淺談活塞加工專用數控機床

顧紅光 耿 欣

(①沈陽機床成套設備有限責任公司，遼寧沈陽 110142;②沈陽理工大學應用技術學院，遼寧撫順 113122)

活塞是發動機組成的關鍵部件，其加工也屬高精加工。在國內應用的活塞加工數控機床與磨床一樣，基本都是采用從日本、德國以及中國臺灣省等進口的機床，內地機床廠基本無法生產出滿足要求的活塞加工機床。基于活塞加工的重要性，我公司也開始研發活塞加工專用數控機床，并與國內一名牌大學合作成功研制出SUC8135、SUC8148等系列活塞加工專用數控機床并投入到活塞加工廠的生產中。這里簡述活塞加工數控機床的基本結構及工作原理。

1 活塞的基本特性

最常見的活塞外形是中凸變橢圓。加工圖紙上常以橢圓度、形線和某些截面上的形狀等數據來描述其外形面。傳統加工方法為硬靠模加工，在靠模法加工中人們很少考慮外圓面上某一點的具體坐標。在用數控法加工時則要建立外圓面的數學模型，首先按照圖紙要求將外圓曲面網格化，如圖1所示。

只要網格足夠密(即t和θ足夠小)，則這些數字化了的網格點就能以足夠的精度來代表活塞外圓曲面。在車削過程中如果刀尖的軌跡能準確地通過這些網格結點就能加工出足夠理想的活塞。數控系統的任務就在于此，即讓刀具在X方向沿預先編好的軌跡Sx=x(θi，zj)運動。其中 θi表示第i個轉角，zj表示第j個截面。Sx=x(θi，zj)是根據圖紙要求預先計算出來并存放于控制計算機的存貯器中的數據，由專用軟件進行數據處理。加工流程如圖2所示。

2 加工基本控制理論

當機床主軸旋轉時主軸編碼器向計算機發送主軸采樣信號(CY)和主軸同步信號(TB)，如圖3所示。

主軸每轉一圈發一個同步信號對應著活塞的長軸位置。以同步信號為角向基準每收到一個主軸采樣信號CY對應著刀尖相對于長軸的每一個角度θi。此外機床還配備了一個縱向零位光電開關。當機床走刀時先觸發了縱向零位。縱向零位對應著活塞裙部的加工起點。以縱向零位觸發信號為基準，縱向步進電動機每走一步發出一個縱向信號ZX對應著刀尖相對于裙部起始點所處的縱向位置zj。確定了θi和zj后計算機就能計算出刀具的位移信號Sx=x(θi，zj)。該信號通過D/A轉換送到功放驅動直線電動機推動刀架，使刀尖迅速地到達預定的位置。

3 機床的基本結構

活塞加工屬于模具仿形加工，用普通數控系統加工指令無法對其進行加工。本機床主要是在數控機床上增加工業控制計算機、功放系統、徑向角度檢測元件、縱向位置元件、測量反饋裝置等部分。在加工過程中，數控系統編譯簡單的加工程序，即主軸轉動、Z軸及X軸直線運動。控制計算機通過Z軸縱向零位光電開關來啟動系統，徑向角度檢測元件及縱向位置元件實時地向控制計算機報告刀具相對工件的位置。控制計算機則依次將已準備好的活塞"軟靠模"文件中的數據送到功率放大器中，高頻響微動伺服機構接受放大器的信號，驅動刀具按要求的規律運動以加工出所需的活塞中凸形線和橢圓截面形線。測量反饋裝置用于改善加工過程的質量。本機床對主軸跳動要求很高，因為活塞不僅要求精度，還要求表面光滑度(刀紋)，還要求加工效率。所以本機床采用恒溫靜壓主軸單元，能保證加工的高精高效。機床的基本組成如圖4所示。

4 結語

活塞加工專用數控機床的研制，打破了國外對此類機床的壟斷地位，降低了活塞加工單位的設備成本。對于一直應用傳統靠模加工活塞的單位，為他們提供了一種加工精度更高、效率更快的加工方案。

［1］PTC5活塞數控車削系統使用說明書［Z］.北京:國防科技大學，2005.