CN101649790B - 一种钢制活塞气环的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢制活塞气环的加工方法，包括如下步骤：绕制→去应力→剖口→定型→修口→磨平面→珩磨外圆→镀铬或氮化→修口→珩磨外圆→修口→磨平面；其通过计算不同椭圆度要求的压力分布型线，并充分考虑氮化缩口造成的型线变化，对定型胎棒的尺寸加以改进，从而大大减小了氮化等程序处理后，气环的变形问题，提高了产品的成品率。相比较铸铁气环工艺路线长，跨多车间加工，铸铁环工序综合成品率低的缺点，使用本发明的定型胎棒加工的钢质环气的综合成品率可达95％。利用钢的可挠性特点，采用成型钢材绕制定型工艺，解决了铸铁材料繁琐的机加工工艺，缩短了制造周期，同时也减少了工序浪费，节约了工艺制造成本。

Description

一种钢制活塞气环的加工方法

技术领域

本发明涉及一种活塞环的加工方法，具体说是一种利用压力型线来加工单缸柴油机用的钢制活塞气环的加工方法。

背景技术

单缸柴油机活塞环目前全部采用铸铁材料，活塞环组的设计普遍采用“镀铬气环+磷化气环+整体油环或内衬弹簧油环”的组合。铸铁环虽然凭借其特有的石墨结构，提高了工作过程中的自润滑能力，但存在以下缺陷：①因受材料强度的限制，为保证工作及制造过程中不断裂，活塞环的尺寸设计的较大，从而导致整个环组的质量重，工作过程中惯性力大，活塞环动态稳定性差，机油耗高，难以满足排放的需要；②铸铁气环加工路线：铸造→磨平面→粗车外圆→切口→粗镗→修口→精车外圆→倒外角→修口→镀铬→修口→精镗→磨平面→珩磨外圆→修口→磨平面，可见铸铁环加工流程长、且成品率低、设备投资大，整个环组的制造成本高，难以适应市场竞争的需要。

随着技术的发展，需要一种活塞环薄、重量轻的活塞环-钢制活塞环。由于铸铁材料性能：弹性模量100000N/mm²，硬度HRB96-106抗弯强度≥350N/mm²；而钢材料的性能参数：弹性模量≈210000N/mm²，硬度HRC38-44材料具有可挠性。由于以上特点，在保证同等弹力的情况下，活塞环采用钢材料，通过几何尺寸调整可进一步减小环体质量，减小工作过程中的惯性力。

为了增强活塞气环的耐磨性，在加工过程中，需要对其表面进行氮化、镀铬等工艺处理，但是由于活塞环的结构原因，氮化或镀铬后的活塞环从定型胎棒上拆下后会出现缩口变形问题，从而导致产品的成品率低。如何减小氮化处理后的变形，是钢制活塞环加工方法中的一个噬待解决的问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种一种钢制活塞气环的加工方法，其通过计算不同椭圆度要求的压力分布型线，并充分考虑氮化缩口造成的型线变化，对定型胎棒的尺寸加以改进，从而大大减小了氮化等程序处理后，气环的变形问题，提高了产品的成品率。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：一种钢制活塞气环的加工方法，它包括如下步骤：

绕制→去应力→剖口→定型→修口→磨平面→珩磨外圆→镀铬或氮化→修口→珩磨外圆→修口→磨平面；其中，所述的定型步骤为：将切口后的钢制圆环套在定型胎棒上，然后在炉中进行升温、保温处理后，再冷却至室温；所述定型胎棒的外圆极半径R(θ)满足下述条件，即R(θ)＝ρ(θ)-T；

定型胎棒的长径D长、短径D短分别满足以下条件：

D长＝2ρ(90°)-2T；D短＝ρ(180°)+ρ(0°)-2T

其中：ρ(θ)为活塞气环自由状态下外圆极半径，T为活塞气环径向厚度。

本发明中，所述的活塞气环外圆极半径ρ(θ)＝R+μ；

μ＝kk{1+(1-ζ)θsinθ/2+∑Ancosnθ/(n²-1)²-C1}；

C1＝(A3/64+A5/576+A7/2304+A9/6400+A11/14400)*Cosθ

ζ＝∑(-1)ⁿ An/(n²-1)

