曾顯波，王文健

(1.青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266404)

(2.北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所,北京 100095)

發(fā)動(dòng)機(jī)缸套軸頸部滾壓裝置及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曾顯波1，王文健2

(1.青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266404)

(2.北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所,北京 100095)

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套軸頸部進(jìn)行滾壓加工的意義和要求進(jìn)行了探討，設(shè)計(jì)了一套滾壓結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)。通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)與液壓伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)滾壓工藝過(guò)程及滾壓力、滾壓圈數(shù)、滾壓速度等滾壓參數(shù)的精確控制，解決了缸套軸頸部滾壓實(shí)施過(guò)程中沒有合適監(jiān)控方法的問(wèn)題，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。

缸套頸部；滾壓裝置；控制系統(tǒng)；滾壓參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)缸套是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部件，是發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟零部件、燃燒室部件主體，也是易損件[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)缸套頸部是主要受力部位之一，是發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中受到應(yīng)力(機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力)最集中的部位，同時(shí)因其軸肩部位是缸套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最薄弱的部位，易在上端面至軸肩退刀槽處產(chǎn)生疲勞失效而導(dǎo)致缸套出現(xiàn)裂紋甚至斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生故障。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)向高壓、高速方向發(fā)展，需要解決的問(wèn)題是如何利用有效手段，在盡量降低缸套生產(chǎn)成本的前提下，提高發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的使用壽命。

運(yùn)用表面滾壓技術(shù)可提高金屬材料的疲勞強(qiáng)度。王海軍等[2]將這一技術(shù)應(yīng)用到缸套滾壓試驗(yàn)中，并總結(jié)出指導(dǎo)生產(chǎn)的工藝參數(shù)與效果評(píng)價(jià)等。王憲成等[3]建立了動(dòng)載荷條件下的缸套磨損計(jì)算模型，對(duì)缸套滾壓試驗(yàn)具有一定的參考意義。Rutecka A等[4]對(duì)相關(guān)材料進(jìn)行了測(cè)試，找出了適合汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的材料。覃正光[5]提出用R槽取代直槽并對(duì)槽口處進(jìn)行滾壓，產(chǎn)生表面硬化層，從而提高其疲勞強(qiáng)度。綜合分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套頸部采用R槽加工并進(jìn)行滾壓操作，可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性及使用壽命。

1 滾壓裝置的總體設(shè)計(jì)

1.1缸套滾壓加工技術(shù)要求

某型發(fā)動(dòng)機(jī)缸套零件圖如圖1所示。

根據(jù)覃正光提出的用R槽取代直槽的設(shè)想，將傳統(tǒng)的缸套軸肩處退刀槽由直槽改為R槽，如圖1所示。切槽的加工和缸套軸頸部的滾壓是通過(guò)在數(shù)控機(jī)床上加裝控制裝置實(shí)現(xiàn)的，運(yùn)用數(shù)控機(jī)床的相關(guān)功能，利用R型切槽刀完成切槽加工，隨后利用滾壓裝置完成滾壓加工。

缸套軸頸部滾壓參數(shù)如下：

a.滾壓壓力。

滾壓壓力是指滾輪施加到缸套軸頸部R槽處的壓力，其大小直接影響加工質(zhì)量。滾壓力過(guò)小，達(dá)不到表面強(qiáng)化要求；滾壓力過(guò)大，容易造成缸套變形。滾壓力大小應(yīng)該根據(jù)缸套的材料、硬度、壁厚及發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)等情況綜合確定，實(shí)際加工過(guò)程中一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)獲取其數(shù)值，也可通過(guò)對(duì)加工參數(shù)的優(yōu)選，計(jì)算獲得滾壓力值。

缸套軸頸處R槽的半徑為r，滾壓加工時(shí)滾輪的滾壓圓弧半徑一般取R槽半徑值的上限，使?jié)L輪圓弧盡量與R槽表面全部接觸。根據(jù)滾輪與R槽的等效接觸面積可理論計(jì)算出滾壓力P。假設(shè)滾輪滾壓圓弧半徑為r1，滾輪直徑為D1，滾輪位移進(jìn)給量為δ，則施加到缸套上的滾壓力[1]：

