（机械工程专业论文）中凸变椭圆活塞裙部的加工技术及数据生成.pdf

k中凸变椭圆活塞裙部的加工技术及数据生成摘要活塞是轿车发动机的关键零件，活塞的质量和产量直接影响轿车的质量和产量。附活塞裙面复杂型线先进加工方法的研究，对我国轿车制造的国产化起着非常重要的作用。户本文在分析各种活塞加工方法的基础上，设计一种新的软靠模加工系统，并着重于高频响微位移驱动器的选择和软靠模的数据生成和修改。f 活塞在气缸内工作时受到机械力、摩擦力和热负荷的作用而产生变形，所以目前广泛采用中凸变椭圆的活塞型面。这种复杂的外形造成其设计和制造的困难。活塞图纸上一般只给出某些截面上的一些离散的数据点，所以在制造活塞时首先要对其裙部的型面进行插值或拟合。由于三次样条拟合法不但算法简捷，而且有较高的拟合精度，能保证满足加工精度和表面粗糙度的要求，所_ 以) = 采用三次样条来对活塞裙部的型面进行插值，并选用功能强大的v c + + 语言编写拟合程序，提供友好的全中文的图形操作界面，能确保整个系统中的数据的安全性和一致性，使用户能较为简单地根据生产的实际情况对所生成的数据进行修正。对活塞裙部型面的加工最初采用的是硬靠模的方法，但由于其柔性差，修正、补偿困难，机床转速低等缺点，所以现在广泛采用的是软靠模的加工方式。f 软靠模加工方法的技术关键是：高频响的大行程微进给机构，目前广泛采用的微进给驱动机构是直线电机和电磁吸铁驱动机构，由于这两种机构都有在运行过程中绕组线圈产生的热将大大影响到系统的性能，一存在线性以及动特性较差的问题，不能保证活塞的加工精度。所剀本课题选择了压电陶瓷驱动器作为刀具的驱动机构，并对压电陶瓷驱动机构的响应频率和滞后、驱动力等特性进行研究。i 活塞裙面加工一直是活塞加工中的难点了本文应用先进的算法，结合目前活塞加工的实际情况，设计了具有通用性的软靠模数据生成和修改程序，并采用了一种新的纳米级的微位移驱动器来实现软靠模的加工。关键词活塞，型线拟合，压电陶瓷，微位移驱动器删l , o h i n i n gt e c h n i 饿i ea n dd a t ag e n e r a t i o no fm i d - c o n v e x & v j 恨i o u s - e l l i p t i o a lp i s t o ns k i r ta b s t r a c tp i s t o ni sac r i t i c a lm e m b e ro fs e d a ne n g i n e ，o fw h i c ht h eq u a l i t ya n do u t p u tt a k ed i r e c te f f e c to nt h eq u a li t ya n do u t p u to fs e d a nc a r t h er e s e a r c hj na na d v a n c em e t h o df o rm a c h i n i n gt h ec o m p l i c a t e dc u r v eo fp i s t o ns k i r tp l a y sac a r d i n a lr o l ei nl o c a li z a t i o np h a s eo fm a n u f a c t u r i n gs e d a nc a r si nc h i n a t h i sa r t i c l el a y o u t san e wf l e x i b l ee x p l o r a t o rm a c h i n i n gs y s t e ma g a i n s tt h ea n a l y s i si ni n d i v i d u a lf a b r i c a t i n gm e t h o d sf o rp i s t o na n df o c u s e so nh i g hf r e q u e n c ye c h om i c r o p o s i t i o n i n gd r i v e ra n do nd a t ag e n e r a t i o na n dc o r r e c t i o no ff l e x i b l ee x p l o r a t o r p is t o n ，a si t sr u n n i n gi nc y l i n d e r ，i sd e f o r m e db yt h ea c t j o n so fm e c h a n i c a lf o r c e ，f r i c t i o na n dh e a t1 0 a d t h i si st h er e a s o nt h a tt h em i d d l ec u r v e da n dv a r i o u se 1 1 i p t i c a lc u r v e sa r ew i d e l ya d o p t e df o rp i s t o nb u ti t sc o m p l i c a t e dp r o f i l er e s u l t si na r d u o u sj o bi ni t sd e s i g na n dm