中凸變橢圓活塞精加工熱變形補償方法研究

（中國兵器科學研究院寧波分院，浙江 寧波，315103）

中凸變橢圓活塞精加工熱變形補償方法研究

王大森 聶鳳明 朱鴻磊 郭成君 裴 寧 紀淑花 盧文斌

（中國兵器科學研究院寧波分院，浙江 寧波，315103）

本文采用有限元方法對活塞精加工過程中熱變形進行分析并通過補償方式優(yōu)化加工參數(shù)。具體針對某型號活塞，分析其加工時的熱變形。分析結(jié)果表明，最大徑向變形出現(xiàn)在活塞頭部，為14.3μm，最小徑向變形出現(xiàn)在活塞底部，為4.9μm。并以此調(diào)整活塞加工參數(shù)，實驗表明此方法有效減小了由熱變形造成的加工誤差，為同類型活塞加工工藝改進提供了參考依據(jù)。

活塞；中凸變橢圓；熱變形；補償；有限元方法Key words:Finite element method is applied to thermal deformation analysis of middle-convex and varying ellipse piston in finishing process, according to the results technics parameters are optimized with compensation method. Specifically, a certain engine piston’s thermal deformation is analyzed. As results show, the maximum radial deformation of the piston profile is 14.3μm, which appears in the piston head; the minimum radical deformation is 4.9μm, which appears in the bottom of piston. Experimental results show that adjusting technics parameters can effectively reduce the machining errors caused by thermal deformation, which can provide a basis for the improvement of piston technics.

活塞是內(nèi)燃機的關鍵部件之一，其加工質(zhì)量直接關系到內(nèi)燃機的工作可靠性和經(jīng)濟性。為提高活塞的工作性能，目前內(nèi)燃機活塞裙部普遍采用中凸變橢圓型面。這種型面的橫截面為橢圓或類橢圓，且橢圓度沿活塞軸向變化，縱截面型線則為一條中部外凸的曲線。由于活塞易受加工溫度的影響發(fā)生變形，尤其是精加工時導致型線精度超差。本文以有限元方法對活塞精加工時的熱變形進行分析，通過補償方式優(yōu)化加工參數(shù)，改善活塞外型曲面加工質(zhì)量，提高制造精度。

1 活塞加工熱狀況分析

切削熱是活塞外圓精加工過程中熱變形的主要熱源。在活塞切削過程中所消耗的切削功絕大多數(shù)轉(zhuǎn)變成了切削熱。切削熱通過切屑、活塞工件、刀具以及周圍的空氣等傳散，在無切削液的工況下，切屑帶走了大多數(shù)的熱量。根據(jù)實際加工經(jīng)驗，活塞工件在400r/min的轉(zhuǎn)速下，刀具進給速度100mm/min進行外圓精加工，工件溫度從室溫升高到了30℃左右，溫度變化約為10℃。

對于一些幾何形狀簡單且結(jié)構對稱的工件，在受熱較均勻的狀況下，工件的熱變形基本均勻，其變形量可以按照熱膨脹原理直接計算。由于活塞工件結(jié)構復雜，其熱變形可能會導致活塞工件彎曲或者其他形式的熱變形，可能會造成更大的加工誤差。有限元方法的普及應用和計算機軟硬件的迅猛發(fā)展，為活塞加工中熱變形研究工作的開展提供條件。

表1 材料彈性模量、導熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)

圖1 活塞工件實體模型

圖2 活塞工件有限元模型

2 活塞工件相關參數(shù)

以某型柴油機活塞外圓加工工件為研究對象，其外徑150mm，高138.8mm。活塞材料為鋁合金，材料彈性模量、導熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)均隨溫度線性變化，具體數(shù)值見表1，泊松比0.33，密度2770kg/m3。

3 有限元計算

3.1 有限元模型建立

因活塞具有對稱性，為提高求解效率，取1/2活塞模型用于計算。在SoIidworks軟件中建立實體模型，并導入MSC.Patran軟件中，結(jié)果如圖1所示。

在進行熱變形分析時，使用Tet10單元劃分網(wǎng)格，在復雜形狀部位進行網(wǎng)格加密處理。所得有限元模型如圖2所示，該有限元模型共有單元58484個，節(jié)點38517個。

3.2 載荷及邊界條件施加

活塞精加工時使用止口定位，銷棒固定活塞銷孔位置，在模型中施加相應邊界條件?；钊庸み^程中的溫度場變化復雜，切削熱隨刀具的進給不斷發(fā)生變化，但在整個切削過程中基本可認為活塞工件處于熱平衡狀態(tài)。對有限元模型施加靜態(tài)熱載荷，求解活塞熱變形。繪制計算得到的活塞熱變形云圖，如圖3所示。結(jié)果表明，活塞的單邊最大徑向變形為14.3μm，出現(xiàn)在活塞頭部，單邊最小徑向變形為4.9μm，出現(xiàn)在活塞底部。在MatIab中擬合活塞主推力面一側(cè)的徑向熱變形，如圖4所示?；钊^部的變形量較大，隨著高度的降低變形量逐漸減小。

4 優(yōu)化實驗

經(jīng)過上述的活塞工件熱變形計算后，對活塞型線加工參數(shù)進行補償優(yōu)化，并通過實驗驗證優(yōu)化結(jié)果。分別使用未優(yōu)化和優(yōu)化后的型線加工參數(shù)精加工兩組活塞，利用輪廓儀測量其型線參數(shù)。測量結(jié)果如圖5所示。

由圖可知優(yōu)化參數(shù)后加工的活塞工件型線與標準型線較為接近，加工誤差較小，且變化趨勢基本穩(wěn)定。未優(yōu)化加工參數(shù)時，型線的加工誤差最大處在活塞頭部處，最大值為63.7μm；經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后，誤差最大值為19.3μm。使用活塞加工熱變形補償?shù)姆椒ㄓ行У販p小了加工時切削熱對于活塞型線加工精度的影響。

圖3 活塞工件熱變形云圖

圖4 活塞主推力面?zhèn)葻嶙冃吻€

圖5 活塞加工型線測量結(jié)果

5 結(jié)語

（1）對活塞外圓加工時工件的熱變形進行分析。最大徑向變形出現(xiàn)在活塞頭部，為14.3μm；最小徑向變形出現(xiàn)在活塞底部，為4.9μm。活塞頭部的變形量較大，隨著高度的降低變形量逐漸減小，可根據(jù)分析所得的變形曲線調(diào)整活塞加工參數(shù)。

（2）實驗表明本文建立的活塞工件熱變形模型能夠較為精確地計算出活塞外圓精加工過程中的熱變形。

（3）優(yōu)化活塞型線加工參數(shù)后有效減小了由熱變形造成的誤差影響，為同類型活塞加工工藝改進提供了參考依據(jù)。

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王大森，研究員，工學博士，中國兵器工業(yè)集團公司科技帶頭人，主要從事精密/超精密加工技術研究。