活塞车床设计方案探讨_ECK25异形活塞车床设计分析

装备技术
活塞车床设计方案探讨
——ECK25异形活塞车床设计分析
李　凡
(湖南一派数控设备有限公司)
〔摘要〕本文从新型活塞设计的趋势及其对活塞车床的功能要求,讨论活塞车床的设计方案,并从机床功能、造型和宜人性上进行分析。

〔关键词〕活塞车床　造型　宜人性
1　前言
由于社会环保意识的增强,汽车尾气排放标准日趋严格,对发动机的性能要求日益提高,随之提出了新型活塞的设计与工艺的问题。

近来设计上采用CAD/CAE模拟分析优化设计系统可以根据活塞的工况模拟、路况反馈和理化计算,可以设计出高水平的异形活塞。

而设计出的还只是图纸上的,要成为产品还得靠工艺装备来制造。

针对这种趋势,一些新的工艺装备相继出现。

活塞型线设计的不断更新、老式的硬靠模活塞车床已成淘汰产品,对高性能数控非圆活塞车床的需求日显紧迫,本文是对最新开发的ECK25数控活塞立式车床的设计分析。

2　机床加工对象-精品活塞
活塞是发动机中的关键零件之一,活塞的工作条件是相当恶劣的,要承受燃油爆燃所产生的高温高压、高速往返运动所产生的冲击力、惯性力和摩擦力,还要承受与活塞销和连杆动力传递中所产生的压缩、拉伸力和扭矩。

设计制造不良的活塞在发动机运行中将造成活塞-活塞环与缸套之间漏气、泄压、窜油、偏磨,而导致发动机性能下降,致命的问题是造成排气超标而被禁用。

本文提出的“精品活塞”是指采用CAD/CAE 模拟分析优化设计系统等先进设计方法设计出的新型活塞。

发动机运转中活塞的不同部位的受力、受热工况是不同的,活塞头部、环岸部、销孔部、裙部等各部位的受力变形、受热变形和磨损状况是不同的,考虑以上诸多因素,设计活塞的材料已不是单一的铝合金,而是带高镍镶圈的复合材料。

活塞的外圆柱面也不是单一简单的圆柱面,而是设计成特定的型线,从活塞头部、环岸部、销孔部至裙部、其截面形状和尺寸是渐变的,有圆柱面、圆锥面、椭圆、不对称椭圆或变椭圆,还有其它结构要素的改进。

这类活塞外圆的名称,目前有多种说法,诸如异形外圆、中凸变椭圆、非圆等等。

本文仍按习惯将这类外圆称其为异形外圆。

3　异形外圆活塞车床的功能要求异形外圆活塞车床有下列功能要求:
1.能按设计型线和精度要求精密车削中凸变椭圆活塞外圆。

2.能适应复合材料的高速切削加工、采用不同材质的刀具分别加工不同材质的活塞部位,自动换刀。

3.能在一次装夹中完成主要精度项目的车加工,得以保证活塞各部位的形位精度要求。

4.有足够的刚性和功率,能适应矩形和梯形环槽的车削加工。

5.能长期保持高精度、稳定、耐用。

6.能加工规定的尺寸规格范围的活塞。

7.符合生产率要求。

8.操作宜人、维护方便、使用安全。

4　异形外圆活塞车床的型式与造型现有的活塞车床以卧式居多,卧式车床又以普通卧式车床改型的居多,近期出现了倾斜床身带多刀位刀塔的卧式活塞车床。

要设置前述异形外圆活塞车床功能要求,卧式布局显得拥挤繁杂。

采用立式布局,可以考虑多种布局方案:
方案(一)设置箱形床座和立柱,主溜板设置在立柱中轴线,能上下运动,主轴倒悬置于主溜板上,
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李　凡:活塞车床设计方案探讨
左、右溜板贴壁安装在立柱下部,左、右溜板能水平运动,直线伺服刀架和八刀位转塔刀架分别设置在左、右溜板左溜板上。

(见图
1)
图1
方案(二)主轴倒悬置于滑架中,主轴套筒设置为Z 座标轴,上、下移动,滑架设置X 座标的水平方向移动,直线伺服刀架和八刀位转塔刀架分别设置在底座左右部位。

方案(三)电机床座和立柱均为箱形构件,精密主轴及变频电机均设置在主机床座上,并配置了编码器。

立柱上对称布置左右溜板,左溜板上是直线电机伺服多刀刀架。

右溜板上配置一个八工位转位刀架。

立柱的中上部设置了一个气动顶尖座。

(见图
2)
图2
从结构刚性、工艺性和宜人性等诸多因素决择,最终选定“方案(三)”,这种立式布局具有下列优势:
1.机床占地面积小,本机床将电器柜组合在床座上,主机的占地面积仅为四平方米。

