石社軒 鄧 曉
(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 柔性制造河南省工程實(shí)驗(yàn)室,河南 南陽(yáng)473009)
中凸變橢圓曲面是柴油機(jī)活塞裙部理想的型面,中凸曲面形狀復(fù)雜、加工難度大,傳統(tǒng)的是靠模加工一種靠模只能適用于一種曲面,不利于多品種、多尺寸的活塞的加工;專(zhuān)用的活塞加工機(jī)床能夠快速加工活塞,但是專(zhuān)用設(shè)備的成本較高,用通用設(shè)備加工,適應(yīng)性好,但用時(shí)較多。
隨著智能加工技術(shù)的發(fā)展,生產(chǎn)多種產(chǎn)品的柔性生產(chǎn)線(xiàn)會(huì)越來(lái)越普及,發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的柔性生產(chǎn)也成為一種加工方式,本文研究中凸變橢圓曲面的五軸數(shù)控加工的可行方法。
五軸加工中心以其良好的加工特性而應(yīng)用于復(fù)雜型面的加工,加工中心和普通機(jī)床組合方式,以五軸加工中心為核心組成的柔性化生產(chǎn)線(xiàn),能夠充分發(fā)揮普通機(jī)床和加工中心的作用,實(shí)現(xiàn)活塞中凸變橢圓曲面的加工,可以生產(chǎn)多種批次和多品種的活塞零件。
本項(xiàng)目研究活塞橢圓曲面的五軸數(shù)控加工的可行性,具體技術(shù)方案是分析活塞裙部特征,選擇典型的裙部橢圓尺寸段,運(yùn)用有限元法進(jìn)行分析模擬,完成曲面造型,利用UG 生成機(jī)械加工工藝,運(yùn)用五軸進(jìn)行零件關(guān)鍵部位加工。
6110 柴油機(jī)是我國(guó)自主研發(fā)的柴油機(jī),廣泛應(yīng)用于大型客車(chē)上,6110 型發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞(簡(jiǎn)稱(chēng)“活塞”)公稱(chēng)直徑為110mm,活塞主視圖(部分) 見(jiàn)圖1,活塞裙部是典型的中凸橢圓曲面,裙部直徑尺寸沿高度方向變化,呈現(xiàn)上小下大的特點(diǎn),裙部的橢圓度同樣沿裙部高度方向在變化,有三個(gè)典型的橫截面的控制點(diǎn)的尺寸,該活塞是中凸變橢圓活塞的典型的代表。
圖1 活塞主視圖
如圖1 所示,D2段上方的部分和D3下部的一部分,有活塞環(huán)槽和倒角,活塞裙部外圓被銑掉一部分,橢圓曲面特征不夠突出,鑒于本課題研究活塞裙部橢圓曲面的加工。因此,取D2到D3段作為研究對(duì)象。
根據(jù)活塞設(shè)計(jì)的控制尺寸要求,D2和D3之間的活塞橢圓曲面沿軸線(xiàn)方向分為10 段,見(jiàn)圖1。
根據(jù)活塞零件圖,活塞部分特征位置D2、D3處橢圓的橢圓度的尺寸如圖2 所示。該段的造型方法是:D2到D3中間的實(shí)體,分為10 段,有11 個(gè)控制截面,每個(gè)位置選一個(gè)截面,每個(gè)截面上選36 個(gè)均布的特征點(diǎn),參照?qǐng)D2 和圖3 給定的橢圓度尺寸和圖1 右側(cè)提示的橢圓度計(jì)算方法,計(jì)算出每個(gè)截面特征點(diǎn)的半徑數(shù)值。除D2和D3截面以外,其余截面的橢圓度按照直線(xiàn)插入的方法進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式是:
圖2 活塞橢圓度尺寸教育教育
圖3 活塞曲面造型圖
Rф(x)=R90(x)-(ρф2-ρф3)*(x/48)
其中,Rф(x)為截面與D2距離為x,直徑線(xiàn)與活塞銷(xiāo)中心線(xiàn)成ф 夾角的點(diǎn)半徑。
R90(x)為截面與D2距離為x,直徑線(xiàn)與活塞銷(xiāo)中心線(xiàn)成90度夾角的點(diǎn)半徑,即橢圓的大徑。
ρф2為D2橢圓上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的橢圓度,
ρф3為D3橢圓上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的橢圓度。
計(jì)算后部分控制點(diǎn)的半徑尺寸見(jiàn)表1。
表1 活塞相應(yīng)截面的尺寸對(duì)比
3.3.1 依照表1 給出的橫截面上點(diǎn)的尺數(shù)值,在相關(guān)軟件上(CAD 或者UG)擬合出橢圓,其后將截面擬合成為橢圓曲面包括的實(shí)體運(yùn)用放樣命令,選十一個(gè)和軸線(xiàn)平行的特征點(diǎn)為連線(xiàn)為路徑,進(jìn)行掃略,擬合成為圖3 所示的橢圓柱形實(shí)體。
3.3.2 UG 編程,形成加工工藝,進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
3.3.3 在機(jī)床上完成相應(yīng)的加工,材料為鋁合金圓柱形材料,原始尺寸直徑115mm,加工設(shè)備為DMU50。
用雷頓三坐標(biāo)檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè),考慮到雷頓三坐標(biāo)檢測(cè)儀的檢測(cè)范圍,檢測(cè)時(shí),截面位置選擇長(zhǎng)軸0 度、30 度、60 度、90度位置。每個(gè)位置處距上裙距離0-48 共11 點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。
本項(xiàng)目以活塞的橢圓曲面加工為目標(biāo),運(yùn)用有限元法結(jié)合CAD 和UG 技術(shù)完成活塞橢圓曲面的造型,并運(yùn)用五聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)活塞橢圓曲面的加工。
根據(jù)表1 的檢測(cè)結(jié)果,此種方法能夠完成活塞橢圓曲面的加工,在加工設(shè)備充足完善的前提下,該方案能夠加工符合技術(shù)要求的產(chǎn)品,雖然與專(zhuān)用設(shè)備相比,加工時(shí)間(28 分鐘)會(huì)長(zhǎng)一些。但由于其設(shè)備柔性好,能很好的適應(yīng)小批量,多品種加工的特點(diǎn),是柔性生產(chǎn)線(xiàn)的可行方案。
在實(shí)際的加工過(guò)程中,還存在粗糙度不穩(wěn)定和活塞的輪廓度不易保證的問(wèn)題,需要進(jìn)一步的優(yōu)化,比如可以嘗試在造型完成后,用Powermill 進(jìn)行加工編程等。