a n u f a c t u r e g e n e r a l i y ，i nap i s t o nd r a m i n gp r e s e n t ss o m ed i s c r e t ed a t ap o i n t si nc e r t a i ns e c t i o n so fp i s t o ns ot h a ti t sn e c e s s a r yt oi n t e r p o l a t eo rs m o o t h ( o rf i t ) t h ec u r v e sa tt h es k i r to fp i s t o n t h ec u b i cs p l i n ei m it a t i n gc h a r a c t e r se a s ya l g o r i t h ma n dh i g hs m o o t ha c c u r a c yw i t hs a t i s f a c t i o nt ot h es p e c i f i c a t i o n so fm a c h i n i n ga c c u r a c ya n ds u r f i c i a lc o a r s e n e s s t h ea p p l i c a t i o no fc u b i cs p l i n ei m i t a t i n gf o ri n t e r p 0 1 a t i n gt h ec u r v e sa tt h es k i r to fp i s t o ni nc o o p e r a t i v es u p p o r to fc o m p i i i n gt h es m o o t h i n go rf i tp r o g r a mw i t hp o w e r f u la n df u n c t i o n a lv c + + l a n g u a g ew i l lo f f e rf r i e n d l yf u l lc h i n e s eg r a p h i co p e r a t i o ni n t e r f a c ea tt h em e a nt i m ee n a b l e st h es e c u r i t ya n dc o n f o r m a b i l i t yo ft h ed a t ai nt h ew h o l es y s t e mf o re n du s e r st ot a k em u c he a s i e rc o r r e c t i o nf o rt h ed a t ag e n e r a t e di nc o n f o r mw i t ht h ea c t u a lo p e r a t i o na v a i l a b l e t h ei n i t i a t i v em a n u f a c t u r ef o rp i s t o ns k i r tp r o f i l e sd e p e n d e do nt h ec a mw i t hs u c hd i s a d v a n t a g e sa si e s sf l e x i b i l i t y 。d i f f i c u l tt oc a l i b r a t ea n dc o m p e n s a t i o na sw e l ia sl o wr o t a t i n gs p e e do fl a t h e n o wt h ef l e x i b l ee x p l o r a t o ri st h e r e f o r ew i d e l ya d o p t e di n s t e a d t h ec o r et e c h n o l o g yo ft h ef l e x i b l ee x p l o r a t o ri sh i g hf r e q u e n c ye c h ol o n g - s t r o k em i c r of e e d - i nm e c h a n i s i l l s of a rt h em o s tp o p u l a rm i c r of e e d i nd r i v i n gm e c h a n i s mi so f1i n e a rm o t o ra n de l e c t r o m a g n e td r i v i n gm e c h a n i s m u n f o r t u n a t e l y ，i nt h er u n n i n go fe i t h e ri in e a rm o t o ro re l e c t r o m a g n e td r i v r i gt h ew i n d i n gb o b b i no rc o i1t h e r e o fg e n e r a t e sh e a t ，w h i c ha f f e c tt h ep r o p e r