CN109158616B - 一种等体积切除率中凸变椭圆活塞加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等体积切除率中凸变椭圆活塞加工方法，属于数控加工领域。由于中凸变椭圆活塞车削加工中工件匀速旋转，单位时间内切除材料的体积存在差异，导致切削力呈周期性变化,影响加工精度和切削稳定性，降低刀具寿命。针对这一现象，本发明提出了一种基于等体积切除率的加工方法,通过对工件轴的匀速旋转叠加满足机床性能要求的变速旋转，使单位时间内切除材料的体积基本相同。本发明分析了活塞椭圆廓形成型原理，研究了中凸变椭圆活塞等体积切除率加工机理，并利用VERICUT搭建了中凸变椭圆活塞等体积切除率虚拟仿真加工模型，通过仿真加工对等体积切除率加工方法进行了验证。仿真结果表明该发明可行、有效。

Description

一种等体积切除率中凸变椭圆活塞加工方法

技术领域

本发明属于数控加工领域，具体地，涉及一种等体积切除率中凸变椭圆活塞加工方法。

背景技术

热高性能发动机基本均用中凸变椭圆活塞，理论和实践证明中凸变椭圆活塞裙部与气缸壁贴合良好，减小了配缸间隙，降低了比压，使裙部具有更高承载能力和良好的润滑条件，改善了摩擦与磨损，同时还降低了活塞对缸壁的撞击，提高了发动机的性能，可靠性和使用寿命。因此研究中凸变椭圆活塞的切削机理和加工方法，实现对中凸变椭圆活塞的加工优化具有重要意义。

近年来，众多学者对中凸变椭圆活塞的加工进行了相关研究，研究方法多为磨削加工和车削加工两种。其中车削加工多采用仿形加工、立体靠模加工和数控车削加工方式等。随着数控技术的发展以及直线电机性能的提升，中凸变椭圆活塞数控车削加工迅速发展，其原理是通过计算机来协调主轴角位移与刀具径向进给的函数关系，并采用高速直线电机控制刀具的纵向高频运动。相关研究在一定程度上对提高发动机性能起着促进作用。其研究领域均采用主轴匀速车削加工，由于单位时间内切除材料的体积存在差异，导致切削力呈周期性变化，影响加工精度和切削稳定性，也缩短了刀具寿命。

发明内容

针对现有技术中存在的中凸变椭圆活塞匀速车削加工过程中因单位时间内切削量不同导致的加工精度低及切削不稳定等问题，本发明的目的在于提供一种等体积切除率中凸变椭圆活塞加工方法。。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

一种等体积切除率的中凸变椭圆活塞加工方法，通过数控机床完成车削加工，其特征在于：根据待加工活塞的基本参数获取活塞裙部椭圆横截面和中凸型线几何参数，设置机床运动参数；所述机床运动由主轴的回转运动、刀架随机床滑板沿着Z轴的直线运动、刀架沿着X轴的直线运动、以及刀架上附加直线电机U轴的往复直线运动组成；对中凸变椭圆活塞进行车削加工时，主轴进行变速回转运动，同时X轴和U轴联动进给控制切削深度，Z轴沿工件轴线进给；伺服电机驱动X轴和Z轴，通过两者的联动形成活塞裙部的中凸型线；数控系统控制直线电机U轴的往复直线进给和工件的旋转，通过两者的联动实现活塞裙部横截面椭圆轮廓的车削加工；

其中，在活塞裙部横截面椭圆轮廓的车削加工中，选择任一椭圆横截面，a表示椭圆横截面长轴的长度；b表示椭圆横截面短轴的长度；a_p为预留切削余量；机床主轴在时间t_i内以 v_i速度旋转θ_i角度，切削面积S_i，其中t_i与S_i保持不变，v_i与θ_i变化；为保证相同时间内切削面积相同，所得数学方程为：

