一种等体积切除率中凸变椭圆活塞加工方法技术

本发明专利技术涉及一种等体积切除率中凸变椭圆活塞加工方法，属于数控加工领域。由于中凸变椭圆活塞车削加工中工件匀速旋转，单位时间内切除材料的体积存在差异，导致切削力呈周期性变化,影响加工精度和切削稳定性，降低刀具寿命。针对这一现象，本发明专利技术提出了一种基于等体积切除率的加工方法,通过对工件轴的匀速旋转叠加满足机床性能要求的变速旋转，使单位时间内切除材料的体积基本相同。本发明专利技术分析了活塞椭圆廓形成型原理，研究了中凸变椭圆活塞等体积切除率加工机理，并利用VERICUT搭建了中凸变椭圆活塞等体积切除率虚拟仿真加工模型，通过仿真加工对等体积切除率加工方法进行了验证。仿真结果表明该发明专利技术可行、有效。

A Processing Method for Convex and Variable Elliptical Pistons with Equal Volume Excision Rate

The invention relates to a processing method of convex variable Ellipse Piston with equal volume excision rate, belonging to the field of numerical control processing. Due to the uniform rotation of workpiece in turning medium convex variable ellipse piston, the volume of cutting material varies in unit time, which results in the periodic change of cutting force, affects the machining accuracy and stability, and reduces the tool life. In view of this phenomenon, the present invention proposes a processing method based on equal volume removal rate. By superimposing uniform rotation of workpiece axle to meet the requirements of machine tool performance, the volume of material removed in unit time is basically the same. The invention analyses the forming principle of piston ellipse profile, studies the processing mechanism of equal volume removal rate of medium convex and variable ellipse piston, and builds a virtual simulation processing model of equal volume removal rate of medium convex and variable Ellipse Piston by VERICUT, and verifies the processing method of equal volume removal rate by simulation processing. The simulation results show that the invention is feasible and effective.