t yo ft h es y s t e mr e m a r k a b l yw i t hs u c hp r o b l e m sa sl i n e a r i t ya n dd y n a m i c sr e l i e y e da n db e y o n dt h em a n u f a c t u r ea l l o w a n c ea c c u r a c yr e q u i r e df o rp i s t o na sw e l l t h i sa r t i c l et h e r e f o rf o c u s e so nt h et o p i co fu s i n gp i e z o e l e c t r i cc e r a m i cd r i v i n gd e v i c ea sc u t t i n gt o o lo ft h ed r i v i n gm e c h a n i s ma n dc o n c e n t r a t e so nt h er e s e a r c ho ne c h of r e q u e n c ya n dr e t a r d a n c y ，d r i v i n gf o r c ee t c o ft h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i cd r i v i n gm e c h a n i s m t h es k i r tp r o f i l ei st h ea p o r i ai nt h em a n u f a c t u r eo fp i s t o n t h i sa r t i c l eo f f e r sy o ua nu n i v e r s a ld a t ag e n e r a t i o na n dc o r r e c t i o np r o g r a mf o rf l e x i b l ee x p l o r a t o rd e s i g n e du p o nt h ea d v a n c e da l g o r i t h mb a c ku pt h ec u r r e n tp r a c t i c ei np i s t o nm a n u f a c t u r ei nc o n j u n c t i o nw i t ha nu p t o d a t em i c r o p o s i t i o n i n gd r i v e ra tn a n o m e t e rl e v e lt of u l f i l lt h ef a b r i c a t i o no ff l e x i b l ee x p l o r a t o r k e yw o r d s ：p i s t o n ，c u r v ei m i t a t i o n ，p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c ，m i c r op o s i t i o n i n gd r i v e r圭塑壅望垄堂三堡堡主堂垡笙塞一羔兰墨j i 堕二第一章引言活塞是轿车发动机的关键零件，活塞的质量和产量直接影响轿车的质量和产量。活塞加工方法的研究不仅是国外汽车配件制造厂家研究的热点，而且对我国轿车制造的国产化起着非常重要的作用。1 1 课题的目的和意义随着人民生活水平的提高，汽车成为人类日常生活中必不可少的交通和运输工具。汽车制造业成为世界许多发达国家的支柱产业，也是我国工业发展的六大支柱产业之一。我国汽车制造业的发展迅速，仅2 0 0 0 年1 到9 月份一些汽车生产公司的生产和销售就已达到几万到十几万。例如，中国一汽集团公司的生产量是1 6 3 ，2 4 9 辆，销售量是1 6 7 ，9 4 4 辆，上海大众汽车有限公司的生产量是1 5 9 ，0 1 3辆，销售量是1 5 9 ，4 7 2 辆，上海通用汽车公司的生产量是2 2 ，8 9 0 辆，销售量是2 1 ，3 7 0辆，广州本田汽车有限公司的生产量是2 i ，0 5 5 辆，销售量是2 0 ，9 2 3 辆等，如此庞大的市场需求，无疑给汽车配件制造商增加了不小的压力，其中也包括活塞制造商。特别是我国进入世界贸易组织已将成为事实，汽车进口关税将从目前的8 0 1 0 0 虱j2 0 0 5 年前降到2 5 ，而且国际市场轿车价格比国产车低，大约是国产车的1 4 4i 3 ，即使加上2 5 的关税，其价格仍然大大低于国产车，其质量、款式和安全性也比国产车有明显的优势，这必将使国外汽车产品对国内汽车工业造成极大的冲击。为了奠定我国轿车制造业的坚实基础，增强我国轿车的竞争力，必须更快更有效更高质量地生产汽车零部件，于是在市场需求和现实状况的驱动下，研究活塞的高效高质加工方法已成为势在必行的事。2 1尽管改革开放以来，我国汽车工业有了长足的进步，但是，无论从产业结构、产品结构和水平，产品开发能力及制造技术水平等方面和世界先进水平相比，还有较大的差距。就产业结构来说，一个国家的轿车行业经济规模一般为1 5 0 万辆年，而我国目前轿车生产能力还远未达到这一水准。