由此数学方程求解得θ_i的角度值θ₁、θ₂…θ_n-1、θ_n；

所以，在等体积切除率车削加工中凸变椭圆活塞裙部轮廓任一椭圆横截面时，所述机床的主轴、Z轴、X轴和U轴的位移关系为：

主轴转速表示为：

作为对上述方案的进一步优化，所述数学方程的获取过程为：

任选车削加工中凸变椭圆活塞裙部轮廓某一椭圆横截面，假设其中不同加工位置切削面积位于第一象限内，OA为坯料原始半径，OB为加工后中凸变椭圆活塞的横截面长轴，OK为加工后中凸变椭圆活塞的横截面短轴；

假设t₁时间内主轴从0°运行至θ₁处，切削弧形面积S_BCD为S₁；t₂时间内主轴从θ₁运行至θ₂处，切削弧形面积S_CDGF为S₂；变量间关系为：t₁＝t₂，S₁＝S₂；由于t₁＝t₂，θ₁≠θ₂，所以v₁≠v₂；同理，主轴在时间t_i内以v_i速度旋转θ_i角度，切削面积S_i，其中t_i与S_i保持不变，v_i与θ_i变化；其理论推导如下所述：

单位时间内切除材料的体积ΔV相等；加工活塞裙部轮廓任一椭圆横截面时，刀具切除材料体积ΔV在该椭圆横截面上的投影面积ΔS等于ΔV与加工该椭圆横截面时进给量f的商，即

假设加工活塞裙部轮廓任一椭圆横截面时，单位时间内允许切除材料的最大体积为ΔV_max；则ΔV_max在该椭圆横截面上的投影面积ΔS_max为

第一象限内，切除掉的总面积等于四分之一圆面积S_AOI与四分之一椭圆面积S_BOK的差值，即

等体积切除率加工活塞裙部，是将第一象限内切除掉的总面积分为n等份进行加工，每一等份面积ΔS的加工时间相同；

n须满足条件

假设第一象限内，工件从0度旋转至θ₁角度时，切除掉的面积等于ΔS；工件从θ₁角度旋转至θ₂角度和工件从θ_n-1角度旋转至θ_n角度时，切除掉的面积都为ΔS；则有

将式(4)代入式(6)可得

由式(7)求解可得θ_i的角度值θ₁、θ₂…θ_n-1、θ_n；

因为主轴旋转角度θ_i＝v_it_i，可得主轴旋转速度v_i＝θ_i/t_i。

作为对上述方案的进一步优化，所述数控机床包括数控系统、主轴调速系统、Z轴进给系统、X轴进给系统以及U轴高频往复运动系统；

所述主轴调速系统由主轴调速器、主轴编码器、主轴伺服驱动电机以及中间传动部件组成；所述主轴调速器按照加工需求调节主轴伺服电机的转速，通过中间传动部件驱动主轴运转；所述主轴编码器实时监测主轴运行速度及角位移，并将检测结果及时反馈给数控系统，对速度进行补偿，形成速度闭环控制；所述主轴运行速度与X轴和U轴的切削运动之间存在函数关系以保证单位时间切削体积相同；

所述Z轴进给系统由Z轴伺服电机、与刀架一起运动的X轴及U轴伺服系统、以及传动部件组成；所述Z轴伺服驱动器接受指令，驱动Z轴伺服电机运动，经丝杠驱动刀架进行直线进给运动；

所述X轴进给系统以及U轴高频往复运动系统中，在X轴刀架上附加U轴运动，U轴由直线电机驱动。

有益效果：

本发明所述的等体积切除率的中凸变椭圆活塞数控加工方法，将主轴匀速旋转改为非匀速旋转，随着切削深度的增加，主轴转速减小，反之增加。该方法加工时切削力基本保持不变，能够有效减缓切削力周期性变化，一定程度上提高了加工精度和切削稳定性。且经 VERICUT仿真加工，证明了该方法具有可行性。

