前我國非圓活塞外圓車削的加工方法以及活塞結(jié)構(gòu)，并闡述了國內(nèi)研究現(xiàn)狀和已取得的研究成果。最后指出異形外圓車削技術(shù)的發(fā)展方向及目前存在的不足，希望為有關(guān)的從業(yè)者提供幫助。

關(guān)鍵詞：非圓活塞;異形外圓車削;內(nèi)燃機

中圖分類號：TG51? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0099-02

0? 引言

內(nèi)燃機是燃料在汽缸內(nèi)燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓氣體推動活塞做功的一種機械，其中活塞在運動過程起到關(guān)鍵作用。汽缸工作時局部溫度高達2000 ℃，活塞在高溫下往復(fù)運動極易變形并造成缸體磨損，導(dǎo)致機油泄漏到燃燒室，因此，做好活塞形狀設(shè)計尤為重要。通常把活塞設(shè)計為非圓形，工作受熱后，其裙部變?yōu)閳A柱形，能減少與缸體的摩擦，延長工作壽命。非圓活塞的結(jié)構(gòu)如圖1所示。與傳統(tǒng)的鑄造、磨削加工等相比，車削加工擁有較高的安全技術(shù)，是機械制造行業(yè)中使用最為廣泛的加工方式之一。多年來，非圓活塞等零件的車削加工技術(shù)的研究取得了較大的進步，但在實際應(yīng)用場景中，還存在諸多待解決的難題。

1? 非圓活塞車削加工方法研究

由于非圓活塞復(fù)雜的外形結(jié)構(gòu)和高精度的使用要求，采用車削的方式加工活塞效率較高。早期典型的車削加工方法有機械運功合成加工法和靠模仿形法。隨著計算機技術(shù)、數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控加工法逐漸取代前兩種加工法成為主流。

1.1 機械運動合成法

機械運動合成法通過機械結(jié)構(gòu)的移動來生成路徑以供車削運動，依照機械結(jié)構(gòu)活動路徑的區(qū)別，可以分為套車法、偏心法和周轉(zhuǎn)輪系法等[1]。套車法利用了圓柱體的非正交截面為橢圓形的原理。目前，我國大連組合機床開發(fā)出的ZHS-173立式單軸套車床就是使用套車法：工件周圍車刀環(huán)繞并以極高的速度往復(fù)旋轉(zhuǎn)形成主切削運動，在回轉(zhuǎn)中，工件會跟刀具產(chǎn)生固定角度的夾角，并且會順著工件的軸線方向遞進。套車法的使用較為單一，只能對標準橢圓截面的零件實施加工。

偏心法是通過偏心運動機構(gòu)使刀具有了進行切向運動時所需要運動的軌跡，一般由凸輪機構(gòu)、曲柄連桿機構(gòu)等組成偏心運動機構(gòu)。

周輪轉(zhuǎn)系法使用的是行星輪機構(gòu)，是通過行星輪和工件在同軸的旋轉(zhuǎn)，加工出所需的各種不規(guī)則形狀的外圓零件。

通過使用專門的機床來實現(xiàn)不規(guī)則形狀的外圓零件車削加工的目的就是機械運動的合成法。這種方法的優(yōu)點是：加工的精度比較高，可以高效率的生產(chǎn)，很適合工廠的大量生產(chǎn)。缺點是：每種類別的異形外圓零件只能被同類別的一種機床所加工，且柔軟性較差，不能夠滿足多類別小量生產(chǎn)的需求。