一个轿车企业的经济规模一般为6 0 万辆年，而我国目前最大的轿车生产企业上海大众汽车公司的产量还不到3 0 万辆年；就产品结构来说，目前生产批量较大的轿车品种仍集中在1 8 升以上的中级或中高级轿车，而应当成为轿车消费主体的私人购车市场尚需化较长的时间进行培育，这种具体的国情不仅直接影响轿车市场的扩展，而且影响轿车产品的结构，所以，产品结构调整的任务仍很艰巨：就产品开发能力来说，由于轿车是集各种现代技术之大成的产品，而世界轿车市场的激烈竞争和科学技术的迅速发展，轿车更新换代周期不断缩短，因而产品的开发能力已成为竞争的基本因素，目前我国轿车产品开发能力还比较低，尚处于“初级阶段”；就产品制造技术来说，一般用人均固定资产率来反映制造技术的整体水平，德国大众汽车公司1 9 8 9 年人均固定资产率约合人民币6 0 万元，而我国汽车工业1 9 9 3 年人均固定资产率只有6 6 4 万元，我国目前轿车企业人均固定资产率仅为西欧平均值的第1 页1 05 。综合上述几个方面可以看出，我国汽车工业和世界水半尚伺1 艮灭削距尚。为了缩短差距，迎头赶上，除了国家对汽车工业继续采取保护和扶植政策外，推进现代企业制度的建立，促进百万辆级民族汽车企业集团的形成，多渠道筹集资金，加快形成独立自主开发能力等措施正在积极推行和实施之中。随着汽车工业的高速发展，我国汽车发动机的发展进入了一个新的阶段。轿车发动机的品种随轿车品种和技术的引进而大大增多。在已建成的各轿车生产基地，发动机已开始实现规模化生产，如上海大众发动机厂不仅已形成年产3 0 - 力台以上j v 型1 8l 化油器式汽油机的能力，而且已开始批量生产桑塔纳2 0 0 0 g l i型轿车用的a f e 型1 8l 电控汽油喷射发动机。1 9 9 8 年3 月问世的用于桑塔纳2 0 0 0 g s i 型轿车上的a j r 型1 8l 无分电器电控汽油喷射发动机把我国制造的轿车发动机的水平又提高到一个新的台阶。我国轿车发动机进入自主开发阶段的日子已为期不远了，因此必须更快更有效更高质量地生产活塞，于是研究活塞加工方法已是势在必行。发动机是汽车的心脏，而活塞是发动机的重要零件。发动机不断向高速、高负荷发展，同时对其性能、可靠性、寿命及排放和噪声限值等提出很高的要求，这些要求无一不增加活塞设计及制造工艺的复杂性，对活塞裙部外形型面的设计要求也越来越高。变椭圆一中凸型面的裙部这样设计，主要是保证气缸壁很好地贴合，降低裙部比压，且能减小配缸间隙，因而能减小活塞对气缸壁的冲击，降低噪声。中凸裙部与气缸壁将形成楔形油隙，能改善润滑，减小零件磨损，增加使用寿命。裙部的加工直是活塞加工中的难点，传统的加工方法，已不能满足需要，因此，研究中凸变椭圆活塞裙面的加工方法已经显得十分必要。”11 2 课题的研究背景近年来，国内的轿车工业取得了迅速的发展，轿车工业的迅速发展对于机械制造业是一个特别强大的发展动力，使得机械制造业的支柱产业地位日趋明朗。为了配合汽车工业的迅速发展，提高国内市场占有率和国际竞争力，同时也是为了贯彻机械制造业的科技发展方针，许多汽车配件的生产厂家在积极引进国外设备时的同时，越来越重视对引进技术的消化吸收，注重于在国外技术引进的基础上，以企业为主体，提高自主开发能力。作为一家能直接与轿车配套生产活塞的专业厂家一上海活塞厂，为了与桑塔纳轿车等车型生产配套，自8 0 年代中期开始逐渐从国外引进了1 0 0 0 多万美元的活塞加工关键专用工艺设备，组成了我国第一条轿车用活塞生产线，但其生产能力只能为年产1 0 2 0 万的轿车配套服务。而要为国内日益迅猛发展的各大轿车生产厂家配套生产活塞，就不得不继续对活塞生产的一些关键设备进行再投资，进一步扩大生产规模，以满足当前汽车工业的发展。而如果直接从国外引进这些设备，那又将耗资上千万美元，这是企业难以承受的。为了降低活塞制造成本，发展我国先进制造技术，研制活塞加工关键工艺设备势在必行。为此，1 9 9 4 年原上海活塞厂( 现为上海k s 活塞有限公司) 根据生产发展的需要，提出了引进设备国产化的设想。在上海市重点办、上第2 页圭塑窒塑查堂三堡堡主兰焦丝苎里二苎! ! 重海桑塔纳轿车国产化办公室、上海汽车工业集团总公司、上海桑塔纳轿车攻关项目办公室的支持下，由上海交通大学、原上海活塞厂以及有关机床厂组成了攻关队伍，制定了详细的研究计划，并经过数年的奋战，成功地研制了全自动c n c镗削活塞销孔专用机床、全自动c n c 精车活塞止口专用机床、活塞成品综合检测仪、超精镗活塞销孔专用机床以及半自动活塞铸造机等一批攻关设备 3 - - 6 并已全部运抵原上海活塞厂投入了正式生产。但由于硬靠模加工方法使得活塞的车削加工在很大程度上受靠模本身的制造精度限制，对靠模的修整、补偿很困难，要改变活塞的形状、尺寸，就需要很长的生产周期，靠模的使用也限制了机床的转速，而不能提高生产率，因此对“软靠模”加工方法的研究势在必行。1 3 本课题研究的主要内容在分析各种活塞加工方法的基础上，设计一种新的软靠模加工系统，并着重于高频响微位移驱动器的选择和软靠模的数据生成和修改。( 1 ) 本课题在研究活塞裙部型线的外形特点的基础上，选择最佳的型线拟合方法，编制活塞裙部型线拟合程序。活塞在汽缸内工作时受到机械力、摩擦力和热负荷的作用而产生变形，所以目前广泛采用中凸变椭圆的活塞型面。