新型活塞异形销孔加工方法

• 46•内燃机与配件全钢活塞异形销孔加工工艺优化陈乌良;杨帆;杨志勇；田海平(湖南省湘潭市江滨活塞分公司）摘要：根据对影响活塞销孔加工质量的因素分析，结合现场生产实践存在的问题现状，提取出全钢活塞异形销孔加工工艺优 化方向；通过对应措施将各个影响因素进行排查解决，从而有效提高全钢活塞异形销孔加工质量，实现对全钢异形活塞销孔加工 工艺优化。

关键词：全钢活塞;异形销孔;工艺优化;表面粗糙度0引言随着活塞加工行业的全面技术提升，汽车发动机活塞 正朝着高强度、高耐磨、高精度、低膨胀、轻量化以及结构 复合化方向发展。

目前，活塞已形成集轻质高强度新材料、异型外圆复合型面、异型销孔等多项新技术于一体的高技 术含量产品W。

其中，从活塞材料上可大致分成:硅铝合金活塞、全钢 活塞、铸铁活塞、陶瓷活塞；从结构上可大致分成：整体铸 造活塞、螺栓连接活塞、铰接活塞、高能束焊接活塞；从性 能上可大致分成:耐磨合金镶圈活塞、内冷却油道活塞、表 面喷涂石墨活塞、异形销孔活塞、内冷却油道活塞。

其中，全钢异形销孔活塞较多运用于高功率发动机上，在经济、性能、环保等方面较符合活塞未来发展趋势。

全钢异形销孔活塞机加生产过程与常见铝合金活塞 加工方式有较为明显的差异性，尤其是在异形销孔加工 工艺上区别明显。

销孔作为活塞与连杆连接的装配表面，其性能很大程度影响到发动机的工作状态；活塞销孔加 工质量达不到工艺技术要求致使销孔失效，将导致活塞 在缸体内上下运行过程中出现“卡死”或者活塞销‘'抱死’’现象发生。

1加工中存在的问题活塞销孔失效形式可大致分为：销孔表面拉毛、开裂、破碎、烧熔;对于全钢异形销孔加工过程，在销孔直径符 合工艺要求下，易出现的质量问题有:①销孔型线存在“凸点”，即在最高点无圆滑过度;②销孔表面粗槌度超差。

此类问题的出现均能造成活塞工况下，活塞销孔表面与活塞 销的配合不一致，造成“卡死”或者活塞销“抱死”，从而出 现活塞销孔失效，造成发动机的“瘫痪”。

活塞裙部中凸变椭圆异型面车削加工1 前言活塞是发动机的一个重要组成元件，质量的好坏直接影响到发动机的性能。

其外形对系统的燃油经济性、可靠性、寿命、排放及噪声等指标有很大的影响。

考虑到发动机运行时由燃气压力、汽缸压力造成的活塞变形以及活塞本身的热变形等影响因素，目前活塞裙部广泛采用的是中凸变椭圆型面。

这种型面具有如下特点：横截面为椭圆或类椭圆，且其椭圆度沿活塞轴向变化(图1a)；纵截面的型线为一条中部外凸的曲线(图1b)。

活塞设计成这样的外形，可以将活塞工作时由热膨胀等因素产生的变形沿活塞销轴方向扩展，使得裙部横截面变成近似圆形，从而在活塞工作时可以获得更宽、更均匀的承载面，同时还使得活塞的裙部与汽缸壁更好地贴合，减小了配缸气隙，有利于降低活塞裙部比压，减小活塞对汽缸壁的冲击，降低发动机运行时的噪声。