附图说明

图1是中凸变椭圆活塞椭圆横截面不同加工位置切削面积示意图；

图2是中凸变椭圆活塞数控机床总体结构示意图；

图3是中凸变椭圆活塞仿真加工流程；

图4 是Perkins 240活塞裙部几何参数；

图5 是活塞裙部中凸型线拟合曲线图；

图6是裙高H20处横截面第一象限切除总面积30等分后每一份对应转角的变化曲线图；

图7是裙高H20处横截面第一象限切除总面积30等分后每一份对应切削深度的变化曲线图；

图8是裙高H20处横截面第一象限切除总面积30等分后切削深度变化量的曲线图；

图9是每转切削力变化曲线图；

图10是中凸变椭圆活塞仿真加工示意图；

图11是中凸变椭圆活塞仿真细节加工示意图；

图12是放大30倍后中凸变椭圆活塞仿真加工主视示意图；

图13是放大30倍后中凸变椭圆活塞仿真加工侧视示意图。

具体实施方式

本发明所述一种等体积切除率的中凸变椭圆活塞加工方法，其成型原理如下所述：车削加工中凸变椭圆活塞裙部轮廓某一椭圆横截面示意图如图1所示，其中OA为坯料原始半径，OB为加工后中凸变椭圆活塞的横截面长轴，OK为加工后中凸变椭圆活塞的横截面短轴，a_p为预留切削余量。首先机床主轴匀速旋转，刀具沿X轴以某一进给量向前进给，运行至B处，然后刀具沿X轴退出，刀具沿Z轴以某一进给量向前进给，接着刀具再次沿 X轴以某一进给量向前进给；循环此过程，最终去除坯料表面氧化层；然后主轴变速旋转，从0°旋转至90°过程中，刀具沿X轴不断向前进给，相同时间内旋转角度不断减小，切削深度逐渐加大，主轴旋转速度逐渐降低，保证在相同时间内切削面积相同。分析过程如下所述：

假设t₁时间内主轴从0°运行至θ₁处，切削弧形面积S_BCD为S₁；t₂时间内主轴从θ₁运行至θ₂处，切削弧形面积S_CDGF为S₂；变量间关系为：t₁＝t₂，S₁＝S₂。由于t₁＝t₂，θ₁≠θ₂，所以v₁≠v₂。同理，主轴在时间t_i内以v_i速度旋转θ_i角度，切削面积S_i，其中t_i与S_i保持不变， v_i与θ_i变化。其理论推导如下所述：

单位时间内切除材料的体积ΔV相等。加工活塞裙部轮廓任一椭圆横截面时，刀具切除材料体积ΔV在该椭圆横截面上的投影面积ΔS等于ΔV与加工该椭圆横截面时进给量f 的商，即

假设加工活塞裙部轮廓任一椭圆横截面时，单位时间内允许切除材料的最大体积为ΔV_max；则ΔV_max在该椭圆横截面上的投影面积ΔS_max为

在图1所示中凸变椭圆活塞椭圆横截面不同加工位置切削面积示意图第一象限内，切除掉的总面积等于四分之一圆面积S_AOI与四分之一椭圆面积S_BOK的差值，即

等体积切除率加工活塞裙部，是将第一象限内切除掉的总面积分为n等份进行加工，每一等份面积ΔS的加工时间相同。

n须满足条件

假设第一象限内，工件从0度旋转至θ₁角度时，切除掉的面积等于ΔS；工件从θ₁角度旋转至θ₂角度和工件从θ_n-1角度旋转至θ_n角度时，切除掉的面积都为ΔS。则有

将式(4)代入式(6)可得

由式(7)求解可得θ_i的角度值θ₁、θ₂…θ_n-1、θ_n。

主轴旋转角度θ_i＝v_it_i，可得主轴旋转速度v_i＝θ_i/t_i。

针对中凸变椭圆活塞等体积切除率加工方法，对数控机床进行了改造，其改造后机床结构如图2所示。该数控机床包括数控系统、主轴调速系统、Z轴进给系统、X轴进给系统以及U轴高频往复运动系统。

主轴调速系统：该系统由主轴调速器、主轴编码器、主轴伺服驱动电机以及中间传动部件组成。由于加工过程中主轴转速不断变化，主轴调速器按照加工需求调节主轴伺服电机的转速，通过中间传动部件驱动主轴运转；主轴编码器实时监测主轴运行速度及角位移，并将检测结果及时反馈给数控系统，对速度进行补偿，形成速度闭环控制，减小加工误差。主轴运行速度与X轴和U轴的切削运动之间存在某种函数关系，保证单位时间切削体积相同。

