铁道部襄樊内燃机车厂 赵 斌
摘 要论述无硬靠模加工活塞中凸变椭圆外轮廓的数控加工方法(即软靠模加工)及工作原理、数学模型的建立和实际问题的处理方法;介绍PTC-Ⅱ活塞数控车削系统的主要性能和特点。
关键词:中凸变椭圆 软靠模 车削系统
1 前言
16V240ZJ柴油机钢顶铝裙组合活塞是我国铁路运行的主力牵引机型—东风4内燃机车的关键零件。它克服了过去使用的整体铝活塞和球铁活塞的诸多缺点,目前正在铁道部大规模更新换代。其裙部复杂的中凸变椭圆外轮廓的加工是技术关键,因此,研究其加工方法有着重要的意义。
目前,我国加工该种活塞的中凸变椭圆外轮廓主要是采用传统的靠模板运动合成法和立体靠模的仿形法。这两种方法都是采用硬靠模加工,存在较大误差,质量不稳定,靠模制作成本高且修改模型困难。而采用数控加工方法,即“软靠模”加工则无需传统的硬靠模,避免或减少了由于惯性、间隙、摩擦等原因造成的传动误差,大大提高了工件加工精度,其加工质量稳定且修改模型极其便捷,是非圆截面活塞加工的发展方向。
2 “软靠模”加工的原理
软靠模实际上是采取数控加工时在计算机中建立的一种数学模型,其加工原理是按活塞中凸变椭圆的变化规律,将有关数据输入计算机中,由计算机自动转换为可执行的数学模型(生成的控制数据称为软靠模),计算机根据软靠模控制加工过程,算出刀尖在活塞上的实际位置,通过高频响的伺服机构控制刀尖运动到要求的位置上,完成活塞的形状加工。
3 数学模型的计算
16V240柴油机钢顶铝裙活塞的裙部纵向表面是中凸型线,见表1。横截面是变椭圆,由两部分组成,一部分为标准椭圆,另一部分为偏心圆弧,其任一截面形状见图1。
图中大径为Dz,椭圆度为Ez,活塞AB段曲线为标准椭圆弧,其半径在Φ角处缩减量为:
BC段为一偏心圆弧,偏心量e =0.8mm,半径Rz为:
Rz=Dz÷2-Ez÷2+e-a
式中,a表示偏心圆弧在标准椭圆短轴处的削边量,a=0.3mm,以下求BC段圆弧上任一点在Φ角的半径缩减量△z(Φ),该点处半径为Pz(Φ)。
在△O’OD中,由余弦定理:
Rz2=e2+Pz2(Φ)-2ePz(Φ)×cos(90°+Φ)=e2+Pz2(Φ)-2ePz(Φ)sinΦ
即:Pz2(Φ)-2ePz(Φ)sinΦ+e2-Rz2=0
对以上方程求解,舍去不合理根得:
则偏心圆弧在Φ角处半径缩减量为:
△z(Φ)=Dz/2-Pz(Φ)
由以上计算可知椭圆部分半径缩减量△z(Φ)由(1)式决定,仅与该断面的椭圆度Ez及转角有关。偏心圆弧部分的半径缩减量△z(Φ)由(2)式决定,与该断面的大径Dz、椭圆度Ez、偏心量e、椭圆短轴削边量a都有关,那么,活塞横截面上某一点的半径缩减量是由(1)式还是(2)式决定呢?这取决于(1)式和(2)式△z(Φ)的值的大小。如(1)式计算出的△z(Φ)大于(2)式计算出的△z(Φ),则该点为椭圆部分,否则为偏心圆部分。两部分圆弧的交点B点处的半径缩减量的计算则较为复杂。理论分析表明,两部分的连接点为一尖点,其一次导数不连续,二次导数为无穷大,就是说要准确加工出B点,刀尖在B点速度要有突变,B点刀尖的加速度为无穷大,这是不可能实现的,也是不必要的。从实际使用要求和加工实现手段看,B点附近必须有一段是平滑过渡的曲线。如果令(1)式等于(2)式组成方程对Φ求解,即可求出每个截面交界点B所处的角度来。在DF4钢顶铝裙活塞图纸中, a = 0. 3mm, e =0.8mm,Dz=239.5～239.7mm,E=0.08～0.25mm,用逐步逼近法解方程,求出B点所处角度在30°～37°之间变化,所有截面的B点连起来形成一条空间Pz-Φ曲线。
计算机根据图纸中给定的各高度上的大径和椭圆度,计算出各截面上各点的半径缩减量,综合高度中凸线的变化,即可建立一个活塞的立体型面的数学模型。