另外中凸的裙部与汽缸壁之间的楔形油隙又可以起改善润滑的作用，并且可以提高活塞的对中性，这就大大地减小了零件的磨损，提高了活塞的工作性能和使用寿命。

目前，中凸变椭圆型面已经作为一种公认的活塞裙部优良型面而被广泛采用。

这种复杂型面的车削加工，现有的加工方式主要有硬靠模法和软靠模法(数控加工法)两种。

硬靠模加工就是活塞与活塞形状相同的母靠模同轴装上机床主轴，然后利用仿形装置制造出与母靠模相同形状的活塞。

这种加工的方式具有加工稳定性好的特点，不便之处在于靠模制造困难、加工周期长、成本昂贵。

同时，机械结构动特性使得机床主轴转速受到限制，对活塞生产效率的提高有较大的影响。

软靠模加工是根据活塞的型面进行编程，并以所编制的程序作为靠模，采用计算机控制刀具的高频微位移进给机构来进行活塞的加工。

这种加工方式对活塞的改型有较大的柔性。

目前，国内依靠软靠模加工的执行机构还普遍存在着线性和动特性较差、受突加负载的影响较大等问题，不能很好地保证加工精度。

本文对表面成型采用分解设计的方法，将中凸变椭圆异型面的加工分解成几组运动的合成。

收稿日期!!""#4"!=%!!!!浙江大学学报"工学版#网址!&&&%’()*+,-.%/’)%01)%2+!0+3基金项目!国家自然科学基金资助项目"V "!5V 4#>#%作者简介!邬义杰"4$L #$#%男%浙江宁波人%博士%副教授%从事数控技术&精密加工&智能材料结构等研究%678,9-’&:’444L !/’)%01)%第#=卷第$期!"">年$月浙!江!大!学!学!报"工学版#?()*+,-(@A ;0’9,+3B +9C 0*.9D :"6+39+00*9+3E290+20#F (-%#=G (%$E 0<%!"">基于超磁致伸缩材料的活塞异形销孔加工原理研究邬义杰!项占琴"浙江大学现代制造工程研究所%浙江杭州#4""!5#摘!要!利用超磁致伸缩材料的特性控制刀杆弯曲变形%提出了一种加工活塞异形销孔的新方法%通过理论分析导出了线圈控制电流与超磁致伸缩刀杆变形量之间关系的数学模型%在此基础上%进行了超磁致伸缩刀杆变形性能试验%获得了镗刀切削半径增量与线圈控制电流之间的关系曲线%验证了超磁致伸缩刀杆的可控性和稳定性%然后研制了活塞异形销孔加工控制系统%包括主控&位移检测&热变形补偿温度检测和恒流源驱动等功能模块%基于此原理开发的活塞异形销孔设备达到微米级加工精度%关键词!超磁致伸缩材料(活塞(异形销孔(加工原理(控制方法中图分类号!I [4#>(I H V #5!!!!!文献标识码!J !!!!!文章编号!4""=7$5#K "!"">#"$744=V 7"VH #+,%0%0?"’%0+%"&-/(’0(01+*&%02-’"%0,(&-(/"%.$(0)#.-2(0?%#0$3#?0-$(.$’%+$%B -3#$-’%#&^B M 97’90%K O J G HA ;,+7b9+"M (5&,&9&")*E )I "%(E $(9*$>&9%"/(0,(""%,(0%12"3,$(04(,-"%5,&6%7$(082)9#4""!5%+2,($#5).$’#+$’J+0&8,2;9+9+3<*9+29<-0@(*+(+72:-9+10*<9+;(-0(@<9.D (+&,.<*0.0+D 01R :).9+339,+D8,37+0D (.D *92D 9C 08,D 0*9,-"H__#D (2(+D *(-D ;010@(*8,D 9(+(@D 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;(1!!随着发动机功率和转速的日益提高%活塞销孔所受的载荷愈来愈大%通过分析普通圆柱形销孔所受载荷可知%发动机工作时销孔的各部分所受载荷是不均匀的%其内侧所受应力最大%易产生应力集中%而外侧所受应力最小)4*%为提高发动机性能%人们通过改变销孔的几何形状来降低销孔内侧的应力集中%改善应力分布情况%延长活塞的使用寿命%此种非圆柱形销孔即为+异形销孔,)!