这种复杂的外形造成其设计和制造的困难。活塞图纸上一般只给出某些截面上的一些离散的数据点，所以在制造活塞时首先要对其裙部的型面进行插值或拟合。由于三次样条拟合法不但算法简捷，而且有较高的拟合精度，能保证满足加工精度和表面粗糙度的要求，所以采用三次样条来对活塞裙部的型面进行插值，并选用功能强大的v c + + 来编写拟合程序，提供数据修改的界面。( 2 ) 对活塞裙部型面的加工最初采用的是硬靠模的方法，但由于其柔性差，修正、补偿困难，机床转速低等缺点，所以现在广泛采用的是软靠模的加工方式。软靠模加工方法的技术关键是：高频响的大行程微进给机构，目前广泛采用的微进给驱动机构是直线电机和电磁吸铁驱动机构，由于这两种机构都有在运行过程中绕组线圈产生的热将大大影响到系统的性能，存在线性以及动特性较差的问题，不能保证活塞的加工精度。所以本课题选择了压电陶瓷驱动器作为刀具的驱动机构，并对压电陶瓷驱动机构的响应频率和滞后、驱动力等特性进行研究：第3 页圭查窒望查兰三堡堡主兰焦堡苎星三皇适窭塑堕塑量皇塑塑三! ! 生第二章活塞的结构特点和加工特点2 1 结构特点中凸变椭圆活塞裙部型线的特点与活塞所实现的功能有密切的关系。活塞是发动机的重要零件，其作用是：与气缸盖、气缸共同组成燃烧室，将所承受的作功行程中气缸内的燃气压力，通过活塞销和连杆传给曲轴。活塞是在高温、高压和润滑、散热都较困难的环境中工作的，工作时温度高达2 5 0 。3 0 0 。c ，其顶部所承受瞬时压力最大值为3 5 m p a ，平均速度达8 1 2 m s 。因此要求活塞质量小，热膨胀系数大，导热性好，且有较好的耐磨、耐腐蚀性，在各种工况下都能与气缸壁面之间有合适的间隙。目前，活塞大都采用铝合金材料制造。活塞由顶部、头部、裙部和活塞销座等四个部分组成，如图2 i 所示】。活塞顶部是燃烧室的组成部分，所以它的形状与选用的燃烧室形状有关，通常采用平顶、凹顶、凸顶等形状。平顶活塞吸热面积小，制造工艺简单，在过去的汽车汽油机上用得较多。为了增加顶面的挤气面积，改善混合气的形成和提高燃烧速度，现代轿车汽油机活塞常采用凹顶活塞。活塞头部是指活塞环槽以上的部分，它由数条活塞环槽组成的环带区和第一道环以上至顶面的火力岸两部分构成。除了承受气体压力外，头部的个重要作用是与活塞环一道构成气缸的密封，并通过活塞环，特别是第一道环将活塞顶吸收的热量传给气缸壁。图2 1 1 活塞的结构t 顶面；2 头部；3 - 裙部；4 销座；5 环带区；6 火力岸活塞裙部是指活塞最后一道环槽以下的部位。7 避阀凹坑它与气缸壁接触引导活塞在气缸内作往复运动，并f i g2 1 - l t h es t r u c t u r eo f p i s t o n承受气缸壁给它的侧推力。活塞裙部的长度通常由最大侧压力时承压面积是否足够来决定。为了使活塞裙部在正常的运转情况下与气缸壁保持比较均匀的间隙，以免在气缸内“拉毛”或“咬死”，必须使活塞裙部在工作时尽量保持“正圆柱形”。然而，由于在气体压力作用下，作用在活塞销销座处的活塞销支反力以及侧压力使活塞裙部产生机械变形，其直径沿活塞销轴线方向上有增大的趋向：此外，活塞销座附近的金属“堆积”，热变形时此处的膨胀量最大。上述几个原因造成个加工成“正圆柱形”的活塞在工作时，裙部实际上是一个“椭圆柱”，其长轴在活塞销孔的轴线上。不仅如此，由于活塞温度沿轴线方向分布是上高下低，质量分布也是上多下少，所以各断面的热膨胀量是上大下小，因此，活塞在工作时，变成一个倒锥形的椭圆柱。为补偿上述机械变形和热变形，须在冷态下将活塞加工第4 页成其断面为长轴垂直与活塞销座轴线方向的椭圆形。这种椭圆彤裙征j 一1 乍h 1 口j 便活塞裙部接近于正圆。裙部的椭圆度作成自下而上逐渐增大，即裙部横截面上是一个个自下而上的变椭圆，而裙部纵向截面的轮廓线为一条中部外凸的曲线t 这种曲线不仅可适应活塞温度的分布，而且具有良好的润滑性能及较高的承载能力。活塞销座位于活塞的裙部，用来安装活塞销。活塞顶部气体作用力通过活塞销传给连杆。销座与活塞项一般都有加强筋来提高顶部的刚度。为防止活塞销在工作时的轴向窜动，在销座孔内设有弹性挡圈槽。同时，为了改善热变形，还可以将销座附近的裙部外表制成凹陷形状或开有“t ”形槽或“i i ”形槽，以切断从头部向裙部传热的部分通道，减少裙部所热膨胀量，并使裙部具有弹性。内燃机活塞的形状之所以这么复杂，是因为活塞工作在高温高压的恶劣环境中，工作过程中必然会产生热变形。其变形量不但受负载和转速的影响，而且与其本身的结构有很大关系。活塞上打有径向的销孔，而且各处壁厚不均匀。另外，活塞工作时，上下部温度也不同。因此，活塞在工作时变形非常复杂。为了保证工作状态下的配合，在常温加工时，就必须把热变形量补偿掉。目前中凸变椭圆是公认的活塞裙部的优良型面。2 2 活塞裙部型面研究2 2 1 活塞的纵向型线纵向截面外形型线的设计依据主要有两个律；二是应用流体动力润滑的概念。活塞纵向温度t 的传热规律式是：t = t 0 e “。( 2 2 1 )式中t n 一裙部上端处的温度值z 裙部轴向坐标( 方向由下至上)m 与导热系数、传热情况和裙壁厚度有关的系数因此，裙部纵向的金属缩减量按温度分布规律应符合上述规律，即上端温度高，应多削减金属。由滑动轴承流体动力润滑论可知，工作在轴与轴承之间的楔形油膜，由于轴与轴承之间高速相对旋转运动，产生旋转油膜压力。