新型活塞异形销孔加工方法

第 37卷 增刊 2003年 11月
上海交通大学 学报
JO U RN A L O F SHAN G HAI JI AO T ON G U N IV ERSI T Y
文章编号: 1006-2467( 2003) S1-0029-04
V ol. 37 Su p. N ov. 2003
新型活塞异形销孔加工方法
学模型比较复杂时 ,计算机的计算时间就较长 ,从而
影响加工精度 . 本文采用的控制方法是将上述两种方法结合起
来 ,控制原理如图 3所示 .首先对加工表面母线进行
数值离散 ,形成关于加工表面的大量数据 . 加工过程
中 ,实时检测工作台的轴向位移 ,通过查表的方法 , 确定刀具的径向微位移控制信号 ,从而实现异形销
内燃机工作过程中 ,活塞承受燃气压力和惯性 力 . 活塞销作为支撑元件 ,其受力产生弯曲 ,由此造 成载荷向活塞销孔内侧应力集中 ,销座内侧材料已 接近疲劳极限 .为此需要采取一切可能采用的方法 来提高活塞销孔的承载能力 . 采用压铸法生产毛胚 和对加工表面进行滚压加工是最早采用的方法 ,其
次是利用直径较大的活塞销和较长的销座来提高承 载能力 .但在许多情况下 ,这种方法的应 用受到限 制 ,并且由于接触应力不均匀 ,使这种方法的有效性 大打折扣 . 另外通过调整销孔与销轴之间的载荷分 布 ,也可以使销孔的承载能力得到提高 . 调整方法一 般是将靠近销座处的销孔加工成锥形或者喇叭形 ,
而成 ,在其 2个转动臂上均匀对称地加工出 8个圆 弧槽 ,形成 4个完全对称柔性铰链 . 压电陶瓷驱动器 放置在变形机构转动铰链臂的中间 ,当驱动器伸长 变形时 ,可以使镗杆获得较大的径向微位移 . 当驱动 器的驱动电压为零时 ,镗杆中心与静压主轴同心 ,可 以进行圆柱孔的加工 .随着驱动电压的加大 ,驱动器 伸长增加 ,柔性铰链转动臂的转角相应增大 ,带动镗 杆径向微位移不断增加 ,从而进行微小锥度表面的 加工 . 1. 1 误差补偿方法 镗杆径向位置误差直接影响工件表 面加工精 度 ,而造成误差的主要原因是压电陶瓷驱动器的磁 滞特性 .压电陶瓷的微位移特性曲线如图 2所示 ,可 见其具有明显的磁滞现象 . 为了消除升降压行程中 的磁滞对刀具位置精度的影响 ,可以建立升降压曲 线数学模型 ,然后用此模型实现刀具的精确位移控 制 [7] .
动与轴向切削运动保持协调 . 实现上述控制的具体
方法有两种: 一种是切削运动的控制完全根据预先
销孔母线的离散数值 ,这种方法的优点是控制速度 快 ,但是刀具轨迹都是预先计算好的 ,并不是根据实
际工作台的轴向尺寸确定的 ,因而工作台的轴向进
给误差将直接影响表面的加工精度 ; 另一种是在加
工过程中进行实时计算与控制 ,这种方法的缺点是 加工表面的数学模型应比较简单 . 当加工表面的数
Abstract: The pa per presented a new w ay fo r pisto n no nci rcular pin hole bo ri ng w hi ch uses a piezodriv en di splacement m echa ni sm. In order to at tain desi red displacem ent of boring bar, the pi ezo actuato r is m ounted radially i n the middle o f the ro ta ti ng bar o f the mechani sm. The w o rking principle of t he mechani sm w as analy zed, the model t o com pensat e the hy st eresi s of the pie zo actuat or was established. A ki nd o f co nt rol met ho d co mbi ni ng the adv antag e of real tim e mo ni to ring co ntrol and looking up a t abl e co nt rol w as propo sed, t he desi gn method of ro tati ng rigidi ty fo r one-axi s f lex ure hinge w as illust ra ted. A dy namic m odel of the m echa ni sm w as set up, t he dy namic perf ormance demo nst ra tes t ha t the i niti al conditi ons do no t af f ect th e st able output of the m echa ni sm , w hich i ndi cat es that the pi ezodriven bo ri ng bar ca n g et st able o ut put a nd hi gh di splacement accuracy. The theo retical analy si s co nfi rms the v alidi t y of the proposed m echa nism. Key words: pisto n; nonci rcular pin hole; flex ure hinge; piezodriv en
在研究微段变形时 ,可以认为微段是长度为 dx
的等截面矩形梁 ,而且作用于微段两侧面的弯矩也 是相同的 . 根据材料力学理论可以得到柔性铰链中
性面的曲率半径:
1 d
=
M(x ) EJ (x )
刘炳云等 [2 ]在国内较早进行异形销孔数控加工 技术的研究 ,并研制成功异形销孔数控加工机床 .该 技术的关键是在空心镗轴的前端安装一个径向变形 机构 .该机构具有很大的传动比 ,可以带动镗杆作径 向微位移 ,完成异形销孔的加工 . 由于变形机构结构 复杂 ,致使其制作困难 .滨州活塞厂发明了一种由偏 心轴套与偏心刀杆组成的镗主轴进行精密异形孔的 加工 [3 ] . 为了保证加工精度 ,轴套与刀杆的偏心量应 相等且需精密装配 . 本文采用基于压电陶瓷驱动的 柔性铰链变形机构进行异形孔加工 ,并就驱动器磁 滞的补偿方法、柔性铰链的刚度计算及变形机构动 力特性等问题进行了分析 .