*%活塞异形销孔的加工方法目前主要有杠杆式刀杆加工&偏心刀杆加工&偏心主轴加工和靠模车削或镗削加工等)##L *%这些方案均需采用机械部件及靠模%因而有结构复杂&部件制造精度要求高&长时间运行易产生磨损!加工精度不易保证等缺点%本文在机械制造领域引入新型功能材料"""超磁致伸缩材料#利用其特性来控制刀具变形#从而达到加工控制的目的%本文着重研究异形锥销孔加工控制原理及实现方法%4!异形销孔超磁致伸缩变形加工原理8%8!磁致伸缩机理物体在磁场中磁化时#会沿磁化方向发生微量的伸长或缩短#这一现象称为磁致伸缩效应%其产生原因是由于铁磁或亚铁磁材料在居里点以下发生自发磁化#形成磁畴%在每一个畴内#晶格都沿磁化强度方向发生形变%当施加外磁场时#磁体内部随机取向的磁畴即发生旋转#使各磁畴的磁化方向与外加磁场方向趋于一致#物体对外显示出宏观效应#即沿外磁场方向伸长或缩短%磁致伸缩的大小以磁致伸缩系数"来度量%8%9!异形销孔超磁致伸缩变形加工原理锥形销孔的结构是外端小!内端大呈倒锥形#其直径差一般为"%"4#"%">88#结构如图4所示%由图4可见#加工活塞锥形销孔的关键是销孔内侧的两段锥形部分#因此系统必须具备当镗刀切削到销孔内侧时#能控制镗刀与工件之间产生一定微量径向进给的能力%对此#通常可用数控多坐标联动来实现#但需增加径向进给的机械部件及伺服驱动控制部分等%由于异形锥销孔#其锥形径向进给量很小#精度要求高$达微米级%#因此须用高精度的闭环伺服系统#这不但会增加系统的成本和复杂性#而且会由于机械传动环节的增多而影响系统的精度%考虑到以上方案的缺点#系统采用刀杆弯曲变形的控图8!活塞异形销孔结构示意图T 93%4!E D *)2D )*0(@+(+72:-9+10*<9+;(-0(@<9.D (+!制方案#即当加工到锥形部分时#控制刀杆逐步产生微量的弯曲变形#使镗刀切削半径获得相应的微小增量(P #由此加工销孔锥形部分%要实现此方案#必须回答如何使刀杆产生弯曲变形的问题%由此想到利用上述超磁致伸缩材料的磁致变形特性#将超磁致伸缩材料嵌入到刀杆的合适位置$见图!%#当周围磁场变化时#超磁致伸缩材料相应地伸长或缩短#从而使刀杆产生相应弯曲变形%磁场的变化可通过改变线圈的电流来实现#从而可通过控制流过线圈的电流来控制刀杆的弯曲变形%图9!超磁致伸缩刀杆变形图T 93%!!a 0@(*8,D 9(+<*9+29<-0(@H__D ((-*(1!此时#镗刀切削半径增量(P 与通过线圈电流M之间存在一定的函数关系%先讨论镗刀切削半径增量(P 与超磁致伸缩材料伸长量(J 的关系%由于超磁致伸缩材料的伸缩变形使镗杆产生微小的转角3$参见图!%#由图可得J 4:J.9+3#J !:P2(.3#(P :J 4<J !;P :J .9+3<P 2(.3;P A $4%对于很小的3#有.9+3:3#2(.3:4#则(P :J 3A $!%由于3极小#转角3近似正比于(J #即3:=(J A 式中&=为比例因子A从而可得(P :=J (J A $#%其次#对于紧密绕制的通电螺旋管#其内部磁场强度7与电流M 之间的关系为7:’M A 式中&’为磁导率%对于磁致伸缩材料#其伸缩量的大小以磁致伸缩系数"Y (J ’J V $J V 为超磁致伸缩材料的长度%来度量#而"与磁场强度7的关系由超磁致伸缩材料本身的特征所决定#其本征关系可设为":R $7%#L=44浙!江!大!学!学!报!工学版"第#=卷可得(J:"J V:J V R!7"A!>"综合式!#"#!>"$得镗刀切削半径增量与线圈电流(P M之间的对应关系式为(P:=J J V R!7"$!V"7:’M A由上述超磁致伸缩刀杆弯曲变形原理和形变量分析可见$只要驱动线圈的控制电流能使刀杆产生足够的异形销孔加工形变量$且其控制电流与刀杆形变之间具有稳定可控的关系$则就能实现超磁致伸缩刀杆形变加工异形销孔的目的%!!超磁致伸缩刀杆形变性能试验与分析!!通过形变试验与分析来验证超磁致伸缩变形异形销孔加工控制原理的可行性%4"线圈电流所产生的磁场$能否得到足够的刀杆变形量$以满足锥形销孔的加工控制要求%对此进行了一系列原理实验$表4为静态下线圈电流与镗刀切削半径增量(P的三组实验数据%由表中数据可见$当线圈电流达到!