Z轴进给系统。该系统由Z轴伺服电机、与刀架一起运动的X轴及U轴伺服系统，以及传动部件组成。Z轴伺服驱动器接受指令，驱动Z轴伺服电机运动，经丝杠驱动刀架进行直线进给运动。

X轴进给系统以及U轴高频往复运动系统。由于加工工件横截面为中凸型，并且主轴需告诉旋转，X轴刀架需沿着X轴高频往复进给。为了满足高速高精度的需求，在X轴刀架上附加U轴运动，U轴由直线电机驱动。

加工过程中，主轴进行变速回转运动，同时X轴和U轴联动进给控制切削深度，Z 轴沿工件轴线进给。伺服电机驱动X轴和Z轴，通过两者的联动形成活塞裙部的中凸型线；数控系统控制直线电机U轴的往复直线进给和工件的旋转，通过两者的联动实现活塞裙部横截面椭圆轮廓的车削加工。

等体积切除率车削加工中凸变椭圆活塞裙部轮廓任一椭圆横截面时，机床四个运动轴的位移关系可以表示为：

主轴转速表示为：

以上此即为车削加工中凸变椭圆活塞裙部轮廓任一椭圆横截面时，中凸变椭圆活塞机床的等体积切除率数控加工模型。

为了验证等体积切除率加工方法的可行性，利用vericut软件对中凸变椭圆活塞进行虚拟仿真加工，整个模型建立流程如图3所示。在solidworks中建立上述机床三维模型，导入vericut机床模型中、设置机床各轴的运动范围、编辑机床控制文件；根据待加工活塞的基本参数计算活塞裙部和中凸型线几何参数，依据几何参数建立活塞毛坯模型，并进行椭圆横截面与中凸型线车削加工参数计算，设置机床运动参数，通过机床运动参数得到仿真加工 NC程序，并建立车削加工刀具模型。机床模型、工件模型、刀具模型和NC程序一起构成中凸变椭圆活塞仿真加工模型；最后通过仿真加工输出仿真结果。

下面结合理论推导、仿真实验及附图对本发明作进一步详细的描述。

实施步骤1：选择活塞模型及参数

本方法对Perkins 240活塞进行了分析研究，该活塞裙部几何尺寸如图4所示。用离散点表示其裙高H(z值)和与其对应的椭圆横截面的长轴(d值)，如下表1所示；中凸变椭圆活塞裙部的裙高H(z值)和与其对应的椭圆横截面的椭圆度G的数值，如下表2所示。

依据表1数据，采用三次样条插值方法，通过Matlab程序拟合，可得Perkins 240中凸变椭圆活塞裙部椭圆横截面长轴值的中凸型线方程及中凸型线拟合曲线(如图5)。

表1：活塞裙高H和对应的椭圆横截面长轴

表2：活塞裙高H和对应的椭圆横截面椭圆度G

依据表2数据，采用线性插值方法，可得Perkins 240中凸变椭圆活塞裙部椭圆横截面的椭圆度G的变化曲线方程。

实施步骤2：计算等体积切削参数

取最大椭圆横截面长轴值加两倍切削深度a_p为活塞裙部成形加工工序前的圆柱体工件直径d₀＝92.2。从活塞裙高H＝0处开始，按照进给量f＝0.001，分别计算不同椭圆横截面的长半轴a、椭圆度G、短半轴b的值，并计算第一象限内从0度开始，刀具从d₀/2切入到每一个不同椭圆横截面长半轴处刀具的进给量。对于每一个不同的椭圆横截面，将第一象限内切除掉的面积分为n等份，求取每等份对应的角度及对应的刀具进给量；将每等份对应的工件转角和刀具进给量的数值转化为相应的数控加工程序；依据中凸变椭圆活塞机床等体积切除率数控加工模型，即可对活塞裙部进行等体积切除率加工。

以活塞裙部最大椭圆横截面(裙高H＝20处)为例，椭圆截面长轴直径d＝φ92，对应的椭圆横截面的椭圆度G＝0.20。可以求得该椭圆长半轴a＝46，短半轴b＝45.9，第一象限0度处切削余量为a_p＝0.1；进一步可以求得每等份(取n＝30)面积对应的角度及其差值和对应的工件实际转角以及相应的切削深度a_p及其变化量。利用matlab计算，结果如表3所示。相应的变化曲线分别如图6-8所示。

