孙德永_异型孔加工系统设计及补偿方法研究

异形孔加工系统设计及补偿方法研究 第一章 绪论 1.1 课题的来源及研究意义 本课题是在沈阳贝特数控机械有限公司和温州大统活塞水泵有限公司共同合作的超磁致伸缩材料微位移进给器基础上对活塞异形销孔的加工而提出来的。 异形孔主要包括椭圆孔、喇叭孔以及椭圆孔和喇叭孔组合孔等特殊结构的孔。异形孔的应用非常广泛，表现尤为突出的是在汽车制造业的发动机活塞中。 汽车制造业是目前我国以及世界上许多发达国家的支柱产业。随着我国经济和科学技术的高速发展，汽车企业也随之迅速崛起。不仅包括世界知名汽车企业通用，宝马、奔驰等落户中国，我国自主研制的汽车包括华晨，一汽等品牌汽车在国内领先，甚至在世界上也有较大的影响。2011年，我国汽车市场呈现平稳增长态势，产销量平均每月突破150万辆，全年汽车销售超过1850万辆，再次刷新全球历史纪录。据中国汽车工业协会统计，我国2011年累计生产汽车1841.89万辆，同比增长0.8%，销售汽车1850.51万辆，同比增长2.5%。

汽车技术的飞速发展，推动了有汽车心脏之称的发动机技术的进步。随着发动机输出功率的增大和转速的提高，活塞所承受的燃气压力和惯性力愈来愈大，导致活塞销孔所承受的载荷也愈来愈大。发动机的核心部件活塞的质量，直接影响着发动机乃至整个动力、传动系统的性能指标。通过对普通的圆柱形销孔所受载荷的分析可知，在发动机工作时，销孔的各个部分所受载荷是不均匀的，受到热变形和机械变形的影响，销孔的内侧所受应力最大，易产生应力集中，而外侧所受应力最小。如图1所示，销孔处的应力分布主要取决于活塞销与销孔两者之间的变形是否相适应。由于压力的作用，活塞销产生弯曲变形，相应销孔处也产生变形。如果活塞销刚度较大而销孔处刚度较小，或者相反，则变形不能相适应。从而引起销孔上侧边缘处产生严重的应力集中，造成销孔开裂[1]。据AE公司的试验结果分析，采用传统的普通圆柱形活塞销孔时，活塞销孔的内侧应力是外侧应力的147倍[2]。与此同时，工作温度的升高导致活塞销和销孔横截面半径的对比变化，载荷趋于朝垂直面同样也而产生集中，降低活塞寿命。综合以上因素，一柴油机厂对型号为6110A的普通圆柱形销孔的活塞进行了试验，当发动机的功率由104kw提高到147kw时，活塞销座出现明显裂纹，这表明普通圆柱形活塞销孔结构已经难以满足越来越高的机械负荷及热负荷的要求。

要达到提高发动机的性能，就必须提高发动机活塞销孔的承受载荷能力和延长活塞的使用寿命。根据试验研究表明，目前在活塞材料性能受到很大限制的环境下，提高活塞性能的最有效途径是优化活塞销孔的应力分布。所以适应活塞销孔应力分布要求，并且能够降低销孔内侧应力集中的各种异形结构的活塞销孔应运而生，并成为发展高速强载发动机的必备技术。通常情况下将销孔设计成喇叭口形状、椭圆形状及变椭圆的组合型孔，这些非圆柱形销孔即为“异形销孔”。目前，异型销孔形状主要有以下几种：喇叭口销孔、椭圆形销孔、带卸荷槽的销孔等。它们分别能减小30%，20~25%，10%的应力集中，其中喇叭孔形状是最为有效的方式[3]。

