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[摘 要]活塞是发动机的心脏，其工作环境恶劣，容易出现形变。为了抵消活塞的机械变形和热变形，将活塞设计为纵截面为中凸鼓形、横截面为椭圆，且椭圆度沿轴线方向按一定规律变化的复杂空间曲面，以提高活塞裙部的动力性能和润滑性能，降低油耗、噪音和尾气排放。中凸变椭圆活塞加工现阶段采用的是数控高频刀架的无靠模加工方法，本文对中凸变椭圆活塞车削加工技术进行阐述，以供参考。
[关键词]中凸变椭圆活塞；车削加工；降低噪声
中图分类号：TH247 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）32-0000-01
引言
活塞是发动机的一个重要组成元件，质量的好坏直接影响到发动机的性能。其外形对系统的燃油经济性、可靠性、寿命、排放及噪声等指标有很大的影响。考虑到发动机运行时由燃气压力、汽缸压力造成的活塞变形以及活塞本身的热变形等影响因素，目前活塞裙部广泛采用的是中凸变椭圆型面。活塞设计成这样的外形，可以将活塞工作时由热膨胀等因素产生的变形沿活塞销轴方向扩展，使得裙部横截面变成近似圆形，从而在活塞工作时可以获得更宽、更均匀的承载面，同时还使得活塞的裙部与汽缸壁更好地贴合，减小了配缸氣隙，有利于降低活塞裙部比压，减小活塞对汽缸壁的冲击，降低发动机运行时的噪声。
1、活塞简介
1.1 活塞结构
一般根据活塞中部件的工作要求与条件，活塞在构造上从上而下可以分为顶部、头部和裙部三个部分。活塞顶部是燃烧室的组成部分，主要用来承受气体压力。活塞头部是最下一道环槽与活塞顶部之间的部分。活塞头部可以安装活塞环，配合活塞环一起封闭气缸，防止可燃混合气漏到曲轴箱内，将顶部吸收的热量通过活塞环传递给汽缸壁。归纳来讲，活塞头部起到力传递、密封和热传递的作用。活塞裙部是指从油环槽下端面包含销座孔在内一直到活塞最下端的部分。（活塞外形如下图1）
1.2 中凸变椭圆活塞的型面特点
以截面为椭圆的中凸变椭圆活塞为例，下图2是其简图，活塞的纵向剖面，其形状表现为中凸型线；而从其活塞横截面来看，其形状近似椭圆。在所有的截面当中，长轴直径最大的，就是该活塞的大径，对应着中凸变椭圆活塞的中凸点，某一个截面的最大直径是该截面的长轴直径，最小直径是该截面的短轴直径。型线是指活塞轴向上各个截面长轴直径相对于活塞大径的变化规律。大径与某截面的长轴直径差称为该截面的型线缩减量，简称为型线；某截面的长轴直径与短轴直径之差称为该截面的椭圆度，一般来说，椭圆度沿着活塞轴线方向会变化。对于某一活塞而言，型线和椭圆度是活塞纵向数据的重要构成。
1.3 中凸变椭圆的成形运动
中凸变椭圆活塞裙部的几何特征是回转体，采用车削加工成形。由于横截面是椭圆，加工时活塞每转一转，刀尖运动轨迹依次是椭圆的长轴→短轴→长轴→短轴→长轴，刀具往复运动2次，即车削活塞运动时，刀具进给运动频率为主轴回转运动频率的2倍。主轴转速越高，刀具的进给频率越高。因此，实现刀具椭圆运动轨迹的关键是对刀具运动的控制。
2、加工机床的控制策略
当机床主轴旋转时，主轴编码器向计算机发送主轴转角信号和主轴同步信号。主轴每转1圈，发一个同步信号，驱动z轴伺服电机带动拖板移动Δz，同时由数控装置计算x轴的位置，x轴伺服电机驱动拖板运动以形成中凸型线。以同步信号为角向基准，主轴转角信号即主轴带动工件每转過一角度增量Δθ，直线伺服刀架的位置应改变一增量Δu，刀具和工件的相对运动形成椭圆圆周。由此可知，将中凸变椭圆曲面网格化，只要网格足够密（Δz和Δθ取足够小），精度就能保证。为了提高插补精度，数据点采集越多越好，但受到数控装置运算速度和存储空间的限制，对生成的数据量要进行控制，在满足加工精度的条件下，数据量尽可能小。