φ＝θ-η

η＝kk{θ-(1-ζ)θCosθ/2+(1-ζ)θsinθ+∑Ansinnθ/[n(n²-1)²]-C2}

C2＝(A3/64+A5/576+A7/2304+A9/6400+A11/14400)*sinθ

Kk＝2m/[3π(D-T)]

其中：R、θ为活塞气环工作状态半径、工作状态极角，活塞气环的开口对面的角度为0°，开口处角度为180°；

ρ(θ)、φ为活塞气环自由状态下外圆极半径、自由状态的极角；

μ为活塞环由自由状态压缩到工作状态的极半径径向位移量；

η为活塞环由自由状态压缩到工作状态的极角变化量；

kk为活塞环系数；

m：活塞环自由状态下开口；

T：活塞环径向厚度；

D：活塞环缸径；

An：为活塞环压力型线特征值。

有益效果：1、相比较铸铁气环工艺路线长，跨多车间加工，铸铁环工序综合成品率低，仅为80％，使用本发明的定型胎棒加工的钢质环气的综合成品率可达95％。

2、利用钢的可挠性特点，采用成型钢材绕制定型工艺，解决了铸铁材料繁琐的机加工工艺，缩短了制造周期，同时也减少了工序浪费，节约了工艺制造成本。

附图说明

图示本发明的钢制气环套在定型胎棒上的结构示意图。

具体实施方式：

以单缸柴油机钢制活塞环组为例进一步本发明。柴油机钢制活塞环组采用如下的组合：钢质桶形环(镀铬或氮化)+钢质锥环(氮化)+钢带组合油环(镀铬或氮化)。

气环表面处理的选用必须保证持久的耐磨性，所以表面处理层要求厚、硬度高，要能达到甚至超越镀铬的效果，采用氮化处理，根据氮化工艺特点选择了氮化性能较好的6Cr13Mo钢作为基体材料。油环衬簧材料采用SUS304，着色处理，刮片环采用SWRH72A(NHC-54)，镀硬铬。由于钢经氮化后变脆，刮片环在氮化后达到相当铬层厚度后，心部柔性组织变少，工作过程中容易造成断裂，所以为保证工作可靠，氮化厚度不可能达到镀铬层的厚度，针对这一问题，为保证工作可靠、寿命长，刮片环采用镀铬处理，而相应的配组件衬簧采用着色处理。针对镀铬特点，刮片环采用SWRH72，衬簧采用SUS304。

本发明的设计思路是：型线设计基于两个点与平均压力的差值作为计算输入值(180度点、160度点)，然后通过计算推导计算出压力特征参数，得出理论的压力型线模型。活塞环定型、氮化后，开口因环截面尺寸及后序加工造成不同程度的开口缩变，在程序设计过程中要根据开口缩变量进行不同程度的修正，修整量从开口处呈一定的函数关系逐步缩减。

角度θ处压力变化率函数：A(θ)＝(P(θ)-P0)/P0

且∫0^πA(θ)dθ＝0

P(θ)：角度θ处压力数    P0：数平均压力

A(θ)：角度θ处压力变化率函数

若存在角度α，A(α)连续但导数不存在，设：

A(θ)＝A+Bcos(θ)    0≤θ≤α

A(θ)＝C+Dcos(θ)    α≤θ≤π

所以当θ＝180°C+Dcos(180°)＝U    (1)

θ＝160°C+Dcos(160°)＝V     (2)

θ＝αC+Dcos(α)＝A+Bcos(α)  (3)

其中U、V取值保证一定的差值，U＞V，一般U＝0.7，V＝0.45，可根据具体情况作适当调整；

A、B、C、D为参数计算选用的过程数学参数，不代表具体含意。

${\∫}_0^{\mathrm{\π}}A\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}={\∫}_0^{\mathrm{\α}}A\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}+{\∫}_{\mathrm{\α}}^{\mathrm{\π}}A\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}=0$