异形孔结构能够显著提高活塞的使用寿命，但由于异形孔结构的特殊性，决定了其加工过程和加工设备的复杂性，从而给异形孔的加工提出了难题。外小内大的倒喇叭形的异形孔加工，需要刀具能实现微量径向进给，一般锥形孔锥度为0.01mm-0.04mm，常规活塞椭圆孔椭圆度为0.02-0.04mm，这样需要刀具径向进给量也必须为0.01-0.04mm；对于主轴转速为3000npm的镗床而言，实现等截面标准椭圆加工刀具至少需要有10OHz的响应频率。就是说，喇叭口形的异形孔需要刀具实现径向位移连续进给，而椭圆形的异形孔的加工不仅需要刀具实现径向位移的进给，还必须满足刀具的高频率的径向振动，给加工能加了很大的难度。所以，高频响、高分辨率的微量进给机构的研制是解决活塞异形销孔精密加工难题的关键。 由于不光在民用领域发动机具有举足轻重的作用，同时涉及国家安全领域中，正因此，世界上发达国家对高端发动机技术采取了很大的保密措施。那么对活塞异形孔高端精密加工技术以及装备研究显得非常重要。综观相关领域研究情况，国外活塞非圆截面销孔数控加工技术已经进入实用阶段，相对而言我国目当前却停留在研究和试验阶段。尽管如此，国内也采用了许多世界上先进材料和技术创新设计出各种机构来实现异形孔加工。例如，稀土超磁致伸缩材料和压电晶体等材料。但是在创新结构高效实用上存在很大问题，需要进一步研究。 稀土超磁致伸缩材料作为一种新型的能量转换功能材料，会在外界磁场作用下产生较大的应变伸缩，并且具有输出力强、机电祸合系数高、应变大、响应速度快等优异特性。在强输出力、高功率密度及高精度、大应变、快速响应和高可靠性等方面较传统技术具有无法比拟的优点。利用将稀土超磁致伸缩材料(GMM)研究一种微量、高频响的位移驱动机构应用于活塞异形销孔的加工技术，具有良好的应用前景，并能够提高我国发动机水平。 1.2国内外异形孔加工系统研究现状及发展 1.2.1国内发展现状 因为异形孔结构特殊，无法用传统的加工方法实现，所以需要创新的工艺和设备。目前，能够完成活塞异形销孔的加工方法有靠模仿形法、机械运动合成法以及数控加工法等[4][5]。 1、机械靠模仿形加工 机械靠模仿形加工技术主要是依据靠模的形状，并通过传递机构实现镗刀径向移动实现异形孔加工。异形销孔精度可达到mm005.0。靠模仿形加工方法的柔性好，应用范围广，根据靠模的不同能够加工多种类型异形孔。但是由于受伺服控制系统和靠模的摩擦等误差影响，加工一致性较低，并且响应速度也不高。 2、机械偏心法: 偏心法是机械运动合成方法的一种，主要是利用偏心机构驱动刀具完成需要运动轨迹，加工原理如图1-1。图中，O为旋转主轴中心，O'为镗刀杆中心，镗杆随主轴一起旋转，利用偏心合成运动实现镗刀刀尖椭圆轨迹运动。按照此原理，滨州渤海活塞股份有限公司设计生产了型号HYX一70的异形活塞销孔镗床。它主要通过偏心主轴加工方法进行加工[31]，采用微机控制径向进给机构。这种加工方法的优点是生产效率较高和加工速度快，缺点是一种机床只能加工一种特定类型的非圆截面。综合考虑，这对于活塞生产企业来说加工成本较高。

3、数控加工法 数控变形镗杆加工法是数控加工法的主要运用形式，主要是利用超磁致伸缩材料、压电陶瓷、微机控制机械滑块式、嵌入式GMM镗杆、电磁驱动机构等方法，通过控制电流或电压来控制实现镗刀的径向位移进给，达到加工异形孔的目的。这种方法加工效率高，柔性高，可加工多种非圆截面，同时具有高的加工精度。 目前国内各大高校、科研机构以及部分高技术产业公司已经运运用这些技术取得了显著的主要成果有： （1）利用压电元件 如图所示，以压电元件为动力，在电压作用下迫使压电元件伸长，驱动弹性元件带动镗刀杆变形，产生径向位移，从而实现活塞异形销孔的加工。广东工业大学自动化所利用此原理研制出新型数控精镗床[32][33]，精度达到微米级要求，技术性能指标均达国际领先水平。上海交通大学[3][34-37]提出了一种柔性铰链放大机构，将压电陶瓷的输出位移放大，以获得更大的镗杆径向位移，这就扩大异形孔加工范围。实验表明，加工精度可以到到3微米。