由于这两种( 旋转及挤压) 油膜压力的存在，使轴悬浮在轴承中工一是沿活塞纵向的温度分布规图2 2 1 活塞受热温度梯度图作，即处于液体摩擦状态。上述流体动力润d i a g r a mo f p i s t o n滑概念对于作相对往复运动的摩擦副也适用。如果活塞裙部与气缸壁间存在着楔形油膜，当活塞在气缸内往复运动时，油膜将产生定的压力来支承活塞裙部，第5 页塑銮塑查堂三堡堡主堂垡堡苎塑三皇_ ! 重墨塑丝塑堑生墨! ! ：! ；! 坠l使油膜不至于破坏而实现液体摩擦。液体摩擦可以减小摩擦功和零件的磨损量。因此，设计的裙部的纵向型线，不但要在冷态时呈中凸形，而且在工作状态f 还应呈微中凸形，以使裙部与气缸壁之间能存在楔形油膜。有中凸裙部的活塞在往复运动中换向时，能更好地适应活塞换向时的倾斜，有利于平稳地换向。中凸活塞裙部与气缸壁面能很好地贴合，有可能使配缸间隙大大减小，这对减小发动机窜油、窜气，降低发动机噪声及防止气缸套穴蚀是很有效的措施。中凸型线的形状由热力学和流体动力学两个因素决定，但合成后，得到什么样的中凸曲线，不能用确切的数学方程式表达。在实际应用中，一般通过国外的一些图纸及样品的测绘获得离散点的坐标，用列表曲线来表示，加工中用拟合和二次逼近等数学方法来解决。2 2 2 活塞横截面型线传递给汽缸，这样活塞还将受到与汽缸壁之间摩擦力的影响( 如图2 2 2 ) ，摩擦力的大小同活塞裙部的长度通常呈线性的关系。但为了简化起见，一般把活塞裙部看成一个开口的壁圆筒，气缸对活塞裙部的侧向力被简化为集中载荷p ( 图2 2 3 ) 。图2 2 2 活塞受力图f i 9 2 2 2t h ef o r c ed i a g r a mo fp i s t o n在p 的作用下，根据蕾莱( l o r dr a y t i g h t ) 定则，沿中心线上任一点的径向位移u 为：堕( c o s p + 口s i n 0 一兰)4 e 、口7图2 2 3 薄壁圆环受力及变形f i 9 2 2 _ 3t h ef o r c ea n dt r a n s f o r m a t i o nd i a g r a mo f t h i nc i r q u e式中e 一材料弹性模数i 一裙部截面惯性矩r _ 一圆环的原始半径第6 页卜扩卜，矿b，矿h卅卅卅门j1爿j1爿差负受力塞温械均压活的机塞的过上受活生通面塞，产将截活下气力一是况燃分同据情由平，依的则水的计角力个称设柄性一对要曲惯生轴主个其产是的一，力本线何用用基型任作作状向在的的形横。力杆的部形的连部裙变来由裙以械传时塞所机杆同活，的连。大后由衡不荷到平土塑窒望查兰三堡堡主堂些丝兰笙三兰墅墨堕堕塑堑皇塑塑! ：塑墨0 一对销孔中心线的夹角将式( 2 2 一i ) 用傅力叶级数展开，e 改用( 9 0 0 + a ) 代替，并取得第一项得：脚2 9 z e i 。0 5 搬( 2 2 - - 2 )当e ：0 0 时，即p 的作用点处，裙部向内收缩，其径向位移为：2 p r3峨2 j 面( 22 3 )变形规律及裙部椭圆外形受力后的各点相对短轴处的凸出量为：= 。0 1 一国= 国0 1 ( 1 一c o s 2 a )如果将活塞裙部的横截面先按此值削制成椭圆，如图力后反可变成正圆，这就是普遍应用的横截面椭圆规律。( 22 4 )( 2 2 3 ) ，则当活塞受因式( 2 2 2 ) 是取傅立叶级数的头一项得到的，故又称单椭圆，如果取头两项，则= o i ( 1 一c o s 2 z ) + 0 2 ( i c o s 4 a )此为双椭圆，双椭圆规律与单椭圆相比，在o = 4 5 0 处常采用个b ( 鼓性系数) 来修正它，这对有些活塞是必要的，特别是一些轿车发动机上的活塞，例如上海k s 活塞有限公司生产的桑塔纳发动机活塞。双椭圆活塞的结构复杂，加工困难，所以一般采用单椭圆规律，在4 5 0 处需要多切去的金属用加大椭圆度或采用工艺上相对简单的椭圆加偏心的方法来实现。活塞裙部的上端与下端相比，上端温度高，壁厚大，加上销座处金属多，热膨胀量大。为改善裙部与气缸壁的贴合，防止咬缸，裙部上端应有更大的椭圆度，即椭圆度设计成沿活塞高度方向变化的变椭圆。其变化规律通常是线性的，一方面线性变化已可满足设计要求，另方面线性变化的椭圆在工艺上容易实现。根据以上分析可见，活塞的外形结构一般设计成中凸变椭圆的形状，它的这种结构造成了加工上的困难，使得人们不断探索高效和高质的加工方法。2 3 活塞裙部型线的拟合方法对于活塞裙部形状的测量，常用的方法是用分度盘、千分表和三坐标测量机或圆度仪。无论用何种方法测量，得到的都是一些离散点的坐标位置，而没有实际型线表达式，缺乏整体概念。在些国外的活塞图样上，情况也是如此，裙部纵向型线也只标明一些离散点的坐标值。这些都给活塞外形曲线的分析和对国外典型活塞的引进造成很大困难。所以，研究活塞裙部型线的拟合有重要的实用价值。活塞裙部型线的拟合一般采用以下几种方法：最小二乘多项式法和三次样条拟合法。h10 1一活塞裙部纵向型线的最小= 乘多项式拟合法第7 页y 。= + d i h ，+ d 2 h 。2 + + h 。”= a ，囊y = o式中，i = 0 ，l ，2 ，n 一1 ；j = o ，1 ，2 ，m ；n 为采样数据个数；m 为多项式的拟合次数。