式中：K為靜壓力提高系數(shù)，即最大等效應(yīng)力σmax與最小抗拉強(qiáng)度σb的比值。

根據(jù)理論計(jì)算值，本文缸套軸頸部滾壓時(shí)要求滾壓力值為15kN±500N。

b.滾壓轉(zhuǎn)速。

滾壓轉(zhuǎn)速指滾壓時(shí)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速，即缸套轉(zhuǎn)速。滾壓時(shí)轉(zhuǎn)速不宜過(guò)快，過(guò)快容易造成振動(dòng)或表面燒傷等；過(guò)慢會(huì)出現(xiàn)滾輪滯轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，滾壓轉(zhuǎn)速選取區(qū)間一般為40～100r/min。本文缸套滾壓轉(zhuǎn)速設(shè)為40r/min，要求轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

c.滾壓圈數(shù)。

滾壓圈數(shù)是指滾輪壓過(guò)缸套軸頸處R槽中同一位置的次數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，滾壓圈數(shù)一般為15～25圈，如繼續(xù)增加圈數(shù)則會(huì)產(chǎn)生接觸疲勞。本文中缸套滾壓圈數(shù)選取20圈，同時(shí)為了提高滾壓加工質(zhì)量，避免滾壓力的突增與突降對(duì)缸套產(chǎn)生的影響，滾壓力與滾壓圈數(shù)按照如圖2所示的滾壓曲線要求執(zhí)行。要求滾壓力在第0～6圈時(shí)勻速上升到15kN，并維持8圈(第7～14圈，力值要求15kN±500N)，在第15～20圈勻速下降到零。

1.2滾壓裝置控制方案

滾壓裝置的控制主要由液壓伺服系統(tǒng)執(zhí)行和完成，控制系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

液壓伺服系統(tǒng)的核心部件是控制器，由三菱可編程控制器(PLC)、GOT模塊(液晶觸摸屏)組成，主要功能是對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行接收、計(jì)算與發(fā)送等，實(shí)現(xiàn)對(duì)滾壓力的閉環(huán)控制，從而達(dá)到精確控制滾壓力與滾壓工藝要求的目的。通過(guò)觸摸屏可置入?yún)?shù)和工作方式，由顯示器顯示當(dāng)前的滾壓力值、所轉(zhuǎn)圈數(shù)等信息。工作時(shí)，控制器接收傳感器檢測(cè)的信號(hào)并按照置入的控制程序進(jìn)行運(yùn)算，輸出換向與比例電壓信號(hào)，控制換向閥的方向與比例溢流閥的油液流量，實(shí)現(xiàn)輸出的壓力與缸套轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的曲線關(guān)系(如圖2所示)。

1.3滾壓裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

滾壓裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要由自行設(shè)計(jì)的機(jī)械臂和滾輪組成，通過(guò)機(jī)械臂將液壓缸與滾輪固定在機(jī)床上，液壓缸的位置與滾輪的角度可以微調(diào)。如圖4所示。

2 滾壓裝置工作控制原理

滾壓裝置包括臥式數(shù)控車床和液壓伺服系統(tǒng)及安裝有液壓缸與滾輪的機(jī)械臂。工作時(shí)，先利用數(shù)控車床進(jìn)行R角切削加工，然后液壓伺服系統(tǒng)控制伺服閥驅(qū)動(dòng)安裝在機(jī)械臂上的油缸使其帶動(dòng)滾壓輪運(yùn)動(dòng)，當(dāng)滾壓輪接觸工件后，壓力傳感器與轉(zhuǎn)速傳感器開始檢測(cè)信號(hào)，并傳輸?shù)娇刂破鲀?nèi)，控制器內(nèi)置的控制程序按照給定的數(shù)據(jù)和檢測(cè)得到的轉(zhuǎn)速、滾壓力、轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)等參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，輸出控制信號(hào)控制比例溢流閥，調(diào)節(jié)油缸壓力以控制滾壓力與缸套轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)符合曲線要求。加工過(guò)程中液壓伺服系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)滾壓力曲線自動(dòng)控制，自動(dòng)化程度高，無(wú)需人工干預(yù)。

2.1機(jī)電系統(tǒng)控制原理及流程

機(jī)電系統(tǒng)控制的主要內(nèi)容為液壓缸的進(jìn)給與回退，以及使液壓力與缸套、轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)符合曲線要求。操作人員向控制器輸入指令，控制器發(fā)出換向信號(hào)，驅(qū)動(dòng)液壓缸運(yùn)動(dòng)，同時(shí)接收傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，并按照置入的控制程序計(jì)算數(shù)據(jù)，將計(jì)算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)發(fā)向順序控制閥與比例溢流閥，控制閥芯動(dòng)作，通過(guò)滾壓力與轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。其控制原理與流程如圖5所示。

液壓系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)滾壓曲線的關(guān)鍵部分，由油箱、比例溢流閥、換向電磁閥、順序閥、恒壓變量泵、電動(dòng)機(jī)、濾油器、高壓軟管、液位計(jì)等組成。

其基本工作原理為：由恒壓變量泵提供工作壓力，開始工作時(shí)，換向電磁閥打開，活塞桿帶動(dòng)測(cè)力傳感器前進(jìn)；滾輪接觸工件后，由D/A輸出電壓控制比例溢流閥的出口壓力，以控制滾壓曲線。滾壓完成后，反向電磁閥打開，活塞桿退回，完成一次滾壓操作。其系統(tǒng)工作原理圖如圖6所示。

