数控车床在加工活塞环锥形表面中应用

摘要：普通机床加工活塞环表面，常以传统的进给方式或仿形方式进行加工。这些方法容易出现表面漏光、精度差等缺陷。从活塞环形状出发，为了车削出符合设计要求的活塞环锥形表面，文章主要归纳了数控车床加工活塞环锥形表面的新方式来提高质量，分析了活塞环先进加工设备对外圆加工产生的影响。以加工试验为主，CAE检测试验分析为辅，解决活塞环表面缺陷的质量问题，最终提出相应的预防措施与解决方法。

关键词：加工精度，锥形表面，数控加工，仿真试验

1数控车床的相关现状

数控机床是在数字控制下，以零件精度和表面粗糙度为主要依据，加工出所需形状的有色金属零件的机床总称。目前，高速、高精度的数控国际机床已成为主流，半导体电子控制技术已成为高速、高精度的发展趋势，高精密数控机床在能源领域的应用日益广泛。与传统激光干涉仪相比，最新的机床检测与补偿技术能在短时间内完成偏置测量，机床的误差补偿可增加产品进度，效率大大提高，许多工具和夹具的设计为整体的加工提供了所有的辅助过程。数控车床是对工艺进行编程实现自动走刀过程的智能制造机床，它的功能有实现精确的点定位、直线插补补偿、边界控制、轮廓走刀等功能，以上功能都能被X轴伺服电机、Z轴伺服电机控制达到进行制造加工的效果。而且数控车床进给方式主要采用直流或交流半封闭环伺服系统，具备智能制造细微加工、特殊形状加工等特点。大多数情况下采用系统面板视频输出，系统面板不仅能仿真加工路径，而且还能自动诊断程序是否有误、加工分析等功能。数控卧式车床是一种用于加工主轴水平位置的数控驱动机床，倾斜机床主轴一定角度可以实现间隙补偿、脉冲单量稳定、波纹减小等加工现象。本课题研究的是应用该卧式数控车床加工活塞环锥面。

2活塞环作用及锥面的重要性

活塞环是内燃机的关键部件，镶嵌在活塞环槽中，是燃料发动机关键元件之一。为了保证气缸内的密封效果防止外界混合的气体进入，产生烧机油现象，防止润滑油过热引起灼烧缸壁产生机件损坏等故障，故在活塞上分别安装以密封性为主要功能的第一道气环，保证密封效果；第二道还是安装气环，最后安装控油为主的第三道组合油环，见图1。这样可以通过大气压强的原理使活塞环压缩空气做功，让其上下移动，刮除与气缸壁相连的油，保持正常的油耗，滑动面由活塞环支撑，防止活塞与气缸直接接触。气环的锥面加工是本课题研究的外圆呈形形状，锥面角度一般为87mR～262mR（05°～2°），锥面环是活塞环外侧的一个小锥角，汽缸壁与活塞连接靠活塞环，为了减小接触面，提高表面接触压力，活塞环需要有一定的锥角，这有利于活塞运行更加流畅和降低油量防止灼烧。同时，活塞上升时，由于倾斜角度的“油楔”效应，它可以浮在油膜上，而不会造成熔裂。所以必须正确选择锥面环的锥角，安装时不得翻转锥角。锥面环通常用于中间环，用于清洗缸内积碳量大、颗粒过大的物质，可以保证发动机的密封效果，防止燃气泄漏，对发动机的使用性有着重大影响。活塞环的外表面是有锥度的，这与径向分布的气压密不可分，活塞环的外形设计，根据情况选择半径曲线气压分布公式，根据数学和力学知识计算出锥角加工出所需的锥面，这种锥形活塞环的表面粗糙度Ra要求非常光滑［1］。目前，一些制造类强国，如德国、美国、日本等，已经引进了车削活塞环的新技术。与以往的生产技术相比，提高生产的效率和产品的制造精度。