Aα+Bsinα+(π-α)C-Dsinα＝0    (4)

而根据富利叶余弦级数求压力型线特征参数An有： $\mathrm{An}=2/\mathrm{\π}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}A\left(\mathrm{\θ}\right)\cos \mathrm{n\θd\θ}---5)$

因为∑dp＝0  所以 $\mathrm{An}=2/\mathrm{\π}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}A\left(\mathrm{\θ}\right)\cos \mathrm{n\θd\θ}=0$ 化简得：

(A-C)sinα+(B-D)α/2+(B-D)sin(2α)/4+D/(2π)＝0  (6)

由1、2、3、4、5、6公式化简得：

α+D/C×αcosα-D/C×sinα-sinαcosα＝0         (7)

利用一维收索法，求出满足公式7)的α值，并求出A、B、C、D值

$\mathrm{An}=2/\mathrm{\π}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}A\left(\mathrm{\θ}\right)\cos \mathrm{n\θd\θ}=2/\mathrm{\π}{\∫}_0^{\mathrm{\α}}A\left(\mathrm{\θ}\right)\cos \mathrm{n\θd\θ}+2/\mathrm{\π}{\∫}_{\mathrm{\α}}^{\mathrm{\π}}A\left(\mathrm{\θ}\right)\cos \mathrm{n\θd\θ}$

最后求出A2、A3、A4、……

P(θ)＝P0(1+∑Ancosnθ)

活塞环自由状态下曲率半径与角位移之间的关系如下：

ρ(θ)＝R+μ        (8)

μ＝kk{1+(1-ζ)θsinθ/2+∑Ancosnθ/(n²-1)²-C1}

C1＝(A3/64+A5/576+A7/2304+A9/6400+A11/14400)*Cosθ

ζ＝∑(-1)ⁿ An/(n²-1)

φ＝θ-η           (9)

η＝kk{θ-(1-ζ)θCosθ/2+(1-ζ)θsinθ+∑Ansinnθ/[n(n²-1)²]-C2}

C2＝(A3/64+A5/576+A7/2304+A9/6400+A11/14400)*sinθ

其中R、θ为活塞气环工作状态半径、工作状态的极角，活塞气环的开口对面的角度为0°，开口处角度为180°；

ρ(θ)、φ为活塞气环自由状态下外圆极半径和极角；

μ为活塞环由自由状态压缩到工作状态的极半径径向位移量；

η为活塞环由自由状态压缩到工作状态的极角变化量；

kk为活塞环系数；

An为活塞环压力型线特征值；

依据公式(8)、(9)建立ρ(θ)、φ的关系。由于涉及到模具制作方便，φ必须取整数(0，2，4，6，…)，所有计算通过计算机编程算得。

以加工YC6G270-31钢质气环为例，其工作状态的活塞环直径为111.78mm，材料选用NHC-52，2.97*4.35，活塞环的高度为2.97mm；活塞环的径向厚度为4.35mm。

其加工步骤为：绕制→去应力→剖口→定型→修口→磨平面→珩磨外圆→镀铬或氮化→修口→珩磨外圆→修口→磨平面，除了定型步骤外，其余加工步骤同现有技术。

如图所示，D长、D短为活塞环内孔安装于定型胎棒上时，实际的定型胎棒的外圆长径、短径尺寸：即R(θ)＝ρ(θ)-T；

R(θ)为定型胎棒的极半径，ρ(θ)为活塞气环自由状态下的外圆极半径；T为活塞环径向厚度。

由此推出，定型胎棒的长径D长、短径D短分别满足以下条件：

D长＝2ρ(90°)-2T；D短＝ρ(180°)+ρ(0°)-2T

可以得出：

D长＝2ρ(90°)-2T＝2×58.916-2×4.35＝109.13mm

D短＝ρ(180°)+ρ(0°)-2T＝57.759+57.704-2×4.35＝106.76mm。

其中：活塞环外圆极半径ρ(θ)＝R+μ；

μ＝kk{1+(1-ζ)θsinθ/2+∑Ancosnθ/(n²-1)²-C1}；

C1＝(A3/64+A5/576+A7/2304+A9/6400+A11/14400)*Cosθ

ζ＝∑(-1)ⁿ An/(n²-1)