%"J时$镗刀切削半径增量可达到!=)8$而锥形销孔的大小端之差一般要求小于!=)8$所以产生的刀杆变形量能满足异形销孔的加工要求%表8!线圈控制电流与刀杆变形的关系I,R%4!‘0-,D9(+R0D&00+2(+D*(-2)**0+D(@2(9-,+110@(*8,D9(+(@D((-*(1M%J(P4%)8(P!%)8(P#%)8"""""%!g!%"g!%4g!%4"%>"%5"%L"%5"%L#%4#%!#%!"%=5%!5%45%!4%"44%$44%54!%44%!4L%>4L%#4L%L4%>!"%5!"%#!"%L4%L!>%4!#%5!>%"4%=!L%V!L%V!L%L!%"!=%5!=%=!=%5!!!"整个系统的频率响应特性能否满足加工要求%系统的频率响应时间由两部分组成$即从机床的位移检测到恒流源电流输出的响应时间和从线圈输入电流到镗刀切削半径变化的响应时间%这两部分频率响应时间都为毫秒级$而机床产生一个位移脉冲信号的时间为十毫秒级$因而系统的频率响应能满足销孔的加工要求%#"镗刀切削半径增量(P与线圈电流M是否有稳定的函数关系%在线圈参数确定的条件下$超磁致伸缩材料的伸长量与磁场强度的关系取决于材料本身的特性$因此在理论上$(P与M之间的关系是稳定的$但实际情况是否如此$还需实验进一步确证%为此$进行了大量的实验$发现(P M的关系曲线有很好的一致性$并存在一良好的线性段%这一结果为系统的实现提供了可靠的依据%图#是实验获得的(P M关系曲线$这一曲线是由三段区间组成的%图:!刀杆变形与线圈电流的关系T93%#!‘0-,D9(+R0D&00+2(+D*(-2)**0+D,+110@(*8,D9(+(@D((-*(1!!,"当电流M在"#"%V J段$起始半径增量(P随电流的增加向反向偏移$当M上升到"%>J附近$(P又恢复为零值$而后向正向偏移%在实际应用中$应舍弃这一段%!R"当电流M从"%V J上升到4%>J!即/R 段"$(P随M的上升而线性地增加$(P M有着良好的线性关系%在实际系统中$以此段作为工作段% !2"当电流增加到4%>J以后$(P M的线性关系变差%本系统正是利用(P M的线性段来实现锥形销孔加工控制的$其变形量已能满足实际加工控制的要求%其实系统如要进一步增大镗刀切削半径增量的范围$只要对R+段通过一定的数学处理即可%由以上变形加工控制原理和试验结果分析可见$相比传统的机械靠模控制$本方法具有结构简单#机械传动环节影响小#精度高等优点&而且从成本上看$只需少量较贵的磁致伸缩材料$这与多坐标数控伺服驱动方案相比$成本要低得多$因此本加工控制方案具有简单实用#原理先进等特点%5=44第$期邬义杰!等"基于超磁致伸缩材料的活塞异形销孔加工原理研究#!超磁致伸缩异形销孔加工控制系统根据以上控制原理!考虑到活塞两侧销孔同轴度及与活塞轴线垂直度的严格要求!锥销孔加工采用专用镗床配置所研制的控制系统来实现%系统的主要控制任务是"检测工件的轴向位移!给驱动线圈提供稳定可调的电流!改变控制磁致伸缩材料伸缩的磁场!从而获得一个随工件轴向位移而作线性变化的径向进给量%图>是根据锥销孔形状获得的线圈控制电流与轴向位移之间的关系曲线%F 锥形销孔圆柱部分长度#X 锥形销孔的锥部长度#1活塞两边锥形销孔间距离#M 8,S 线圈电流最大值!由锥形销孔4值决定图K !线圈控制电流与异形销孔轴向位置关系图T 93%>!‘0-,D 9(+R 0D &00+2(+D *(-2)**0+D ,+1,S 9,-<(.9D 9(+(@+(+72:-9+10*<9+;(-0!为保证镗刀切削半径增量与机床轴向进给运动严格同步!在机床溜板和床身上安装感应同步器!其位移检测信号经数显表输入到控制系统中!从而使整个系统协调一致地工作%另外考虑到刀杆长时间工作后受热!易产生热变形!所以系统配置有温度检测子系统!根据温度的不同对驱动线圈的电流进行热补偿修正%系统硬件包括四部分"主控系统$恒流源驱动子系统$轴向位移检测子系统和温度检测子系统%其系统硬件模块总框图如图V 所示%4%主控系统"="$L 单片机功能强$编程方便$可靠性好!