3活塞环锥面的加工存在的问题、弊端

31直线插补加工方式

在NC加工中，最小运动单位等效于脉冲，不是走直线。通常，数控车床用于切削活塞环外锥面。制造时，刀具实际上走无数阶梯形状的线。刀具轨迹不沿着直线移动，只沿着阶梯线往返循环进行加工。这样两轴数控车床车削活塞环外圆锥面，可以用线性插值法对锥面进行变换。但是，表面并不是一条直线，通过CAE过程试验测试，放大了很多被切削的表面，刀走的轨迹是呈现阶梯型，是由无数的折线构成的线，小折线的长度等于冲量，冲量的当量为001毫米时，小折线长度为001毫米［2］，见图2。活塞环外圆锥型面的粗糙度严格控制，NC脉冲当量较小时，圆锥表面的对插值比有着非常重要的作用，若脉冲当量趋近于零界值，机械传动部件将非常的灵敏，这就联系到带动传动部件的动力装置。这样虽然加工出的锥面粗糙度可以得到保证。但对于数控机床方面来说，实现机器传动高的灵敏度，将导致重大生产困难，及制造成本将大幅增加。

32仿形加工方式

以传统的平动数控仿形加工方案为例，它是一种高性能、高频响应、高刚度的加工方式。滑板上设有外转刀座和内钻杆座，刀座具有足够的刚度，滑板可在滚动导轨上水平移动。数控仿形装置的伺服电机角度位移由偏心机构的运动转换，运动方式由弹簧作用在滑板上滑移，以便滑动板能够在水平方向上执行细微伺服运动［3］。弹簧的柔韧性和刚度经过仔细的计算和测试，足以传递内外轮廓位置的切削力，保证轮廓精度。仿形加工的切削要素公式：切削速度公式vx＝6·n1000·dρdθ（m／s）（1）加速度公式ax＝（6×n）21000×d2ρdρ2（m／s2）（2）n代表转速；d代表活塞环直径；ρ为活塞环面矢径；θ为转角。利用活塞环仿形加工切削速度公式（1）和加速度公式（2）得到自由曲线处理轮廓点数值，可实现活塞环外圆锥面的加工。这样加工外圆和锥度时，会出现部分活塞环的粗糙度过高，表面变形大，见图3。出现这种情况的起因是一系列不固定因素造成的，此现象不仅与活塞环每个制造阶段的周边不稳定性有关，还与制造工艺等多种因素有关［4］其主要因素如下：1．加工误差不同（厚度、高度、环周围单个截面与给定形状的偏差等）。2．加工活塞环时，由于材料结构和硬度不稳定，加工余量分布不均匀，环周围的各截面应力值不同。3．实际上，自由状态下环周弹性模量的失稳率大于7～8环，而在环的计算中，认为弹性模量是一个定值。对华闽南配集团股份有限公司采用仿形模具制造的直径150mm的梨形径向压力活塞环进行了分析，结果表明，该类环锥度的最大和最小计算值为1°45′时，加工检测只有873％的活塞环实际尺寸能得到保证，但是还有部分环的锥度等于零或是负值，不符合尺寸角度要求。在CAE工艺试验中得出，无论活塞环锥度是正锥度还是负锥度，开口间隙区的压力都会增大，是产生这127％不合格的原因，此方法加工效率低，废品率较高。以上两种方法都存在一定的缺陷。

