16V240ZJ钢顶铝裙活塞中凸变椭圆外轮廓的“软靠模”加工

　　铁道部襄樊内燃机车厂　赵　斌

　　1　前言

　　16V240ZJ柴油机钢顶铝裙组合活塞是我国铁路运行的主力牵引机型—东风4内燃机车的关键零件。它克服了过去使用的整体铝活塞和球铁活塞的诸多缺点,目前正在铁道部大规模更新换代。其裙部复杂的中凸变椭圆外轮廓的加工是技术关键,因此,研究其加工方法有着重要的意义。

　　目前,我国加工该种活塞的中凸变椭圆外轮廓主要是采用传统的靠模板运动合成法和立体靠模的仿形法。这两种方法都是采用硬靠模加工,存在较大误差,质量不稳定,靠模制作成本高且修改模型困难。而采用数控加工方法,即“软靠模”加工则无需传统的硬靠模,避免或减少了由于惯性、间隙、摩擦等原因造成的传动误差,大大提高了工件加工精度,其加工质量稳定且修改模型极其便捷,是非圆截面活塞加工的发展方向。

　　2　“软靠模”加工的原理

　　软靠模实际上是采取数控加工时在计算机中建立的一种数学模型,其加工原理是按活塞中凸变椭圆的变化规律,将有关数据输入计算机中,由计算机自动转换为可执行的数学模型(生成的控制数据称为软靠模),计算机根据软靠模控制加工过程,算出刀尖在活塞上的实际位置,通过高频响的伺服机构控制刀尖运动到要求的位置上,完成活塞的形状加工。

　　3　数学模型的计算

　　16V240柴油机钢顶铝裙活塞的裙部纵向表面是中凸型线,见表1。横截面是变椭圆,由两部分组成,一部分为标准椭圆,另一部分为偏心圆弧,其任一截面形状见图1。

　　图中大径为Dz,椭圆度为Ez,活塞AB段曲线为标准椭圆弧,其半径在Φ角处缩减量为:

　　BC段为一偏心圆弧,偏心量e =0.8mm,半径Rz为:

　　Rz=Dz÷2-Ez÷2+e-a

　　式中,a表示偏心圆弧在标准椭圆短轴处的削边量,a=0.3mm,以下求BC段圆弧上任一点在Φ角的半径缩减量△z(Φ),该点处半径为Pz(Φ)。

　　在△O’OD中,由余弦定理:

　　Rz²=e²+Pz²(Φ)-2ePz(Φ)×cos(90°+Φ)=e²+Pz²(Φ)-2ePz(Φ)sinΦ

　　即:Pz²(Φ)-2ePz(Φ)sinΦ+e²-Rz²=0

　　对以上方程求解,舍去不合理根得:

　　则偏心圆弧在Φ角处半径缩减量为:

　　△z(Φ)=Dz/2-Pz(Φ)

　　由以上计算可知椭圆部分半径缩减量△z(Φ)由(1)式决定,仅与该断面的椭圆度Ez及转角有关。偏心圆弧部分的半径缩减量△z(Φ)由(2)式决定,与该断面的大径Dz、椭圆度Ez、偏心量e、椭圆短轴削边量a都有关,那么,活塞横截面上某一点的半径缩减量是由(1)式还是(2)式决定呢?这取决于(1)式和(2)式△z(Φ)的值的大小。如(1)式计算出的△z(Φ)大于(2)式计算出的△z(Φ),则该点为椭圆部分,否则为偏心圆部分。两部分圆弧的交点B点处的半径缩减量的计算则较为复杂。理论分析表明,两部分的连接点为一尖点,其一次导数不连续,二次导数为无穷大,就是说要准确加工出B点,刀尖在B点速度要有突变,B点刀尖的加速度为无穷大,这是不可能实现的,也是不必要的。从实际使用要求和加工实现手段看,B点附近必须有一段是平滑过渡的曲线。如果令(1)式等于(2)式组成方程对Φ求解,即可求出每个截面交界点B所处的角度来。在DF4钢顶铝裙活塞图纸中, a = 0. 3mm, e =0.8mm,Dz=239.5～239.7mm,E=0.08～0.25mm,用逐步逼近法解方程,求出B点所处角度在30°～37°之间变化,所有截面的B点连起来形成一条空间Pz-Φ曲线。