因而采用="$L 作为主控系统U [B !系统配备有程序6[‘Z_$数据‘J_$a &J 转换器$键盘&显示器接口及掉电保护电路等%!%恒流源驱动子系统"由恒流模块$采样电路$放大电路$反馈回路等组成!完成输出电压大于V "F $电流在"#VJ 的连续可调恒流输出%#%轴向位移检测子系统"是本系统的控制基准信号!由感应同步器和数显表组成!检测到的位移图N !控制系统主要模块框图T 93%V !_,9+8(1)-0.(@2(+D *(-.:.D 08!脉冲信号输入="$L 主控系统中!然后由主控系统根据镗刀的当前位置及锥销孔母线模型控制电流输出%>%温度检测子系统"完成刀杆受热检测!由半导体温度传感器!经过检测$调零和放大电路后送入="$L 的模拟输入端%系统软件共分为两大部分"系统监控和过程控制程序%系统监控程序主要实现系统自检和初始化$键盘显示处理!以及中断信号处理等%过程控制程序完成工件加工过程的控制!即根据机床位移信号!自动调节输入线圈电流的大小!以获得合适的镗刀切削半径增量(P %在加工锥形活塞销孔时!变形镗杆固定于镗床主轴!随主轴高速旋转#被加工活塞固定于小拖板上!随拖板作纵向运动%控制系统根据感应同步器检测出的机床拖板轴向位移控制恒流输出%当拖板位于图>活塞销孔的非锥形部分时!其恒流源输出为零!超磁致伸缩材料镗杆不变形!装在变形镗杆末端的金刚石镗刀镗削圆柱孔#反之!当拖板位于图>的锥形部分时!其超磁致伸缩材料镗杆逐步变形!金刚石镗刀逐步产生径向进给!完成异形锥销孔的加工%目前所研制的超磁致伸缩活塞异形销孔镗床已投入企业实际应用!在该数控镗床上实现了多种规格活塞异形销孔的批量加工!其产品经检验达到微米精度!达到了企业的加工质量要求%>!结!语活塞异形销孔不仅可以降低销孔内侧的应力集中!改善应力分布状态!而且可以优化活塞的热负荷!因此对高效率的发动机具有显著的实用价值!已成为国际活塞行业发展的重要方向%对活塞异形销孔加工系统的开发研究具有实际意义!是具有广阔应用前景的课题%本文利用超磁致伸缩材料的变形特性!开发研制了异形销孔加工的控制系统!成功解决了企业异形销孔加工的实际问题%文中提出的基==44浙!江!大!学!学!报!工学版"第#=卷于超磁致伸缩材料变形控制的思想!可推广应用于其他精密或复杂机械加工控制中%参考文献!;-/-’-0+-."#"4#E BNJ‘J I,1,;9*(!I J P6OI(.;9c,/)%U;,*,2D0*9.D92.(@@*92D9(+@(*20(+<9.D(+<9+R(..R0,*9+3."?#%<!5> ;-B%-7!4$$L!45$!$5#"!%"!#吴劲松!吴声震%活塞异形销孔的研究"?#%内燃机配件!4$$>!%>&$$4#%^B?9+7.(+3!^B E;0+37/;0+%‘0.0,*2;(++(+72:-9+7 10*<9+;(-0(@<9.D(+"?#%A0$-’0#&@(3)4.$%(0>0?%0-M%$$%0?.!4$$>!%>&$$4#%"##翁景雍!翁绍裕%活塞异形销孔加工原理及装备"?#%上海机床!4$$=!%4&$!!!>%^6G H?9+37:(+3!^6G HE;,(7:)0%_,2;9+9+3<*9+297 <-0,+10b)9<80+D(@+(+72:-9+10*<9+;(-0(@<9.D(+"?#% 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活塞销座孔的铰销工艺
活塞销座孔的铰销工艺是一种制造活塞销座孔的工艺，它采用铣床和铰刀进行加工。

首先，在活塞上划出销座孔的位置，然后在铣床上将活塞固定好，用铣刀将销座孔的底部和侧壁加工成合适的形状和尺寸。

接着，用铰刀将销座孔的内径加工成圆形，并检查其精度和表面质量。

最后，进行清洗和防锈处理后，活塞就可以安装销轴了。

活塞销座孔的铰销工艺可以保证活塞的精度和质量，使其能够更加稳定和可靠地工作。

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