ECK6520B數控鋼活塞立式車床的開發

石貴發

摘要：隨著國V、國VI內燃機排放標準的實施推進，國內重型發動機越來越傾向于使用全鋼活塞來代替原有的鋁活塞，而全鋼活塞的加工，對于國內外活塞生產商來說，是一個新的難題。為滿足國內外活塞生產商對全鋼活塞加工的急切需求，一派數控設計開發了ECK6520B系列數控活塞立式車床。該系列車床采用雙立柱結構，搭載雙Z軸、雙X軸，可實現加工工序的集中;采用雙通道數控系統可同時控制雙向三軸聯動，成倍地提高了加工效率;采用模塊化設計，便于柔性組線，可根據不同加工要求選裝功能部件。

關鍵詞：立式車床;鋼活塞;焊前加工;焊后加工;雙立柱;模塊化設計;止口;燃燒室;異形外圓;環槽頂面

0? 引言

隨著發動機排放標準的進一步提高，高燃爆技術的普及，全鋼活塞越來越多;在高檔全鋼活塞的關鍵結構要素中，外圓型線、環槽、頂面的形位精度要求日益提高。要適應這種趨勢，一是要分別提高外圓型線、環槽、頂面的加工精度，二是要提高外圓型線、環槽、頂面的相對位置精度，目前國內主要是在工藝流程和工裝夾具上采取措施，這已不能滿足活塞加工工藝進步的要求。為此，一派數控設計開發了工序集成度更高的ECK6520B系列數控活塞立式車削系統，以滿足國內外全鋼活塞止口、燃燒室、頂面、異形外圓、環槽車削加工的精度和效率需求。

1? 機床基本參數與結構形式

機床可用于加工全鋼活塞異形外圓、頂面、止口、燃燒室、環槽等。可加工材質為42CrMo4、38MnVS6Ti，硬度為250-320HBW鍛鋼的活塞。加工活塞尺寸的可選范圍為Φ100～Φ200mm。機床整體尺寸：長×寬×高=2295×2026×2697mm，機床的整體結構及外觀如圖1、圖2所示。

機床主體為雙立柱結構，搭載雙Z軸、雙X軸。活塞定位后，兩刀架可同時對活塞進行加工，從而使得加工工序集中，減少了裝夾時間所占比例，加工效率成倍地提高。同時這種結構形式也極大地提高了機床主體的剛性，為機床的高精度加工提供了有力保障。

機床可同時配置精密液壓尾架和液壓拉緊裝置，采用拉緊和頂緊結合的方式進行鋼活塞精車工序，定位精度高，穩定性好，活塞受力變形小。

根據需要，機床還可以配置主軸圓光柵代替主軸電機編碼器對主軸位置進行更精確的反饋和定位，這對改善異形外圓加工質量有明顯作用。

機床可配置定向停車和自動穿銷裝置，可用于各種定位方式的全自動鋼活塞生產線的組線。

2? 機床主要創新點

2.1 雙立柱結構，雙排屑口床身? 機床底座和立柱為兩個整體鑄件，保證了機床整體的剛性。雙Z軸、雙X軸同在立柱上安裝，保證拖板的安裝剛性及位置精度。針對鋼活塞加工斷屑困難、長切屑多、排屑難的問題，本機床設計了雙排屑口，通過兩個鏈板式的排屑器同時工作，使機床排屑更順暢。

2.2 采用拉緊和頂緊相結合的裝夾方式? 機床采用拉緊和頂緊相結合的方式進行鋼活塞的裝夾，定位精度高，產品尺寸穩定性好。首先，尾架軸心線相對于主軸回轉軸心線的同軸度，對活塞的精密加工影響非常大。為了提高該同軸度，我們專門設計了一款精密液壓尾架，全行程上套筒在尾架體內的支撐長度不變，有效地保證了尾架在整個行程內的支撐剛度。尾架可進行高低壓控制，可根據同一加工過程中不同工序的壓緊力要求進行壓緊力的切換，確保機床加工的高精度。

同時，機床還配置了高低壓拉緊裝置，可根據需要安裝卡盤或活塞專用工裝進行活塞的加緊或拉緊，可適用于不同全鋼活塞加工工藝，可加工有定位止口和無定位止口的全鋼活塞。在使用通過銷孔拉緊活塞的工裝時，可在同一加工過程中切換拉緊力，以適應加工余量不同時對活塞拉緊力不同的需求。

在進行活塞異形外圓、頂面及環槽精車時，可以采用拉緊和頂緊結合的裝夾方式，同時根據不同加工工序，選擇不同的拉緊和頂緊力的配合，大大提高了加工過程中活塞定位的穩定性和受力均勻性，從而提高鋼活塞外圓、頂面及環槽的尺寸精度和位置精度。