依据最小二乘原理确定多项式各次项的系数a j ，z d - d 2a j 的任何选择，第i 个数据点的残差是：令= d ，h i 。一y rj = 0最小二乘准则要求选择a ，以使残差的平方和达到最小。即m i n i m i z e 2q = 2i = o要使q 达到最小，对于k = o ，1 ，2 ，m ，必须有塑：omn ih l( 魂”) n ，= ”啊求导后交换求和顺序，可得到，；o 一0一。这是一个以aj 为未知数的线性联立方程组图。令= 囊”q = f 。于是方程组变为脚( k = o ，l ，2 ，r f l )用选主元的高斯消去法解线性方程组式( 8 ) ，即可求得a ，将8 i 代入式( i ) 即可求得拟合曲线方程。由于曲线拟合好坏是以拟合的剩余误差平方和大小来衡量的，故阶次的选取要有利于降低各点的剩余误差平方和。随着阶次m 的增大，拟合曲线波动增大，拟合多项式对测得数据集的密合程度增大，逐渐接近各个拟合点，各拟合点的剩余误差平方和减小。当阶次m = n 一1 时，自由度u = o ，拟合曲线将完全通过各拟合点，剩余误差平方和为零。但是，这种情况是不希望出现的，因为，此时拟合曲第8 页圭童窒望垄兰王婴主兰垡堡苎一一堡三墅婴型掣翼黑生线有较大的因随机误差起伏引起的波动，是未经数据处理的原始测定值的连线，并不反映h ，和y i 之间的变化规律。通常选取阶次m 小于n 一1 或远小于n 1 ，这样，不仅有助于拟合曲线的光滑，还可以更好逼近y r 、与h 、之间的变化规律。因此，有必要确定拟合多项式的最佳阶次。1 用统计检验的方法一f 检验来确定拟台多项式的阶次假定影响测量值的随机误差相互独立，标准偏差相等且服从正态分布，数据集 h i y r ) ，i = 0 ，1 ，2 ，n 1 的剩余误差平方和为n iq = ( 儿i ：o理论上可以证明方差比凡=( q l q ) ，j 1q ( 月一m - 0 f ( 1 ，n m 1 )取给定的置信水平a ，由统计分布表查出f 分布的临界值f 。( 1 ，n m 1 ) ，当f m f 。( 1 ，n m i ) 时，说明m 次项对拟合曲线贡献较大，应当引入。反之，不必引入。当引入m 次项后，再判断m + 1 次项的显著性。不断重复上述过程，直至f 。 f 。( i ，n - m 一】) 为止。2 用拟合最大误差满足给定误差限确定拟合多项式的阶次用多项式对纵向型线进行拟合时，先预设拟合多项式的阶次m 和拟合的最大允许误差e p s ，求出用m 次多项式拟合时的最大误差e 。当e e p s 时，说明用m次多项式拟合即可满足精度要求，m 即为拟合多项式的最佳阶次。于是，将所求的m 次多项式作为纵向型线方程。否则，增加拟合多项式的阶次，直至满足要求为止。多项式拟合时，一般选用次数较低的多项式。当拟台精度达不到要求时，就要增加多项式的阶次。但是，当拟合多项式的阶次选得过高时，会出现龙格( r u n g e ) 现象，使拟合曲线与被拟合曲线不符，所以不宜选择高次多项式进行拟合。为了提高多项式的拟合精度，又要克服高次多项式拟合的不足，可以用低次多项式分段拟合的办法来解决。分段多项式拟合有很好的局部性质，但由于多项式是分段作成的，只能保证拟合曲线的连续性，拟合曲线并不光滑。二活塞裙部纵向型线的三次样条函数拟合1 三次样条函数的提法对于区间【a , b 】的一个分划：a = x o x l 长轴一 短轴一 长轴一 短轴，也就是说，刀具必须往复进给两次。主轴转速越高，刀具的进给频率越高，椭圆度越大，则刀具运行的速度、加速度就越大，因此，实现椭圆截面的加工最重要的一环是对刀具运动的控制，这主要体现在两方面：( 1 ) 刀具能够实现高频微幅往复直线运动( 2 ) 刀具进给往复运动和工具旋转运动保持严格的对应关系这样，车削加工活塞要解决的关键技术就是：( 1 ) 研制具有高频响的大行程微进给机构。当用普通的步进电机或交、直流伺服电机驱动刀具进给时，必须用机械或液压机构将电机的回转运动转换成直线运动。机械运行惯量较大，难以实现高速的往复进给运动，而且从电机到刀具之间传动环节的运动误差会影响工件的车削精度。( 2 ) 要有高精度的精密车床。在加工过程中，车床本身的运动精度、几何精第1 6 页上海交通大学工程硕士学位论文第二翥活塞的结构特点和加工特点度及传动精度都将直接或间接地影响加工质量。( 3 ) 必须配备相适应的检测系统。( 4 ) 必须配置相适应的精密数控系统。系统软件设计愈合理，通用性愈广则系统的加工范围愈广柔性愈大。m l第1 7 页圭查銮望查兰三望堡主堂垡堡茎笙三童至墨塑三塑查堕! 壅! ! 竖第三章活塞加工技术的研究现状最初加工中凸变椭圆活塞的方法是硬靠模加工方法，硬靠模车削加工是利用仿形的原理，通过一个或一组靠模驱动刀具作切自0 进给运动，制造出与母靠模相同形状的活塞。这种加工的方式一般均具有加工稳定性好的特点，而且很大程度上也满足活塞的大批量生产，根据驱动刀具运动装置的工作原理，硬靠模车削方法可以分为平面靠模车削和立体靠模车削两大类。目前国内外仍然有较多的厂家在实际活塞车削加工中采用了硬靠模的生产方式，但是国际汽车市场的竞争日益激烈，使得汽车的生产向多品种、小批量的方向发展，同时随着发电机设计领域中流体力学、摩擦学、热力学等理论的应用，活塞的变型比以往更为频繁。