4提出改进方式

41主轴偏置用走直线的方式加工活塞环锥面

目前，直线插补技术是在编程加工轮廓起点，沿X方向的走刀路线，如果终点低于加工轮廓点，则下一个线段将沿Y方向走段距离循环。此时，如果线段的端点仍低于加工轮廓，则会继续沿Y方向走循环指令，直到高于加工轮廓，然后沿X方向走段距离，继续循环依此类推。改进后，将装有垫片的多个活塞环安放在压口中，因此活塞环的每个锥形之间的间隔相同，衬垫垫片，压口的反方向由机床尾座中心顶着固定。此时用百分表将车床主轴偏置一定锥度，用两把或两把以上的刀具安装在支撑架上，并分两道加工工序，来粗、精车削环的表面。加工圆锥面时，刀只在直线方向上移动，因此加工活塞环外圆表面的技术得到了更新，此方式攻克了表面粗糙度不稳定的问题，解决了早期加工工艺上的不足。大大提升了加工过程中的速度，提高了产品的品质，降低了生产的成本。具体实施方式，在芯轴上固定几个粗加工的活塞环，每个活塞环之间设置同一垫片。注意垫片的厚度要一致，以便刀具进入切削时能保持一致，减少误差。如果垫片不一致，应使用砂纸打磨垫片，使垫片厚度符合加工要求［5］。端部用螺母与压板轴的螺纹连接固定，压板的一端安装在加工机床的主轴上，另一端由机床的尾座中心支撑。夹持在车床刀架上的方式与单把刀具相同，安放在压口上的活塞环距离是活塞环厚度总和的倍数。该设备是在传统两轴的数控机床框架上，将主轴偏置一定角度产生第三坐标，机床主轴上第三个坐标的运动方向是1°45′角。可用三角多项式表示活塞环的径向压力角：q（Ψ）＝q（1＋∑UK＝2qkcosΨ＋∑WK＝2qksinΨ）（3）—qk多项式系数；式中（3）的三角函数考虑到活塞环的非对称性用上式求出径向压力角。5锥度调整参数现有NC车床两个坐标，大支撑板（Z轴）它可以沿着直线做纵向移动，小支撑板（X轴）可以沿着相对于大支撑板上方的支撑板做横向移动。第三个坐标，在一个小的支撑板上有一个支架，刀架面板从机床主轴的角度移动1°45′，刀架安装在可转位的支架中，支架与小型支架连接，小型支架与大型支架相连接，运用表1计算出U、W的参数值，来引导驱动X轴和Z轴加载进给刀具，当刀具与活塞圆锥环接触时，X轴和Z轴启动引导装置带动倾斜轴控制刀具面板，沿1°45′角朝旋转轴方向进给，这时刀架带动刀具延直线移动，解决了插补运动带来的问题。如图4、图5所示。完成前一阶段后（即成品锥面被刀具加工后），导向装置带动X、Z轴移动，倾斜轴的刀具循环加工后回到起始点，朝着Z方向的纵向进给，进行下个一循环，重复上述操作，直到压板芯轴上锥形活塞环的锥面被全部加工完毕［6］。用走直线的加工方式加工出活塞环锥面，通过CAE试验爬表图可以得出，加工出的活塞环表面光滑，波动在合理范围，见图6。活塞环锥面平整饱满，无表面缺陷，符合制造工艺，达到了加

42采用改进的伺服电机直线插补方法加工活塞环

近年来，半导体电子技术大大提升了数控系统的运行倍数，半导体数字芯片控制系统在工业上得到了广泛应用。因此，有大量的高速数控系统可供选择，以满足活塞环加工的要求。更换先进的伺服电机和球螺杆组合是数字式加工的特点，直线伺服电机近些年在各工业生产中得到了迅速的发展，改进后的电机能够进行无机械连接和反向间隙的笔直移动，是加工活塞环锥面的理想选择。数控加工设备应用改进后，电机控制X方向进给和Z方向进给，使用芯轴智能编码器来搜集数据信息，实现了高性能数控系统直线插补加工锥面的功能。这种方式，需要安装两把刀具，第一把刀具用于控制工件的精度，第二把刀具用于校正表面光泽度。此方法所需要用的对刀时间较长，倘若进给的值小，所提供的参数值将会对活塞环的表面光泽有影响。对于NC车床来说，机械传动结构受灵敏度限制，小脉冲效率传动等要求难以满足。若条件允许，传动机件就具备高速效应，这就对生产的性价比大幅度提高。在NC车床中，刀具的最小运动单元是脉冲当量，刀具车削时延直线运行加工，这既能严格地沿轨迹运行，又能加工出折线刀路。当数控脉冲当量较小时，活塞环表面精度就能达到要求，这是脉冲量小就能控制表面粗糙度的原因，所以改变参数值有助于提高圆锥表面的粗糙度［7］。对于一般的数控车床来说，受到传动机构的灵敏度限制和系统精度的限制，不可能满足无休止的传动要求。如上所述，在车削活塞环锥面时，可采用改进的直线伺服电机，用直线插补方法加工活塞环完成锥面车削。改进的直线伺服电机加工出活塞环外表表面较为光滑，缺陷较少，见图7。

5结论

1．机床的直线进给加工通过偏置主轴锥度的方式，保证了活塞环外锥面的粗糙度，并通过数控车床实现了高精度活塞环的加工。要求操作者具有良好的数控应用理论和操作动手能力以及一定的机床维护知识。2．通过更换高精度伺服电机，使脉冲当量无限接近于零，用直线插补方法加工出表面粗糙度好，精度符合要求的活塞环。但传动精度高的伺服电机不仅造价高，而且不易维护，这些因素是企业需要考虑的问题。综上所述：传统的活塞环加工方法与改进后数控车床活塞环加工方法相比，CAE试验表明，改进后的方法加工活塞环外锥表面光泽度、粗糙度等参数均优于传统加工方法，具有一定的工程应用价值。

作者:刘晋斌 庄道军 单位:福建林业职业技术学院 华闽南配集团股份有限公司