2.便于动态和静态刚性的设置。

3.本机床各向运动均采用预负载滚动导轨和滚动丝杆,这种布局有利于导轨和丝杆的润滑和防护。

4.便于模块化设计。

5.便于防护设置和排屑处理。

6.便于宜人性设置
ECK 25数控活塞车床线造型格调采用直线线形矩形形体,适当设置形体层次,配以斜面于以点缀,力求平整简洁而不单调;稳重而不臃肿,给人以精密、稳定的视觉效果。

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　异形外圆活塞车床的宜人性设置
本机床是数控精密机床,其宜人性主要有以下方面的考虑:
数控机床不仅要考虑宜于加工操作,还要考虑机械、电器维护人员和程序员的操作宜人。

1　操作高度宜人
1)活塞的装夹高度为1米。

2)控制台距地面的高度1～1.5米。

3)电器柜距地面高度0.65米。

4)主电机的安装高度0.65米。

2　防护宜人
活塞车加工过程中使用大流量冷却液,铝切屑中混有少量铁屑,防护设置有以下考虑:
1)加工区全封闭防护、大流量冷却液冲刷排屑。

2)防护门开闭轻松灵活。

3)冷却液箱设置了磁性切屑分离装置,铁、铝屑分别排出。

4)润滑油与冷却液隔离,设置了废油收集油槽,防止润滑油混入冷却液,从而延长冷却液使用寿命。

3　数据操作界面宜人(本文只介绍中文版)
1)采用国际先进的工业控制计算机系统,操作简便,可靠性高。

2)活塞曲面数据编程软件应用程序,界面清晰友好,易于理解,操作简便,有计算机使用基础和对
图3
图4
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内燃机配件 2003年第1期
图5
活塞形线数据有所了解的人员均能很快掌握。

3)活塞曲面数据输入采用图表界面数据输入直观简便。

(见图3)
4)截面形状数据采用极座标图形显示给人以一目了然的感觉。

(见图4) 5)数据输入完毕,软件计算后自动显示形线图,便于校核、增强了可信度(见图5)
4　其它宜人性设置
1)直线电机装在一个配有伺服电机的溜板上、溜板能快速定位和自锁紧。

更换品种时简化了机床的调整操作。

2)设置了电子手轮便于各个座标的调整操作。

6　结束语
ECK25数控活塞立式车床,是最新开发的活塞专用车床,通过对多家活塞制造厂的活塞车床使用状况现场考察,设计融入了操作人员、技术人员的经验和宝贵意见,在机床的造型、防护和宜人性方面有诸多考虑。

本机床尤其适应新品种试制,适用于各种批量生产,可单机使用,也适宜连线生产,适用各种规模的厂家。

铝硅活塞合金的组织细化浅析
董圣林
(江苏省铜山县黄山有色金属熔剂厂)
陈维平
(河北省冶金研究院)
1　前言
为了提高铝活塞的高温机械性能,必须对共晶及过共晶的铝硅合金进行变质处理。

目前,我国许多活塞厂家都已采用磷来细化初晶硅即可获得热膨胀系数低、尺寸稳定性高、导热性、耐磨性高抗腐蚀性好的优质活塞。

现对目前活塞厂家通常采用的几种变质方法进行比较。

2　几种变质方法优劣的比较
对共晶组织有变质作用的元素有Na、Ca、Ba、K、Sr、Sb、Te、T i、Li以及稀土元素等。

目前用于生产实际的变质元素有Na、Sb和Sr,对过共晶组织有变质作用的元素有P、As和S。

1　Na变质处理
钠是共晶类铝硅合金最常用的变质剂。

钠的变质效果直接受钠的残留量的影响。

钠在合金液中的残留量应该达到0.015%～0.02%,合理的残留量还与合金的含硅量、铸型的冷却速度、合金液的温度以及保温时间的长短有关。

特别是受凝固速度的影响大。

在慢冷的砂型、石膏型中铸造,可获得良好的变质效果。

这时,钠的添加量也应多一些。

而在快冷的金属型铸造时,则变质效果稍差,此时钠的添加量也可少一些。

钠还有分散气孔形成缩孔的坏作用。

但钠又与潮模中的水分发生下列反应,2Na+H2O→Na2O+H2↑生成的氢气使铸件或铸锭块产生皮下气孔并且还会使合金液粘性增加、流动性变坏。

另外钠变质的时间也较短,对浇注速度要求较高。

Na变质还会腐蚀设备、坩埚和铁质工具,造成合金液增铁。

钠变质还会造成活塞表面产生白斑点现象,钠变质使合金粘性增加,对切削加工不利,影响活塞表面粗糙度。

钠变质的活塞的热膨胀系数高,易产生抱轴现象,抗腐蚀、耐磨性也较差。

2　Sr变质处理
Sr的变质作用具有长效性,但持续时间不如锑,可以得到与钠相同的变质效果,可以用于砂型、
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董圣林　陈维平 铝硅活塞合金的组织细化浅析。