表3：Perkins 240活塞裙高H20处椭圆横截面第一象限等体积切除率加工计算结果

由图6可知，第一象限内，刀具从椭圆截面长半轴开始切入，相同时间相同切削面积下工件转角θ逐渐减小，切削深度a_p逐渐增大；切削深度变化量Δa_p开始时逐渐增大，在8⁰位置附近达到最大值，后逐渐减小。

实施步骤3：理论分析切削力

用切削层单位面积切削力计算切削力，单位切削力是指单位切削面积上的主切削力，用k_c表示。切削层单位面积切削力k_c(N/mm²)可按下式计算：

k_c＝F_c/(a_p*f) (11)

根据式(11)可得到切削力F_c的计算公式：

式中：

Fc——切削力

A_c——切削面积

——切削条件修正系数

在材料和切削条件相同的情况下，单位切削层面积切削力和修正系数相同，切削力只与单位时间的切削面积有关。通过计算，两种切削方式切削力的变化曲线如图9所示。

由图9可知，在匀速切削时，单位时间的切削力呈周期性变化，等体积切除率方法下的切削力基本保持不变。

实施步骤4：仿真加工

仿真加工是基于计算机仿真和虚拟现实技术将实际加工映射在虚拟环境下的数字化加工过程，通过中凸变椭圆活塞机床仿真加工，可以检验中凸变椭圆活塞等体积切除率加工模型的正确性。运用等体积切除率加工方法通过VERICUT对中凸变椭圆活塞进行仿真加工。

将求得的每等份切除掉的面积对应的工件转角和刀具进给量的数值转化为数控加工程序，即可对椭圆横截面进行等体积切除率加工。裙高H＝20处椭圆横截面第一象限等体积切除率加工时的机床运动参数如表4所示。

表4：活塞裙高H20处椭圆横截面第一象限等体积切除率加工机床运动参数

在VERICUT环境下，搭建了中凸变椭圆活塞虚拟仿真加工模型，并通过matlab生成加工代码，最后利用仿真加工模型对图4所示Perkins 240中凸变椭圆活塞裙部进行仿真加工，其仿真加工结果如图10-11所示。

仿真加工结果表明，中凸变椭圆活塞仿真加工能够真实地模拟中凸变椭圆活塞机床的实际加工过程，同时也验证了本文建立的中凸变椭圆活塞等体积切除率加工模型的正确性。

由于图4所示中凸变椭圆活塞裙部椭圆横截面长轴最大值(裙高H20处)与椭圆横截面长轴最小值(裙高H62处)的差值只有0.263mm，而且椭圆度的最大值也只有0.3mm，所以在图10-11的仿真加工结果中很难看出中凸型线和变椭圆度横截面的加工效果。为清晰看到中凸变椭圆活塞仿真加工效果，将图10-11所示中凸变椭圆活塞裙部中凸型线椭圆横截面长轴最大值(裙高H20处)和其他椭圆横截面长轴值的差值以及椭圆度数值人为地放大30倍，其他数值不变，重新进行计算，并进行仿真加工，结果如图12-13所示，可以明显的看出中凸型线和变椭圆度横截面的仿真加工效果，从而证实本发明所述等体积切除率的中凸变椭圆活塞加工方法的可行性。

Claims (3)

1.一种等体积切除率的中凸变椭圆活塞加工方法，通过数控机床完成车削加工，其特征在于：

根据待加工活塞的基本参数获取活塞裙部椭圆横截面和中凸型线几何参数，设置机床运动参数；所述机床运动由主轴的回转运动、刀架随机床滑板沿着Z轴的直线运动、刀架沿着X轴的直线运动、以及刀架上附加直线电机U轴的往复直线运动组成；对中凸变椭圆活塞进行车削加工时，主轴进行变速回转运动，同时X轴和U轴联动进给控制切削深度，Z轴沿工件轴线进给；伺服电机驱动X轴和Z轴，通过两者的联动形成活塞裙部的中凸型线；数控系统控制直线电机U轴的往复直线进给和工件的旋转，通过两者的联动实现活塞裙部横截面椭圆轮廓的车削加工；