φ＝θ-η

η＝kk{θ-(1-ζ)θCosθ/2+(1-ζ)θsinθ+∑Ansinnθ/[n(n²-1)²]-C2}

C2＝(A3/64+A5/576+A7/2304+A9/6400+A11/14400)*sinθ

kk＝2m/[3π(D-T)]

其中：R、θ为活塞气环工作状态半径、工作状态极角，活塞气环的开口对面的角度为0°，开口处角度为180°；R在本实施例中的工作状态半径值为55.89(φ111.78/2)mm；

ρ(θ)、φ为活塞气环自由状态下外圆极半径、自由状态的极角；

μ为活塞环由自由状态压缩到工作状态的极半径径向位移量，由程序设计计算得到；μ取值：90°处为3.026，180°处为1.869，0°处为1.814；

η为活塞环由自由状态压缩到工作状态的极角变化量；

kk为活塞环系数；kk取值为0.034；

m：活塞环自由状态下开口；m取值为15.7mm；

T：活塞环径向厚度；T取值为4.35mm；

D：活塞环缸径；D取值为111.78；

An：为活塞环压力型线特征值。

由于以上技术的突破，使得单缸柴油机活塞环由铸铁环组设计改为钢质环成为可能，目前，利用该项技术加工的活塞环成品率达到95％以上。

Claims (1)

1.一种钢制活塞气环的加工方法，其特征在于，它包括如下步骤：

绕制→去应力→剖口→定型→修口→磨平面→珩磨外圆→镀铬或氮化→修口→珩磨外圆→修口→磨平面；其中，所述的定型步骤为：将剖口后的钢制圆环套在定型胎棒上，然后在炉中进行升温、保温处理后，再冷却至室温；所述定型胎棒的外圆极半径R(θ)满足下述条件，即R(θ)＝ρ(θ)-T；

定型胎棒的长径D长、短径D短分别满足以下条件：

D长＝2ρ(90°)-2T；D短＝ρ(180°)+ρ(0°)-2T

其中：ρ(θ)为活塞气环自由状态下的外圆极半径，T为活塞气环的径向厚度；

其中，所述的活塞气环自由状态外圆极半径ρ(θ)＝R+μ；

μ＝k{1+(1-ζ)θsin(θ/2)+∑Ancos[nθ/(n²-1)²]-C1}；

C1＝(A3/64+A5/576+A7/2304+A9/6400+A11/14400)*cosθ

ζ＝∑(-1)ⁿ An/(n²-1)

 An＝2/π∫0^πA(θ)cos(nθ)dθ＝2/π∫0^αA(θ)cos(nθ)dθ+2/π∫α^πA(θ)cos(nθ)dθ

θ＝φ-η

η＝k{θ-(1-ζ)θcos(θ/2)+(1-ζ)θsin θ+∑An[sin(nθ)]/[n(n²-1)²]-C2}

C2＝(A3/64+A5/576+A7/2304+A9/6400+A11/14400)*sinθ

k＝2m/[3π(D-T)]

其中：R为活塞气环工作状态半径、θ为活塞气环自由状态极角，活塞气环的开口对面的角度为0°，开口处角度为180°；

ρ(θ)为活塞气环自由状态下外圆极半径；φ为活塞气环工作状态极角；

μ为活塞气环由自由状态压缩到工作状态的极半径径向位移量；

η为活塞气环由自由状态压缩到工作状态的极角变化量；

k为活塞气环系数；

m：活塞气环自由状态下开口大小；

T：活塞气环径向厚度；

D：活塞气环缸径；

An：活塞气环压力型线特征值；

n：n取值为不含0、1的整数：2、3、4、5、6、……；

A(θ)：角度θ处压力变化率函数；

α：假定的角度，为任意连续变化的角度。

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