2.3 自動穿拔銷裝置? 根據自動化組線需要，機床設計開發了自動穿拔銷裝置，可用于通過銷棒拉緊定位的活塞加工工序的銷棒的自動穿拔或角向定位。

2.4 雙通道數控系統? 采用雙通道數控系統，可實現左、右兩個刀架并行加工，成倍地提高了工作效率。應用在全自動活塞生產線上可有效地減小活塞加工的節拍。

3? 在全自動活塞生產線上的應用示例

在一派規劃設計的鋼活塞全自動生產線（如圖3所示）中，有4道工序5臺車床采用了ECK6520B系列數控活塞立式車床。由于該系列機床的模塊化設計，可根據不同工序要求搭載不同的功能部件，使其在生產線上的應用極其靈活。其中，異形外圓加工車床ECK6520BL采用德國SIEMENS公司生產的828D雙通道數控系統，配置自主研發的雙CPU控制的高精度伺服驅動器EHA3020T0S，通過OEM軟件嵌入到SIEMENS 828D系統控制加工，實現自由編程，提高加工精度和抗干擾能力。

活塞曲面數據由“一派活塞曲面數據處理軟件”（一派數控軟件著作權產品）生成（如圖4所示），該軟件能編輯活塞所要求的各種異形外圓設計，包括標準橢圓、橢圓疊加偏心圓、偏心橢圓、旋轉橢圓或離散數據擬合等;并能自動分析非圓截面車削加工時的動態響應特性，根據測量結果進行數據補償。

配置單刀平板式直線伺服刀架EJX1260A（剛度加強版）（一派數控專利產品）（如圖5所示），通過調用活塞曲面數據，可加工中凸變橢圓或其它復雜形狀的鋼活塞異形外圓。該刀架出力可達2400N，行程可達6mm，頻響超過400Hz/-3dB，伺服刀架重復定位精度高達0.0003mm。

機床能適用于全自動化設計，為其在自動生產線上的應用提供了便利。

上述提到的鋼活塞車削加工的4道工序及機床選裝部件配置如下：

3.1 粗車燃燒室、半精車頂面、半精車岸部外圓工序? 在ECK6520B系列數控活塞立式車床上配置了活塞內腔定位工裝，選配自動穿拔銷裝置，配置雙伺服八工位刀塔;雙通道數控系統，左右刀塔可同時加工，大大提高了加工節拍，直徑130mm鋼活塞加工節拍約為90s。

3.2 粗精車止口、銷座內圓及端面、半精車群部外圓、粗切凹槽工序? 在ECK6520B系列數控活塞立式車床上配置了三爪卡盤定位裝置，配置雙伺服八工位刀塔;雙通道數控系統，左右刀塔可同時加工，直徑130mm鋼活塞加工節拍約為90s。

3.3 精車燃燒室、精切凹槽、粗車環槽工序? 在ECK6520B系列數控活塞立式車床上配置了活塞止口定位工裝，選配自動穿拔銷裝置，配置雙伺服八工位刀塔;雙通道數控系統，左右刀塔可同時加工，直徑130mm鋼活塞加工節拍約為90s。

3.4 精車頂面、異形外圓、精車環槽及環槽異形倒角工序? 在ECK6520B系列數控活塞立式車床上配置了精密液壓尾架，左側配置伺服八工位刀架，右側直線伺服刀架系統以及拉緊工裝，選配自動穿拔銷裝置，可在一次裝夾過程中完成鋼活塞異形外圓、頂面、環槽的精加工，大大提高了鋼活塞關鍵工序的尺寸和位置公差，且左右兩側刀架可同時加工，直徑130mm鋼活塞加工節拍可達120s。

4? 加工精度

機床已通過各種加工測試，加工性能優良，各項加工精度均達到或優于設計標準，已下為部分精度檢測報告（如圖6-圖8）：如圖所示，裙部非標橢圓加工輪廓度達到了±0.002mm，裙部形線輪廓度達到了±0.005mm，且外徑尺寸穩定性好ΦD±0.01mm CmK≥1.67，達到了國際領先標準。

5? 結語

一派數控設計研發的ECK6520B系列數控活塞立式車床，從設計到采購以及制造均嚴格按照德國標準進行，確保產品穩定可靠。

目前，該系列車床已被全球著名的內燃機配件制造商德國馬勒公司、美國天納克集團、湖南江濱活塞分公司等認可，并計劃應用到他們的鋼活塞生產線上，這是對其性能的極大肯定。ECK6520B系列數控鋼活塞立式車床為國內外鋼活塞加工提供了性能優良的選項，期待它的杰出性能可以為內燃機配件的制造做出貢獻。

參考文獻：

[1]李海梅，等.數控車床編程技術[M].機械工業出版社，2002.

[2]任玉田.機床計算機數控技術[M].北京理工大學出版社，2002.

[3]畢承恩，等.現代數控機床（上、下冊）[M].機械工業出版社，1993.