3、活塞异形外圆车削加工技术
其一，靠模仿形法。靠模仿形法利用靠模控制车刀和工件的相对运动轨迹，形成所需的表面形状。靠模仿形法的优点是：加工范围广，适宜于多种活塞的加工，对于不同的活塞零件，只需更换靠模即可。其缺点是：加工精度较低，由于仿形机构的环节较多，各环节的装配误差及刚性对加工精度影响较大；其二，机械运动合成法。机械运动合成法通过机构的运动合成产生异形外圆的车削运动轨迹。机械运动合成法优点是：生产效率高，加工精度较高，适于大批量生产。缺点是：—种机床只能加工同一类型的异形外圆零件，柔性差，难以满足多品种小批量生产的需要；其三，数控加工。数控加工又称“软靠模”加工。数控车削法加工活塞异形外圆具有以下优点：可以实现高速车削、主轴转速可以高达2500—3000r/min，提高生产效率，可获得较高的加工表面品质，其缺点是目前该种数控活塞车床的造价昂贵。
结语
目前，中凸变椭圆型面已经作为一种公认的活塞裙部优良型面而被广泛采用。把活塞做成椭圆形，能够使中凸的裙部与汽缸壁之间的楔形油隙又可以起改善润滑的作用，并且可以提高活塞的对中性，这就大大地减小了零件的磨损，提高了活塞的工作性能和使用寿命。在测量活塞时，沿活塞销孔轴线方向测量的尺寸小，而垂直于塞销孔轴线方向测量的尺寸大，相关人员在应用活塞异形外圆车削加工技术时要对此提高重视。
参考文献
[1] 谌侨.开放式中凸变椭圆活塞车削加工研究[D].江苏科技大学，2015.
[2] 马晓明，张冰蔚，徐惠敏.中凸变椭圆活塞的数控车削加工原理及实现[J].机械制造与自动化，2012，05：63-65+71.
[3] 刘开红，王志刚，桂贵生.中凸变椭圆活塞车削加工技术[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2012，10：1316-1319.
[关键词]中凸变椭圆活塞；车削加工；降低噪声
中图分类号：TH247 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）32-0000-01
引言
活塞是发动机的一个重要组成元件，质量的好坏直接影响到发动机的性能。其外形对系统的燃油经济性、可靠性、寿命、排放及噪声等指标有很大的影响。考虑到发动机运行时由燃气压力、汽缸压力造成的活塞变形以及活塞本身的热变形等影响因素，目前活塞裙部广泛采用的是中凸变椭圆型面。活塞设计成这样的外形，可以将活塞工作时由热膨胀等因素产生的变形沿活塞销轴方向扩展，使得裙部横截面变成近似圆形，从而在活塞工作时可以获得更宽、更均匀的承载面，同时还使得活塞的裙部与汽缸壁更好地贴合，减小了配缸氣隙，有利于降低活塞裙部比压，减小活塞对汽缸壁的冲击，降低发动机运行时的噪声。
1、活塞简介
1.1 活塞结构
一般根据活塞中部件的工作要求与条件，活塞在构造上从上而下可以分为顶部、头部和裙部三个部分。活塞顶部是燃烧室的组成部分，主要用来承受气体压力。活塞头部是最下一道环槽与活塞顶部之间的部分。活塞头部可以安装活塞环，配合活塞环一起封闭气缸，防止可燃混合气漏到曲轴箱内，将顶部吸收的热量通过活塞环传递给汽缸壁。归纳来讲，活塞头部起到力传递、密封和热传递的作用。活塞裙部是指从油环槽下端面包含销座孔在内一直到活塞最下端的部分。（活塞外形如下图1）
1.2 中凸变椭圆活塞的型面特点