3 滾壓裝置關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1液壓缸的設(shè)計(jì)

滾壓時(shí)必須保證滾輪不得有軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，因此液壓缸的活塞桿必須安裝導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。

a.液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

液壓缸的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

b.液壓缸活塞直徑的確定。

晚上陶小西的爸媽見到溫衡都很高興，特意買了周老五家的老鴨湯，四個(gè)人坐在客廳像家人一樣有說(shuō)有笑，但老鴨湯的香味卻熏得陶小西眼眶泛紅。從前，她跟爸爸也很喜歡吃這家老鴨湯，每周爸爸不出海的日子，他們都會(huì)去買一鍋來(lái)，父女二人跟奶奶圍著一鍋湯吃得很酣暢淋漓。那樣的幸福和溫暖，已經(jīng)離她好遠(yuǎn)好遠(yuǎn)了。

為減小噪聲和液壓系統(tǒng)的體積，設(shè)定液壓系統(tǒng)工作時(shí)的最高壓力為5MPa，則活塞產(chǎn)生的最大力F為：

式中：p為液壓系統(tǒng)壓力；D為活塞直徑。

因此，為了提供15kN的滾壓力，活塞直徑D為：

考慮到摩擦損失和標(biāo)準(zhǔn)化要求，取活塞直徑D=80mm，活塞桿直徑為38mm。

3.2缸套夾具設(shè)計(jì)

受到裝夾力與滾壓力的作用，缸套滾壓過(guò)程中易產(chǎn)生變形，同時(shí)考慮裝夾的方便性和定位精度的準(zhǔn)確性，必須設(shè)計(jì)專用夾具進(jìn)行裝夾。缸套專用機(jī)床夾具采用脹套結(jié)構(gòu)，由芯軸、彈簧套筒、錐形套、螺桿、螺母等構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

裝夾時(shí)將工件裝夾在彈簧套筒上，擰緊螺母，螺桿帶動(dòng)錐形套向里移動(dòng)，芯軸及錐形套的斜面將彈簧套筒向外擴(kuò)張，從而撐緊工件，簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的固定。

4 結(jié)束語(yǔ)

汽缸體頸部滾壓硬化技術(shù)作為一種經(jīng)濟(jì)有效的提高缸套疲勞強(qiáng)度的手段已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。本文詳細(xì)介紹了一種可以對(duì)滾壓工藝參數(shù)精確控制的加工裝置及控制方式。根據(jù)缸套頸部滾壓的工藝參數(shù)設(shè)定滾壓曲線，控制裝置能有效地實(shí)現(xiàn)滾壓力曲線自動(dòng)控制，此設(shè)計(jì)方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的實(shí)際生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。(論文內(nèi)容已經(jīng)申請(qǐng)發(fā)明專利，受理號(hào)：201510056785.9)

[1] 袁志敏，徐涵秋. 發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸套失效的幾種形式及其成因[J].四川農(nóng)機(jī), 2008(6):36-38.

[2] 王海軍，高廣軍. 發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸套深滾壓強(qiáng)化處理技術(shù)研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件, 2014(3):17-20.

[3] 王憲成, 劉冰,孫耀文,等. 車輛發(fā)動(dòng)機(jī)缸套磨損計(jì)算模型[J]. 柴油機(jī), 2014(4):23-26.

[4]RuteckaA,KowalewskiZL,PietrzakK,etal.Creepandlowcyclefatigueinvestigationsoflightaluminiumalloysforenginecylinderheads[J].Strain, 2011, 47(SUPPL. 2):374-381.

[5] 覃正光. 滾壓技術(shù)在汽缸套加工中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,1995(2)：23-26.

Design of rolling device and its control system for engine cylinder liner axis neck

ZENG Xianbo1, WANG Wenjian2

(1.Qingdao Harbour Vocational and Technology College, Shandong Qingdao, 266404, China)

(2.Beijing Great Wall Institute of Measurement and Testing Technology, Beijing, 100095, China)

Based on the discussion for the significance and requirements of rolling processing on engine cylinder liner axis neck, it proposes a set of roller structure and control system. Using the mechanical structure and hydraulic servo system, it designs the control system for the rolling process and the parameters such as rolling pressure, rolling speed, rolling turns and rolling parameters accurately. This provides the appropriate monitoring method in the process of implementation, is of great significance for the actual production of engine cylinder liner.

cylinder neck; rolling device; control system; rolling parameters

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.04.018

2015-02-12

曾顯波(1978—)，男，山東青島人，青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，主要從事機(jī)械制造及自動(dòng)化相關(guān)領(lǐng)域的工作。

TK403

A

2095-509X(2015)04-0077-04