【技术实现步骤摘要】
一种等体积切除率中凸变椭圆活塞加工方法
本专利技术属于数控加工领域，具体地，涉及一种等体积切除率中凸变椭圆活塞加工方法。
技术介绍
热高性能发动机基本均用中凸变椭圆活塞，理论和实践证明中凸变椭圆活塞裙部与气缸壁贴合良好，减小了配缸间隙，降低了比压，使裙部具有更高承载能力和良好的润滑条件，改善了摩擦与磨损，同时还降低了活塞对缸壁的撞击，提高了发动机的性能，可靠性和使用寿命。因此研究中凸变椭圆活塞的切削机理和加工方法，实现对中凸变椭圆活塞的加工优化具有重要意义。近年来，众多学者对中凸变椭圆活塞的加工进行了相关研究，研究方法多为磨削加工和车削加工两种。其中车削加工多采用仿形加工、立体靠模加工和数控车削加工方式等。随着数控技术的发展以及直线电机性能的提升，中凸变椭圆活塞数控车削加工迅速发展，其原理是通过计算机来协调主轴角位移与刀具径向进给的函数关系，并采用高速直线电机控制刀具的纵向高频运动。相关研究在一定程度上对提高发动机性能起着促进作用。其研究领域均采用主轴匀速车削加工，由于单位时间内切除材料的体积存在差异，导致切削力呈周期性变化，影响加工精度和切削稳定性，也缩短了刀具寿命。
技术实现思路
针对现有技术中存在的中凸变椭圆活塞匀速车削加工过程中因单位时间内切削量不同导致的加工精度低及切削不稳定等问题，本专利技术的目的在于提供一种等体积切除率中凸变椭圆活塞加工方法。。为了实现上述目的，本专利技术采用的具体方案为：一种等体积切除率的中凸变椭圆活塞加工方法，通过数控机床完成车削加工，其特征在于：根据待加工活塞的基本参数获取活塞裙部椭圆横截面和中凸型线几何参数，设置机床运动参数；所述机床运动由主轴的回转运动、刀架随机床滑板沿着Z轴的直线运动、刀架沿着X轴的直线运动、以及刀架上附加直线电机U轴的往复直线运动组成；对中凸变椭圆活塞进行车削加工时，主轴进行变速回转运动，同时X轴和U轴联动进给控制切削深度，Z轴沿工件轴线进给；伺服电机驱动X轴和Z轴，通过两者的联动形成活塞裙部的中凸型线；数控系统控制直线电机U轴的往复直线进给和工件的旋转，通过两者的联动实现活塞裙部横截面椭圆轮廓的车削加工；其中，在活塞裙部横截面椭圆轮廓的车削加工中，选择任一椭圆横截面，a表示椭圆横截面长轴的长度；b表示椭圆横截面短轴的长度；ap为预留切削余量；机床主轴在时间ti内以vi速度旋转θi角度，切削面积Si，其中ti与Si保持不变，vi与θi变化；为保证相同时间内切小面积相同，所得数学方程为：由此数学方程求解得θi的角度值θ1、θ2…θn-1、θn；所以，在等体积切除率车削加工中凸变椭圆活塞裙部轮廓任一椭圆横截面时，所述机床的主轴、Z轴、X轴和U轴的位移关系为：主轴转速表示为：C：作为对上述方案的进一步优化，所述数学方程的获取过程为：任选车削加工中凸变椭圆活塞裙部轮廓某一椭圆横截面，假设其中不同加工位置切削面积位于第一象限内，OA为坯料原始半径，OB为加工后中凸变椭圆活塞的横截面长轴，OK为加工后中凸变椭圆活塞的横截面短轴；假设t1时间内主轴从0°运行至θ1处，切削弧形面积SBCD为S1；t2时间内主轴从θ1运行至θ2处，切削弧形面积SCDGF为S2；变量间关系为：t1＝t2，S1＝S2；由于t1＝t2，θ1≠θ2，所以v1≠v2；同理，主轴在时间ti内以vi速度旋转θi角度，切削面积Si，其中ti与Si保持不变，vi与θi变化；其理论推导如下所述：单位时间内切除材料的体积ΔV相等；加工活塞裙部轮廓任一椭圆横截面时，刀具切除材料体积ΔV在该椭圆横截面上的投影面积ΔS等于ΔV与加工该椭圆横截面时进给量f的商，即假设加工活塞裙部轮廓任一椭圆横截面时，单位时间内允许切除材料的最大体积为ΔVmax；则ΔVmax在该椭圆横截面上的投影面积ΔSmax为第一象限内，切除掉的总面积等于四分之一圆面积SAOI与四分之一椭圆面积SBOK的差值，即等体积切除率加工活塞裙部，是将第一象限内切除掉的总面积分为n等份进行加工，每一等份面积ΔS的加工时间相同；n须满足条件假设第一象限内，工件从0度旋转至θ1角度时，切除掉的面积等于ΔS；工件从θ1角度旋转至θ2角度和工件从θn-1角度旋转至θn角度时，切除掉的面积都为ΔS；则有将式(4)代入式(6)可得由式(7)求解可得θi的角度值θ1、θ2…θn-1、θn；因为主轴旋转角度θi＝viti，可得主轴旋转速度vi＝θi/ti。作为对上述方案的进一步优化，所述数控机床包括数控系统、主轴调速系统、Z轴进给系统、X轴进给系统以及U轴高频往复运动系统；所述主轴调速系统由主轴调速器、主轴编码器、主轴伺服驱动电机以及中间传动部件组成；所述主轴调速器按照加工需求调节主轴伺服电机的转速，通过中间传动部件驱动主轴运转；所述主轴编码器实时监测主轴运行速度及角位移，并将检测结果及时反馈给数控系统，对速度进行补偿，形成速度闭环控制；所述主轴运行速度与X轴和U轴的切削运动之间存在函数关系以保证单位时间切削体积相同；所述Z轴进给系统由Z轴伺服电机、与刀架一起运动的X轴及U轴伺服系统、以及传动部件组成；所述Z轴伺服驱动器接受指令，驱动Z轴伺服电机运动，经丝杠驱动刀架进行直线进给运动；所述X轴进给系统以及U轴高频往复运动系统中，在X轴刀架上附加U轴运动，U轴由直线电机驱动。有益效果：本专利技术所述的等体积切除率的中凸变椭圆活塞数控加工方法，将主轴匀速旋转改为非匀速旋转，随着切削深度的增加，主轴转速减小，反之增加。该方法加工时切削力基本保持不变，能够有效减缓切削力周期性变化，一定程度上提高了加工精度和切削稳定性。且经VERICUT仿真加工，证明了该方法具有可行性。附图说明图1是中凸变椭圆活塞椭圆横截面不同加工位置切削面积示意图；图2是中凸变椭圆活塞数控机床总体结构示意图；图3是中凸变椭圆活塞仿真加工流程；图4是Perkins240活塞裙部几何参数；图5是活塞裙部中凸型线拟合曲线图；图6是裙高H20处横截面第一象限切除总面积30等分后每一份对应转角的变化曲线图；图7是裙高H20处横截面第一象限切除总面积30等分后每一份对应切削深度的变化曲线图；图8是裙高H20处横截面第一象限切除总面积30等分后切削深度变化量的曲线图；图9是每转切削力变化曲线图；图10是中凸变椭圆活塞仿真加工示意图；图11是中凸变椭圆活塞仿真细节加工示意图；图12是放大30倍后中凸变椭圆活塞仿真加工主视示意图；图13是放大30倍后中凸变椭圆活塞仿真加工侧视示意图。具体实施方式本专利技术所述一种等体积切除率的中凸变椭圆活塞加工方法，其成型原理如下所述：车削加工中凸变椭圆活塞裙部轮廓某一椭圆横截面示意图如图1所示，其中OA为坯料原始半径，OB为加工后中凸变椭圆活塞的横截面长轴，OK为加工后中凸变椭圆活塞的横截面短轴，ap为预留切削余量。首先机床主轴匀速旋转，刀具沿X轴以某一进给量向前进给，运行至B处，然后刀具沿X轴退出，刀具沿Z轴以某一进给量向前进给，接着刀具再次沿X轴以某一进给量向前进给；循环此过程，最终去除坯料表面氧化层；然后主轴变速旋转，从0°旋转至90°过程中，刀具沿X轴不断向前进给，相同时间内旋转角度不断减小，切削深度逐渐加大，主轴旋转速度逐渐降低，保证在相同时间内切削面积相同。分析过程如下所述：假设t1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种等体积切除率的中凸变椭圆活塞加工方法，通过数控机床完成车削加工，其特征在于：根据待加工活塞的基本参数获取活塞裙部椭圆横截面和中凸型线几何参数，设置机床运动参数；所述机床运动由主轴的回转运动、刀架随机床滑板沿着Z轴的直线运动、刀架沿着X轴的直线运动、以及刀架上附加直线电机U轴的往复直线运动组成；对中凸变椭圆活塞进行车削加工时，主轴进行变速回转运动，同时X轴和U轴联动进给控制切削深度，Z轴沿工件轴线进给；伺服电机驱动X轴和Z轴，通过两者的联动形成活塞裙部的中凸型线；数控系统控制直线电机U轴的往复直线进给和工件的旋转，通过两者的联动实现活塞裙部横截面椭圆轮廓的车削加工；其中，在活塞裙部横截面椭圆轮廓的车削加工中，选择任一椭圆横截面，a表示椭圆横截面长轴的长度；b表示椭圆横截面短轴的长度；ap为预留切削余量；机床主轴在时间ti内以vi速度旋转θi角度，切削面积Si，其中ti与Si保持不变，vi与θi变化；为保证相同时间内切小面积相同，所得数学方程为：