4 实际应用
在加工中,对于活塞曲面上的任一点都要求求出其相对于该点处截面的大径Dz的半径缩减量△z(Φ)来,对一般活塞裙部的形状,△z(Φ)仅与Ez和Φ有关,并且各断面形状相似,即各断面同一角度Φ处的△z(Φ)/加工技术Ez(Φ)比值为一常数,这样计算机只需存储一组比例常数和Ez,即可由乘法计算出所有△z(Φ)来,计算速度大为加快。
对于本活塞,△z(Φ)不仅与Ez、Φ有关,而且还与D、a、e有关,各断面不相似,故无法准确地用乘法计算出来。我们通过分别计算各截面每隔5°的半径缩减量(插值法)对其90°缩减量的比值,按比值相近将活塞分为23组相似截面,然后将每个截面的椭圆度乘以该截面该角度处的缩减量比值(每组相似截面同一角度处的比值基本相同)即可得出△z(Φ)来,运用此法,计算的最大误差(2μm)发生在截面交接处。
通过本方法加工出的活塞轮廓误差仅为±7μm,远小于活塞公差要求。
5 PTC-活塞数控车削系统
PTC-Ⅱ活塞数控车削系统是国防科技大学研制的先进的软靠模加工系统,是机电结合的高科技专利产品。该系统由J1MK530精密配套车床、PTC-Ⅱ高频响伺服机构、MCS-51单片机为核心的计算机数控系统、功放系统、主轴编码器、轴向编码器、纵向电机及测量反馈装置等组成。
5.1工作原理
将活塞的各种数据输入计算机后转换成数学模型,控制数据通过写入EPROM芯片,装入机床的控制计算机中,计算机根据主轴编码器和轴向编码器的检测信号确定刀尖实际位置,通过功率放大器、高频响伺服机构驱动刀具径向运动,通过纵向电机控制刀具轴向运动,以加工出活塞的外圆形状。工作原理见图2。
5.2主要性能指标
主要性能指标如下:
加工活塞直径 45～280mm
加工活塞长度 300mm
加工最大椭圆度 0.8mm
直径最大缩减量1.2mm
电气分辨率0.1μm
刀尖定位精度1μm
一般情况下:
表面粗糙度Ra 0.6μm
形线轮廓误差0.01μm
椭圆度误差0.01μm
活塞大径分散范围0.015μm
5.3主要特点
a.在计算机中生成活塞的“软靠模”,操作简便、迅速、精度高,加工不同型号的活塞只需换一块控制计算机中的“软靠模”芯片,因此修改也极其便捷。
b.由于省去了硬靠模,机构传动装置简单,避免或减少了传动误差,提高了加工精度。
c.采用高频响伺服刀架,精度高,生产效率高。
d.采用了监控技术,改善了加工过程的品质。
e.采用了芯片数据传递技术,定型后的活塞加工过程仅需按一个操作键,对操作者要求低。
f.价格与国外同类型设备相比低得多。
5.4实际加工效果
该机床应用于我厂加工16V240ZJ柴油机钢顶铝裙组合活塞活塞裙Φ240、DF4内燃机车活塞LD11活塞裙时,主轴转速720r/min,采取精密顶尖顶紧,纵向往返切削方式,正向粗切,反向精切。
正向粗切进刀量ap=0.20mm
f=0.24mm/r
反向精切 ap=0.10mm
f=0.12mm/r
结合使用聚晶金刚石T45-6×8
R0.5-PCD刀头,加工出的活塞:
表面粗糙度 Ra=0.5～0.8μm
大径偏移 ±2°
轮廓误差 0.015mm
完全符合图纸的要求。
6 结束语
a.通过铁道部襄樊内燃机车工厂、戚墅堰机车车辆工艺研究所、大连机车车辆工艺研究所等铁路单位加工16V240ZJ柴油机钢顶铝裙活塞的运用,使用效果均良好。
b.中凸变椭圆活塞的软靠模加工方法具有传统方法不可比拟的优势。
c.PTC-Ⅱ活塞数控车削系统与国防科技大学研制的HL-1型活塞轮廓测量仪配套使用,功能加以深化扩展,可实现智能化加工,是非圆截面活塞加工发展的方向。
参考文献
1. PTC-Ⅱ活塞数控车削系统说明书.国防科技大学,1996
2.邓中亮编著.非圆零件的车削加工技术.人民邮电出版社,1998