其中，在活塞裙部横截面椭圆轮廓的车削加工中，选择任一椭圆横截面，a表示椭圆横截面长轴的长度；b表示椭圆横截面短轴的长度；a_p为预留切削余量；机床主轴在时间t_i内以v_i速度旋转θ_i角度，切削面积S_i，其中t_i与S_i保持不变，v_i与θ_i变化；为保证相同时间内切削面积相同，所得数学方程为：

由此数学方程求解得θ_i的角度值θ₁、θ₂…θ_n-1、θ_n；

所以，在等体积切除率车削加工中凸变椭圆活塞裙部轮廓任一椭圆横截面时，所述机床的主轴、Z轴、X轴和U轴的位移关系为：

主轴转速表示为：C：

2.如权利要求1所述的一种等体积切除率的中凸变椭圆活塞加工方法，其特征在于：所述数学方程的获取过程为：

任选车削加工中凸变椭圆活塞裙部轮廓某一椭圆横截面，假设其中不同加工位置切削面积位于第一象限内，OA为坯料原始半径，OB为加工后中凸变椭圆活塞的横截面长轴，OK为加工后中凸变椭圆活塞的横截面短轴；

假设t₁时间内主轴从0°运行至θ₁处，切削弧形面积S_BCD为S₁；t₂时间内主轴从θ₁运行至θ₂处，切削弧形面积S_CDGF为S₂；变量间关系为：t₁＝t₂，S₁＝S₂；由于t₁＝t₂，θ₁≠θ₂，所以v₁≠v₂；同理，主轴在时间t_i内以v_i速度旋转θ_i角度，切削面积S_i，其中t_i与S_i保持不变，v_i与θ_i变化；其理论推导如下所述：

单位时间内切除材料的体积ΔV相等；加工活塞裙部轮廓任一椭圆横截面时，刀具切除材料体积ΔV在该椭圆横截面上的投影面积ΔS等于ΔV与加工该椭圆横截面时进给量f的商，即

假设加工活塞裙部轮廓任一椭圆横截面时，单位时间内允许切除材料的最大体积为ΔV_max；则ΔV_max在该椭圆横截面上的投影面积ΔS_max为

第一象限内，切除掉的总面积等于四分之一圆面积S_AOI与四分之一椭圆面积S_BOK的差值，即

等体积切除率加工活塞裙部，是将第一象限内切除掉的总面积分为n等份进行加工，每一等份面积ΔS的加工时间相同；

n须满足条件

假设第一象限内，工件从0度旋转至θ₁角度时，切除掉的面积等于ΔS；工件从θ₁角度旋转至θ₂角度和工件从θ_n-1角度旋转至θ_n角度时，切除掉的面积都为ΔS；则有

将式(4)代入式(6)可得

由式(7)求解可得θ_i的角度值θ₁、θ₂…θ_n-1、θ_n；

因为主轴旋转角度θ_i＝v_it_i，可得主轴旋转速度v_i＝θ_i/t_i。

3.如权利要求1所述的一种等体积切除率的中凸变椭圆活塞加工方法，其特征在于：

所述数控机床包括数控系统、主轴调速系统、Z轴进给系统、X轴进给系统以及U轴高频往复运动系统；

所述主轴调速系统由主轴调速器、主轴编码器、主轴伺服驱动电机以及中间传动部件组成；所述主轴调速器按照加工需求调节主轴伺服电机的转速，通过中间传动部件驱动主轴运转；所述主轴编码器实时监测主轴运行速度及角位移，并将检测结果及时反馈给数控系统，对速度进行补偿，形成速度闭环控制；所述主轴运行速度与X轴和U轴的切削运动之间存在函数关系以保证单位时间切削体积相同；

所述Z轴进给系统由Z轴伺服电机、与刀架一起运动的X轴及U轴伺服系统、以及传动部件组成；所述Z轴伺服驱动器接受指令，驱动Z轴伺服电机运动，经丝杠驱动刀架进行直线进给运动；

所述X轴进给系统以及U轴高频往复运动系统中，在X轴刀架上附加U轴运动，U轴由直线电机驱动。

Images