1.2 靠模仿形法

靠模仿形法生產(chǎn)所需的表面形狀，是由靠?？刂频墓ぜc車刀產(chǎn)生相對的運動軌跡所形成的。靠模仿形法通過形狀區(qū)分可以分為兩類，分別為立體靠模仿形法與平面靠模仿形法。平面靠模仿形法在工廠里的使用較多，通過凸仿形結(jié)構(gòu)來對活塞裙部中的凸性線進行加工;通過使用變杠桿比凸輪仿形機構(gòu)來加工橢圓形產(chǎn)品;一些工廠中的斜面仿形后刀架通常用來加工活塞的頭部。立體靠模仿形法在我們國家的沈陽機床廠所制造的SI-240B型活塞外圓車床得到了充分的展示，如圖2中所示：車床主軸和主軸上裝卡的轉(zhuǎn)動是保持同步的，靠模與活塞接連在一起，機械仿形機構(gòu)使車刀與靠模的形狀軌跡相同，從而可以通過機床一刀將活塞異形外圓直接加工出來?；钊谱鞒鰜淼漠愋瓮鈭A跟立體靠模制作出來的異形外圓看上去十分相像，但又不完全相同。仿形機構(gòu)會有響應(yīng)滯后的特性，立體靠模則會根據(jù)這個來做一定程度的改正。數(shù)控磨削的方法通常使用在立體靠模中。

靠模型法與機械運動的合成法對比：其優(yōu)點是適合多種的活塞進行加工，加工的范圍很廣，面對不同種類的活塞零件，只需要更換成相對應(yīng)的靠模就可以進行加工?？磕Ｐ头▽?fù)雜截面形狀的活塞也同樣能加工，比如非標模型的截面;缺點是加工的精度不高，因為里面所用的仿形機構(gòu)太多了，所以每個環(huán)節(jié)易出現(xiàn)裝配誤差，以及設(shè)備剛性對整個加工精度會有不小的影響;生產(chǎn)預(yù)備期偏長，每當更換活塞的類別時，都需要重新測量活塞尺寸，設(shè)計并且制造相對應(yīng)的靠模。

1.3 數(shù)控加工法

數(shù)控車床加工又被業(yè)界人士稱之為“軟靠?！奔庸?，是將活塞外形的各項數(shù)據(jù)通過編程輸入到計算機中，由計算機控制車床進行加工，直接加工出所需要的活塞外圓形狀[2]，如圖3所示。由于數(shù)控加工具有提高加工生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)點，因此，大部分國家都在數(shù)控活塞車床領(lǐng)域投入了大量精力，且頗有成效，如：美國的PTM-3000型數(shù)控活塞車床;日本的BL9非圓形數(shù)控活塞車床。國內(nèi)的多所一流院校也都陸續(xù)投入精力研究數(shù)控活塞

車床。

數(shù)控車床加工方法相比機械運動合成法、靠模仿形法具有很多優(yōu)點，如：因其主軸轉(zhuǎn)速高，所帶來的加工速度快，生產(chǎn)效率高，加工外形的精準度高等;加工類型多，能夠?qū)κ忻嫔铣Ｒ姷母鞣N活塞零件異形外圓進行加工，對小批量、差異化零件的自動化生產(chǎn)尤為擅長，只需要改變輸入計算機的參數(shù)就可以改變加工零件的型號;加工出來的零件精準度誤差不超過2μm。但數(shù)控活塞車床的造價太高，不能大批量的應(yīng)用推廣，這是其最大的缺點。

2? 當前國內(nèi)活塞設(shè)備加工技術(shù)現(xiàn)狀

技術(shù)發(fā)展至今，國內(nèi)的活塞加工廠商們使用頻率最高的活塞型面生產(chǎn)方法主要包括立體靠模仿形法和數(shù)控加工法兩種?；钊善分杏?0%是用立體靠模車床加工的，而剩下的10%是用數(shù)控活塞車床生產(chǎn)。雖然立體靠模車床在生產(chǎn)速度和產(chǎn)品質(zhì)量上都劣于數(shù)控活塞車床，但是立體靠模車床的投資成本要遠小于數(shù)控活塞車床，所以在今后的相當長一段時間內(nèi)，立體靠模車床的地位還不會被數(shù)控活塞車床所取代。結(jié)合以上數(shù)據(jù)，在我國的活塞加工制造產(chǎn)業(yè)中，立體靠模車床的作用主要是在生產(chǎn)車間來大量加工生產(chǎn)活塞產(chǎn)品，而數(shù)控活塞車床則應(yīng)用于研究機構(gòu)進行活塞生產(chǎn)的技術(shù)研究與開發(fā)。