【技术特征摘要】
1.一种等体积切除率的中凸变椭圆活塞加工方法，通过数控机床完成车削加工，其特征在于：根据待加工活塞的基本参数获取活塞裙部椭圆横截面和中凸型线几何参数，设置机床运动参数；所述机床运动由主轴的回转运动、刀架随机床滑板沿着Z轴的直线运动、刀架沿着X轴的直线运动、以及刀架上附加直线电机U轴的往复直线运动组成；对中凸变椭圆活塞进行车削加工时，主轴进行变速回转运动，同时X轴和U轴联动进给控制切削深度，Z轴沿工件轴线进给；伺服电机驱动X轴和Z轴，通过两者的联动形成活塞裙部的中凸型线；数控系统控制直线电机U轴的往复直线进给和工件的旋转，通过两者的联动实现活塞裙部横截面椭圆轮廓的车削加工；其中，在活塞裙部横截面椭圆轮廓的车削加工中，选择任一椭圆横截面，a表示椭圆横截面长轴的长度；b表示椭圆横截面短轴的长度；ap为预留切削余量；机床主轴在时间ti内以vi速度旋转θi角度，切削面积Si，其中ti与Si保持不变，vi与θi变化；为保证相同时间内切小面积相同，所得数学方程为：由此数学方程求解得θi的角度值θ1、θ2…θn-1、θn；所以，在等体积切除率车削加工中凸变椭圆活塞裙部轮廓任一椭圆横截面时，所述机床的主轴、Z轴、X轴和U轴的位移关系为：主轴转速表示为：2.如权利要求1所述的一种等体积切除率的中凸变椭圆活塞加工方法，其特征在于：所述数学方程的获取过程为：任选车削加工中凸变椭圆活塞裙部轮廓某一椭圆横截面，假设其中不同加工位置切削面积位于第一象限内，OA为坯料原始半径，OB为加工后中凸变椭圆活塞的横截面长轴，OK为加工后中凸变椭圆活塞的横截面短轴；假设t1时间内主轴从0°运行至θ1处，切削弧形面积SBCD为S1；t2时间内主轴从θ1运行至θ2处，切削弧形面积SCDGF为S2；变量间关系为：t1＝t2，S1＝S2；由于t1＝t2，θ1≠θ2，所以v1≠v2；同理，主轴在时间ti内以vi速度旋转θi角度，切削面积Si，其中ti与Si保...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐彦伟，陈孟会，颉潭成，李先锋，潘安邦，刘明明，王春亮，王亚南，刘现伟，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南,41