k= 0
式中: uf 为压电陶瓷驱动器升压时的位移 ;hk 为由实
验确定的多项式系数 ; m 为阶数 . 当降压过程是从饱
和状态开始时 ,降压曲线 2也是惟一确定的 ,用多项
式表示为
m
∑ ur =
dk Vk
( 2)
k= 0
式中: ur 为压电陶瓷刀具降压时的位移 ; dk 为由实
验确定的多项式系数 .上 海 交 通 大 学 学 报
第 37卷
即形成所谓异形销孔 . 当发动机普遍采用高压缩比 和高爆发力时 ,活塞采用异形销孔是惟一有效且普 遍采用的方法 .
同活塞裙部的加工相类似 ,活塞异形销孔的加 工也经历了靠模加工和数控加工两个阶段 .德国 K S 公司 最 早进 行 了活 塞 异形 销 孔 承载 能 力 的对 比 试验 ,并开发出用于异形销孔大批量生产的专用镗 床 [1 ] .该机床采用靠模加工方法 ,可以将销孔的加工 误差控制在 5μm 之内 . 这种机床的缺陷是产品转 型时 ,需要重新制作靠模 ,并且转速较低 ,一般不超 过 1 800 r /min. 随着微计算机的广泛使用 ,制造技 术飞速发展 ,发达国家相继研制成功异形销孔数控 加工机床 .采用数控技术加工异形销孔 ,不但可以采 用高达 3 000 r /min的转速 ,而且可以加工出更为理 想的异形销孔 ,以最大限度地提高活塞销孔的承载 能力 .
孔的精密加工 .
图 3 控制系统原理图 Fig . 3 Block diag ram o f the contr ol system
2 柔性铰链的刚度计算
柔性铰链用于绕轴作复杂运动的有限角位移 ,
它的特点是无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高 . 由
于柔性铰链的位移较小 ,一般控制在数十 μm,因此
从微位移机构的实际情况出发 ,对设计方法和理论
Theoretical Analysis on Boring Mechanism for Pist on Noncircular Pin Hole
Z H AN G Kai , HU De-j in, M A Hao-quan ( Schoo l of Mechanical Eng. , Shanghai Ji ao t ong Univ. , Shang hai 200030, Chi na)
1 异形销孔的加工原理
在分 析现 有微 位移机 构技 术特 点的 基础 上 [4～ 6 ] , 采用图 1所示的结 构实现异形销 孔的数控
图 1 异形销孔加工原理图 Fig. 1 Schematic o f the noncircular pin hole bo ring
加工 . 静压主轴前端连接一柔性铰链变形机构 .该机 构由具有一定厚度的整体弹簧钢经电火花精密加工
计算进行简化 .柔性铰链转角刚度的计算简图如图
4所示 .柔性铰链的转角变形实际上是由许多微段
弯曲变形累积的结果 ,设第 i 个微段产生的转角为
Δθi ,产生的挠度为 Δyi ,则整个柔性铰链的转角 θ和
挠度 y 分别为
n
n
θ= ∑ Δθi , y = ∑ Δyi
( 4)
i= 1
i= 1
图 4 柔性铰链结构图 Fig . 4 Sing le-a xis flexible hing e and co or dina te sy stem
张 凯 , 胡德金 , 马浩全
(上海交通大学 机械与动力工程学院 ,上海 200030)
摘 要: 提出一种新型活塞异形销孔数控加工方法 ,采用一个基于压电陶瓷驱动的柔性铰链放大 机构来实现镗刀的径向微位移 . 分析了放大机构的工作原理 ,提出了一种查表与实时检测相结合的 控制方法 .建立了消除压电陶瓷驱动器磁滞特性的数学模型 ,分析了柔性铰链刚度参数的设计方法 及柔性铰链机构的动态特性 . 关键词: 活塞 ; 异形销孔 ; 柔性铰链 ; 压电驱动 中图分类号: T H 134. 3 文献标识码: A