（2）直线电机驱动技术 湖南长沙一派数控机械有限公司利用直线电机驱动技术，结合数控技术生产出异形销孔加工镗床，工作稳定，并且有动平衡自动调节功能，精度较高，但是加工效率低。 （3）微机控制机械滑块式 国防科技大学[38][39]提出一种基于斜面滑块机构实现镗杆径向位移进给的异形孔加工方法。通过工业计算机发出信号控制镗杆径向微小位移，并由伺服电机带动滚珠丝杠驱动斜面滑块产生前后滑动，完成挠性接头的径向进给运动，从而实现活塞异形销孔的加工。 （5）磁致伸缩技术 山东大学[40-43]设计了一种能够完成各类活塞异形销孔的柔性精密数控加工机构，它是基于超磁致伸缩材料的高频响应伺服镗刀杆，其结构如图所示。弹性元件体分别与机床主轴和镗刀杆相连接。在弹性元件上开了一个槽，主要是为了能让弹性元件变形更加容易。控制系统输入控制电流，超磁致伸缩材料执行器工作，输出相应的轴向位移，此位移通过顶杆推动弹性元件的活动端摆动，从而形成镗刀杆的径向弯曲，实现径向位移进给，最终实现加工异形孔。 浙江大学[44][45]将超磁致伸缩材料嵌入到镗刀杆中，设计出一种结构简单的活塞异形销孔精密加工方法。它的主要工作原理是，在驱动电流作用下，磁致伸缩材料伸长，迫使镗刀杆弯曲，产生径向位移进给。通过控制输入电流的大小可以改变镗刀杆径向弯曲量，从而实现加工不同的异形销孔。 由上述可知，相对于传统的运动合成法和靠模仿形法，基于数控变形镗杆的异形孔加工方法具有加工加工柔性好、精度高、无摩擦疲劳等特点，是当前异形销孔加工的发展主要趋势。由于设计机构复杂，误差较大，精密位移控制困难等因素，使得利用电磁机构和磁悬浮主轴机构加工异形孔的技术在数控变形加工活塞异形孔方法中受到限制；压电陶瓷机构加工异形孔的方法，应用比较广泛，但是因为压电陶瓷本身应变量较小，在6-610010~60010范围内，并且能量密度低，导致压电陶瓷刀具输出力小和行程小；机械滑块方法和伺服电机驱动方法实现异形销孔的加工技术，加工异形孔的类型受到滑块形状制约，加工精度受滑块和机械传动机构的影响。磁致伸缩材料与压电陶瓷相比，它有较大的应变，其伸缩范围在6-6150010~200010之间，并且能量密度高，响应时间快。利用超磁致伸缩材料实现异形孔加工，具有大应变，高输出力和实现高频响等特点。 1.2.2国外加工发展趋势 异形销孔对活塞销孔的应力分布有很大的改善，引起各国汽车制造业和活塞生产企业的高度重视。当前，美国，德国，英国，日本等发达国家已经在研究和设计活塞销孔的加工设备上去的很大成就。国外异形销孔加工取得的成就： 表 国外异形销孔加工状况 公司 机床控制精度 加工精度 结构特点 美国BOHAI公司 0.005 机械斜槽进刀 德国KS公司 0.005 机械仿形加工 美国DEVLZ-EG公司 2.5/脉冲 0.005 AB8200CNC 美国CROSS公司 3.0/脉冲 0.005 高速微机控制 另外还有一些国外研究机构在智能材料领域基础上提出一些新的智能加工结构，为高精度、高可靠性加工技术提出了新的发展思路。Hanson and Tsao[21]设计一个能通过快速变化切削深度来补偿圆柱误差的在线镗杆伺服系统，如图所示：随着刀具切削深度的不同，利用压电陶瓷驱动刀具调整进给量，通过在线补偿减小镗