以截面为椭圆的中凸变椭圆活塞为例，下图2是其简图，活塞的纵向剖面，其形状表现为中凸型线；而从其活塞横截面来看，其形状近似椭圆。在所有的截面当中，长轴直径最大的，就是该活塞的大径，对应着中凸变椭圆活塞的中凸点，某一个截面的最大直径是该截面的长轴直径，最小直径是该截面的短轴直径。型线是指活塞轴向上各个截面长轴直径相对于活塞大径的变化规律。大径与某截面的长轴直径差称为该截面的型线缩减量，简称为型线；某截面的长轴直径与短轴直径之差称为该截面的椭圆度，一般来说，椭圆度沿着活塞轴线方向会变化。对于某一活塞而言，型线和椭圆度是活塞纵向数据的重要构成。
1.3 中凸变椭圆的成形运动
中凸变椭圆活塞裙部的几何特征是回转体，采用车削加工成形。由于横截面是椭圆，加工时活塞每转一转，刀尖运动轨迹依次是椭圆的长轴→短轴→长轴→短轴→长轴，刀具往复运动2次，即车削活塞运动时，刀具进给运动频率为主轴回转运动频率的2倍。主轴转速越高，刀具的进给频率越高。因此，实现刀具椭圆运动轨迹的关键是对刀具运动的控制。
2、加工机床的控制策略
当机床主轴旋转时，主轴编码器向计算机发送主轴转角信号和主轴同步信号。主轴每转1圈，发一个同步信号，驱动z轴伺服电机带动拖板移动Δz，同时由数控装置计算x轴的位置，x轴伺服电机驱动拖板运动以形成中凸型线。以同步信号为角向基准，主轴转角信号即主轴带动工件每转過一角度增量Δθ，直线伺服刀架的位置应改变一增量Δu，刀具和工件的相对运动形成椭圆圆周。由此可知，将中凸变椭圆曲面网格化，只要网格足够密（Δz和Δθ取足够小），精度就能保证。为了提高插补精度，数据点采集越多越好，但受到数控装置运算速度和存储空间的限制，对生成的数据量要进行控制，在满足加工精度的条件下，数据量尽可能小。
3、活塞异形外圆车削加工技术
其一，靠模仿形法。靠模仿形法利用靠模控制车刀和工件的相对运动轨迹，形成所需的表面形状。靠模仿形法的优点是：加工范围广，适宜于多种活塞的加工，对于不同的活塞零件，只需更换靠模即可。其缺点是：加工精度较低，由于仿形机构的环节较多，各环节的装配误差及刚性对加工精度影响较大；其二，机械运动合成法。机械运动合成法通过机构的运动合成产生异形外圆的车削运动轨迹。机械运动合成法优点是：生产效率高，加工精度较高，适于大批量生产。缺点是：—种机床只能加工同一类型的异形外圆零件，柔性差，难以满足多品种小批量生产的需要；其三，数控加工。数控加工又称“软靠模”加工。数控车削法加工活塞异形外圆具有以下优点：可以实现高速车削、主轴转速可以高达2500—3000r/min，提高生产效率，可获得较高的加工表面品质，其缺点是目前该种数控活塞车床的造价昂贵。
结语
目前，中凸变椭圆型面已经作为一种公认的活塞裙部优良型面而被广泛采用。把活塞做成椭圆形，能够使中凸的裙部与汽缸壁之间的楔形油隙又可以起改善润滑的作用，并且可以提高活塞的对中性，这就大大地减小了零件的磨损，提高了活塞的工作性能和使用寿命。在测量活塞时，沿活塞销孔轴线方向测量的尺寸小，而垂直于塞销孔轴线方向测量的尺寸大，相关人员在应用活塞异形外圆车削加工技术时要对此提高重视。
参考文献
[1] 谌侨.开放式中凸变椭圆活塞车削加工研究[D].江苏科技大学，2015.
[2] 马晓明，张冰蔚，徐惠敏.中凸变椭圆活塞的数控车削加工原理及实现[J].机械制造与自动化，2012，05：63-65+71.
[3] 刘开红，王志刚，桂贵生.中凸变椭圆活塞车削加工技术[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2012，10：1316-1319.