工作表面微坑振动冲击加工方法研究

工作表面微坑振动冲击加工方法研究

摩擦副工作表面储油结构的研究引起了国内外科学家和研究人员的高度关注。其中，点哈曼法的研究已成为当前的研究重点。Klink、Chris等开展了激光珩磨技术的研究,取得了有益的进展,但是,激光珩磨设备昂贵,维护复杂。国外研究人员采用SiC研究技术改进缸套工作表面储油结构,取得了一定的成效,但不能获得相互独立、均匀分布、形状规则、深度一致的蜂窝状点坑。笔者提出将镗孔和蜂窝状点坑加工复合在同一道工序、同一台设备上的设计思想,形成了蜂窝状点坑数控恒力进给成型机的概念,并已研制成功,为蜂窝状点坑节能气缸套的大批量、经济性生产打下了基础。1缸套微坑结构参数的确定蜂窝状点坑加工采用低频振动冲击加工方法,见图1。微坑振动冲击加工装置装在机床的中拖板上,被加工缸套装在机床主轴上以一定的转速旋转。微坑振动冲击加工装置可沿轴向和横向方向进给,通过横向进给控制微坑的深度,通过电机带动偏心机构给工具头施加低频振动,依靠振动冲击在缸套内孔表面形成具有一定分布规律和一定尺寸参数的微坑。为提高加工效率,工具头一般可做成单排多头或矩阵型多头。图2所示为缸套工作表面微坑的结构图。机床的工作参数与缸套微坑各参数之间的关系由下面的关系式确定:a=π4α−−√da=π4αd(1)n=60fiaπDn=60fiaπD(2)s=na(3)式中,a为微坑间距;α为有微坑的工作面积与整个工作表面积之比,α=25%～35%;d为微坑孔口直径;n为机床转速;f为工具振动频率;i为矩阵工具头行数;D为工件内径;s为轴向进给量;j为矩阵工具头列数。微坑孔口直径d的取值可根据活塞环的宽度而定,一般可取活塞环宽度的30%～70%,对于给定的柴油机工作参数,确定微坑参数的最佳取值的理论研究及实验工作还在进行之中。由于振动冲击加工方法的应用,使得改变这些参数变得较为容易实现,这为今后的进一步研究创造了条件。由微坑的分布及结构参数可得出缸套微坑数量M及储油量Q为M=60ijflnsΜ=60ijflns(4)Q=5πijfhρl2ns(3d2+4h2)Q=5πijfhρl2ns(3d2+4h2)(5)式中,M为缸套工作表面的微坑数量;l为有微坑的缸套工作表面长度;Q为缸套工作表面储油量;ρ为润滑油的密度;h为微坑深度。改变结构参数d、h、a及微坑加工长度l,可获得不同的储油量。2蜂窝状点坑加工以前,低频振动冲击加工装置都是安装在普通车床或数控车床上,在单独的一道工序中完成表面微坑加工,主要存在下述问题:①镗孔轴线与缸套工作表面蜂窝状点坑加工轴线不能保证同轴度,很难保证缸套工作表面蜂窝状点坑深度的一致性,导致气缸套磨损不均匀,无法实现“零磨损”、“等耐磨性”设计;②镗孔和蜂窝状点坑加工不在同一道工序,导致缸套安装两次,增加辅助加工时间,工艺路线延长;③操作工人多,生产成本增加。为了解决上述问题,笔者提出了将镗孔和蜂窝状点坑加工复合在一道工序、同一台设备上的设计思想,形成了蜂窝状点坑数控恒力进给成型机的概念。图3是镗刀和蜂窝状点坑加工装置俯视图。蜂窝状点坑数控恒力进给成型机由机床本体10、镗杆7、低频振动冲击加工装置11、缸套8、缸套夹具9、变频器、数控系统等组成。低频振动冲击加工装置具有机架1,在机架上设有电动机2、刀杆5,电动机经皮带轮及皮带接传动轮,传动轮、偏心轴3与滑块相接,刀杆一端设有滑道并与滑块4相接,刀杆另一端设有蜂窝状点坑加工工具头6,蜂窝状点坑加工工具头呈ij矩阵排列。缸套安在机床主轴上,主轴转动采用无级调整。镗孔时,缸套以转速n1回转,镗刀以进给量f1沿缸套轴向进给;加工蜂窝状点坑时,缸套以转速n2回转,蜂窝状点坑加工工具头以进给量f2沿缸套轴向进给。n1、n2、f1、f2都由数控系统改变,通过编程进行自动控制。低频振动冲击加工装置的启动和停止也由数控系统控制。当低频振动冲击加工装置开始工进时,数控系统发出指令,使低频振动冲击加工装置开始工作,蜂窝状点坑加工工具头开始振动,即蜂窝状点坑加工工具头一边作工进,一边作径向振动。当蜂窝状点坑加工完成时,数控系统发出两个指令,一个指令使低频振动冲击加工装置停止工作,蜂窝状点坑加工工具头停止径向振动,另一个指令使蜂窝状点坑加工工具头后退(远离气缸套内壁)3mm左右,并迅速沿轴向退出。蜂窝状点坑数控恒力进给成型机设有闭环恒力控制系统。应变片贴在刀杆上,测出的应变信号经处理后送至控制系统。当蜂窝状点坑深度大于设定值,点坑加工力过大时,控制系统发出指令,拖动伺服电机使工具头后退(远离气缸套内壁方向),减小蜂窝状点坑深度;当蜂窝状点坑深度小于设定值,点坑加工力过小时,控制系统发出指令,拖动伺服电机使工具头前进,增加蜂窝状点坑深度。当工具头磨损时,控制系统可自动补偿工具头径向进给深度。蜂窝状点坑数控恒力进给成型机设有缸套工作表面蜂窝状点坑参数数据库,只要输入发动机型号,即可自动选定蜂窝状点坑最佳参数,改变机床切削用量和低频振动冲击加工装置参数。3缸套加工工艺的改进我们使用自行研制的蜂窝状点坑数控恒力进给成型机对4JB1钢质薄壁镀铬缸套、485Q铸铁缸套、东风内燃机车缸套(缸套内径ue001φ240mm,长度600mm)、坦克发动机缸套、摩托车缸套(内径ue001φ52.4mm,长度95mm)进行了大量试验,取得如下显著效果:(1)蜂窝状点坑和结构参数可控,且所有蜂窝状点坑相互独立、均匀分度、形状规则、深度一致。(2)具有很高的加工效率。采用ij矩阵工具头,每分钟可加工54000个点坑。(3)蜂窝状点坑加工简单易行,工作可靠。(4)蜂