中凸变椭圆活塞曲面的造型与加工

石社轩 邓 晓

(河南工业职业技术学院 柔性制造河南省工程实验室,河南 南阳473009)

1 问题的提出

中凸变椭圆曲面是柴油机活塞裙部理想的型面,中凸曲面形状复杂、加工难度大,传统的是靠模加工一种靠模只能适用于一种曲面,不利于多品种、多尺寸的活塞的加工；专用的活塞加工机床能够快速加工活塞,但是专用设备的成本较高,用通用设备加工,适应性好,但用时较多。

随着智能加工技术的发展,生产多种产品的柔性生产线会越来越普及,发动机活塞的柔性生产也成为一种加工方式,本文研究中凸变椭圆曲面的五轴数控加工的可行方法。

2 方案综述

五轴加工中心以其良好的加工特性而应用于复杂型面的加工,加工中心和普通机床组合方式,以五轴加工中心为核心组成的柔性化生产线,能够充分发挥普通机床和加工中心的作用,实现活塞中凸变椭圆曲面的加工,可以生产多种批次和多品种的活塞零件。

本项目研究活塞椭圆曲面的五轴数控加工的可行性,具体技术方案是分析活塞裙部特征,选择典型的裙部椭圆尺寸段,运用有限元法进行分析模拟,完成曲面造型,利用UG 生成机械加工工艺,运用五轴进行零件关键部位加工。

3 方案实施

3.1 活塞特征段的选择

6110 柴油机是我国自主研发的柴油机,广泛应用于大型客车上,6110 型发动机的活塞(简称“活塞”)公称直径为110mm,活塞主视图(部分) 见图1,活塞裙部是典型的中凸椭圆曲面,裙部直径尺寸沿高度方向变化,呈现上小下大的特点,裙部的椭圆度同样沿裙部高度方向在变化,有三个典型的横截面的控制点的尺寸,该活塞是中凸变椭圆活塞的典型的代表。

图1 活塞主视图

如图1 所示,D2段上方的部分和D3下部的一部分,有活塞环槽和倒角,活塞裙部外圆被铣掉一部分,椭圆曲面特征不够突出,鉴于本课题研究活塞裙部椭圆曲面的加工。因此,取D2到D3段作为研究对象。

根据活塞设计的控制尺寸要求,D2和D3之间的活塞椭圆曲面沿轴线方向分为10 段,见图1。

3.2 活塞裙部椭圆横截面特征点半径计算

根据活塞零件图,活塞部分特征位置D2、D3处椭圆的椭圆度的尺寸如图2 所示。该段的造型方法是:D2到D3中间的实体,分为10 段,有11 个控制截面,每个位置选一个截面,每个截面上选36 个均布的特征点,参照图2 和图3 给定的椭圆度尺寸和图1 右侧提示的椭圆度计算方法,计算出每个截面特征点的半径数值。除D2和D3截面以外,其余截面的椭圆度按照直线插入的方法进行计算,计算公式是:

图2 活塞椭圆度尺寸教育教育

图3 活塞曲面造型图

Rф(x)=R90(x)-(ρф2-ρф3)*(x/48)

其中,Rф(x)为截面与D2距离为x,直径线与活塞销中心线成ф 夹角的点半径。

R90(x)为截面与D2距离为x,直径线与活塞销中心线成90度夹角的点半径,即椭圆的大径。

ρф2为D2椭圆上对应点的椭圆度,

ρф3为D3椭圆上对应点的椭圆度。

计算后部分控制点的半径尺寸见表1。

表1 活塞相应截面的尺寸对比

3.3 基于UG 的曲面造型与加工

3.3.1 依照表1 给出的横截面上点的尺数值,在相关软件上(CAD 或者UG)拟合出椭圆,其后将截面拟合成为椭圆曲面包括的实体运用放样命令,选十一个和轴线平行的特征点为连线为路径,进行扫略,拟合成为图3 所示的椭圆柱形实体。

3.3.2 UG 编程,形成加工工艺,进行工艺设计和优化。

3.3.3 在机床上完成相应的加工,材料为铝合金圆柱形材料,原始尺寸直径115mm,加工设备为DMU50。

4 检测结果与分析

用雷顿三坐标检测仪进行检测,考虑到雷顿三坐标检测仪的检测范围,检测时,截面位置选择长轴0 度、30 度、60 度、90度位置。每个位置处距上裙距离0-48 共11 点进行测量,检测结果见表1。

5 结论

本项目以活塞的椭圆曲面加工为目标,运用有限元法结合CAD 和UG 技术完成活塞椭圆曲面的造型,并运用五联动数控机床实现活塞椭圆曲面的加工。

根据表1 的检测结果,此种方法能够完成活塞椭圆曲面的加工,在加工设备充足完善的前提下,该方案能够加工符合技术要求的产品,虽然与专用设备相比,加工时间(28 分钟)会长一些。但由于其设备柔性好,能很好的适应小批量,多品种加工的特点,是柔性生产线的可行方案。

在实际的加工过程中,还存在粗糙度不稳定和活塞的轮廓度不易保证的问题,需要进一步的优化,比如可以尝试在造型完成后,用Powermill 进行加工编程等。