從活塞加工車床的發(fā)展可以知道，異形非圓柱車削加工技術(shù)的發(fā)展方向主要集中在以下兩點：第一種是數(shù)控技術(shù)在車削加工中的應(yīng)用，即數(shù)控車床在設(shè)定好的數(shù)控程序下直接加工活塞。自20世紀末以來，我國許多科研機構(gòu)和制造商都進行了計算機數(shù)字控制機床（Computerised Numerical Control Machine，CNC）活塞車床的開發(fā)。其中，研究和開發(fā)集中在誤差較小的微進給機構(gòu)上，并且大多數(shù)微進給機構(gòu)都使用電磁驅(qū)動的線性電動機。第二種是立體靠模法，即如何生產(chǎn)小誤差的活塞立體靠模。目前我國大多數(shù)活塞加工制造商的立體靠模仍使用縱線包絡(luò)法在CNC磨床上進行制造，但是成品活塞靠模的外輪廓是一種不規(guī)則的多邊形，截面精度低，而且此加工方法的生產(chǎn)效率低。因此，未來活塞加工技術(shù)的重要研究方向之一便是活塞加工磨床的研究與開發(fā)。

3? 目前存在的問題

3.1 微進給機構(gòu)的研制

微進給機構(gòu)的性能越好，加工精度也就越高，因為活塞異形外圓數(shù)控機床進行車床加工時，是由微進給機構(gòu)控制車刀進行加工的。現(xiàn)在本土研發(fā)的微進給機構(gòu)的精度控制在 10μm左右，可以讓直線工作行程范圍控制在1～2mm，同時保持響應(yīng)頻率為在50～200Hz之間，讓微進給分辨率保持在1μm?，F(xiàn)在數(shù)控機床對活塞精度的要求也越來越高，急需研發(fā)出各方面都更加優(yōu)良的微進給機構(gòu)。

3.2 精密控制系統(tǒng)的開發(fā)

為了使活塞異形外圓在進行數(shù)控車床加工時更加精密，不但需要精度更高的微進給機構(gòu)，同時也需要更精密地能夠?qū)崿F(xiàn)實時控制功能的控制系統(tǒng)。比例-積分-微分（proportional-integral-derivative，PID）閉環(huán)控制是現(xiàn)在國內(nèi)高端數(shù)控車床經(jīng)常采用的車床控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的前反饋機制能夠有效地克服直線微進給機構(gòu)延時響應(yīng)帶來的不良影響，從而讓加工精度變高[3]。但是PID閉環(huán)控制的穩(wěn)定性較差，而且微進給機構(gòu)在前反饋機制的作用下，頻率特性的識別率較低，存在一定的誤差值。因此提高加工精度，完美達到加工要求成了一個難題。目前最急需做的是研發(fā)一套精度更高的控制系統(tǒng)來滿足新科技革命下的發(fā)展趨勢。

3.3 活塞靠模磨床的進一步研發(fā)

在連續(xù)大規(guī)模流水線上生產(chǎn)活塞，加工活塞異形外圓主要還是使用立體靠模車床，所以立體靠模的精度是影響活塞精度的主要因素。然而依靠數(shù)控磨床加工立體靠模的工廠在我國占據(jù)大多數(shù)，這些工廠自身磨床加工出來的產(chǎn)品精度沒有保障，加工的效率也比較低。為了與生產(chǎn)所需相適應(yīng)，研發(fā)出精度更高的活塞靠模磨床是當下迫切需要解決的事情。

參考文獻：

[1]辛紅敏.中凸變活塞加工數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)[D].河南：河南科技大學(xué)，2011.

[2]馬曉明.采用直線電機的高速進給機構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化和控制的研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2005.

[3]徐陶祎，劉琴濤.基于PID控制算法的智能控制試驗平臺系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2014（22）：71-72.