硬靠模方式在产品更型时更换新的靠模时，存在靠模制造要求高、加工困难、成本昂贵等问题，而且采用硬靠模加工方式还需考虑机床本身的加工精度、摩擦、发热等问题，机床的主轴转速受到了定的限制，对活塞生产效率的提高也有较大的影响。因此，在8 0 年代以后，国外开始了以活塞为背景的非圆截面工件数控车削系统的研制，并更多地将研究的重点放在以软靠模方式作为实现活塞车削上，以满足今后活塞不断更新的要求，使得活塞加工具有更大的柔性。软靠模加工是借助于计算机技术，将活塞型面尺寸各参数完全数据化，形成所谓的数字化靠模，并以此进行编程控制相应的刀具驱动机构实现活塞的车削加工。软靠模车削加工的这种方式在使用过程中不会存在因为靠模磨损而造成的加工误差，重复加工精度高，同时具有较大的柔性，因而比较适于活塞的快速改型。1 国外软靠模加工的研究现状最早在软靠模车削加工中取得重大突破的是联合工程开发组( a e 公司) ，该公司于1 9 8 4 年研制成功了一种新型数控机床用于活塞的车削加工，该数控机床使得活塞的精加工用单点金刚石车刀一次完成，而毋须再通过传统的精磨这一加工手段。同时，a e 公司设计的这台机床，开创了设计的个新纪元，因为它首次提出了无靠模加工的概念，并借助于m o t o r o l a 的1 6 位高速处理器实现了无硬靠模椭圆加工系统( c a m l e s s o v a l t u r n i n gs y s t e m ，简称c o t s ) 的c n c 车床一l 。美国的c r o s s 公司于1 9 8 7 年首先研制了一套独特的硬件及软件系统，推出了第一代c n c 活塞机床。该机床突破了传统采用硬靠模随动系统仿形加工的方法，采用c n c 系统来加工高精度复杂活塞。一个c n c 控制刀架上刀具位鼍，这些信号由编码器和含有所加工工件信息的控制程序产生的，编码器监测被加工工件的瞬时旋转位置。闭环控制系统接收到这些信号后，将它转化为控制直线电机的电流，从而控制刀具的运动。直线电机驱动拖板，刀架就安装在这个拖板上。拖板是一个空心的方形棒，通过安装滚珠导引拖板，滚珠提供约束。该装置安装了多种传感器，可通过闭环系统提供位置和速度反馈。闭环控制系统含有多种电流成份，第1 8 页圭塑銮望查堂三望堡主兰垡堡苎一墨三鎏l 重墨塑三茎查苎! ! ；! 型以提供对信号的迅速而真实的响应。该机床具有迅速修正工件的位置信息以精确加工复杂工件的能力，仅仅改变c n c 程序就可加工不同形状的工件。它采用高性能的线性马达来完成往复进给，在主轴转速为3 6 0 0 r p m 时，驱动刀具的重复精度达1 u m ，分辨率为o 5 u r n ，直线进给装置的工作行程为2 5 m m ”“。在1 9 8 7 年，日本的i z u m i 公司就和东京大学技术研究所开始共同开发活塞外形加工用高速c n c 车床。加工机床由数控车床、微进给机构加工椭圆，控制数控车床伺服电机加工裙高方向型线。采用了如图3 1 1 8 ”1 所示的电磁驱动机构，采用电磁吸铁的方式来实现驱动机构的高频微位移进给。t a k i s a w a 的三宅锈彦等人在t p s 一4 0 0 0 3 0 0 0 c n c 非圆截面车削机床中也采用了由电磁力直接驱动的高速往复进给机构，在加工椭圆过程中，车床主轴转速为3 0 0 0 r p m 时，电机的往复进给幅值可达0 2 r a m ，当主轴转速为1 0 0 0 r p m 时，进给幅值可达1 8 m m 。h i g u c h i 与y a m a g u c h i 等人在1 9 9 6 年采用电磁的方式研制的f t s ，其刀具运动的微位移行程为0 1 m m 一0 5 m m 【2 “2 ”。采用该加工机床，几乎什么形状的工件都可以加工，其轮廓精度多项指标可达2 u m 以内，该设备曾在1 9 9 1 年北京国际机床展览会上展出。图3 1 - 1 电磁吸铁驱动机构f i g3 1 1t h ec o n s t r u c t i o no f e l e c t r o m a g n e t i cd r i v i n ga t t a c h m e n t莫斯科动力学院和汽车工业工艺研究院也从8 0 年代开始就致力于车床上软靠模加工活塞的新工艺研究。该工艺的实质在于刀具进给采用直线拖动装置，靠该装置的快速优点来控制刀具的弱动，以便在主轴高速旋转车削时形成可以满足精度要求的椭圆中凸表面。在加工过程中刀具可以控制的最大位移量为0 6 r a m ：刀具补充位移轴向合成的最大切削力为3 0 0 n ；加工椭圆活塞时机床主轴的转速可以达蛩j 2 5 0 0 r p m 【17 1 另外，日本的东京大学生产计算研究所通1 2 1 俊郎等人在1 9 9 2年研究用直线电机来完成高速往复进给以加工非圆截面零件，并取得较好的加工效果”。除此以外，德国的w e i s s e rc o 在非圆截面切削的实现中也均取得了相当的成果。1 9 9 2 年，日本的s u g i t ak a z u h i k o ，y a m a k a w ay o i c h i 等采用了直线电机与压电器件混合方式实现f t s ，该系统利用了压电器件的高频响应性能以及直线电机的运动行程长等优点，将p z t 共轴安装在直线电机的滑轨顶部，这样直线电机滑轨运动与p z t 产生