活塞應(yīng)力應(yīng)變分析與加工質(zhì)量控制方法研究

摘 要：從活塞鑄造成型過程中產(chǎn)生的鑄造應(yīng)力出發(fā)，分析了加工應(yīng)力和裝夾應(yīng)力和切削應(yīng)力的產(chǎn)生，選擇了合適的檢測設(shè)備及方法，實現(xiàn)對活塞毛坯的應(yīng)力應(yīng)變測量以及裝夾和切削過程中活塞的應(yīng)力應(yīng)變的測量，并給出了合理性的解決方法。能實現(xiàn)對活塞的加工過程進行模擬，可以研究加工過程中活塞應(yīng)力應(yīng)變的動態(tài)變化規(guī)律，為改善工藝，提高加工精度和獲得更高的加工質(zhì)量提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：活塞；應(yīng)力；加工

活塞是柴油發(fā)動機的重要零件之一，其性能的好壞直接影響到柴油發(fā)動機的工作可靠性和耐久性?；钊共渴腔钊闹匾M成部分，它的加工質(zhì)量直接影響到活塞的性能，從而影響整個柴油發(fā)動機的服役性能。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

我國在小功率中、高轉(zhuǎn)速或大功率中、低轉(zhuǎn)速柴油機的研究已具有相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)，但在同時兼有高速/超高速和大功率等特點的高性能柴油動力裝備方面，由于其重要零部件和動力裝置子系統(tǒng)在先進設(shè)計和精密/超精密加工以及系統(tǒng)集成技術(shù)方面的限制，我國的總體水平和先進國家相比仍然差距較大。在美國，活塞-缸套系統(tǒng)的精密加工技術(shù)作為高性能柴油機設(shè)計制造的核心技術(shù)模塊之一，受到了美國政府部門的持續(xù)性支持。

2 存在的主要問題

活塞、缸套和缸蓋等是活塞組-缸套系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，因各部件結(jié)構(gòu)特殊，活塞組的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚變化較大，其在鑄造過程中導(dǎo)致無法順序凝固，內(nèi)部疏松較多，銷孔無法鑄出，鑄造難度大?；钊拷紵业捻敳抗ぷ髅?、活塞銷座部位經(jīng)常存在縮孔、縮松缺陷，此兩處導(dǎo)致鑄件廢品率較高，成品率低，無法滿足生產(chǎn)需要，因此主要依賴于進口。目前工藝條件下，由于活塞頂部與內(nèi)澆道連接，充型結(jié)束時該部位屬于高溫區(qū)域，從而活塞頂部存在熱節(jié)。凝固過程中，鑄件薄壁處冷卻速度快，活塞頂部熱節(jié)處自身收縮也增大，同時其周邊薄壁部位共晶凝固時對熱節(jié)部位鐵液有抽吸作用，較小的石墨化膨脹不足以彌補凝固收縮，從而活塞頂部易出現(xiàn)縮孔縮松。

3 研究內(nèi)容及解決方法

（1）鑄造過程應(yīng)力與應(yīng)變的預(yù)測和控制。借助有限元軟件進行建模，對活塞毛坯充型凝固過程進行數(shù)值模擬仿真計算，預(yù)測鑄造過程活塞毛坯的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，研究鑄造過程中的應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生及變化規(guī)律，實現(xiàn)對鑄造過程活塞毛坯的應(yīng)力應(yīng)變進行控制。

（2）活塞制造過程中應(yīng)力應(yīng)變的測量。采用鉆孔法測量毛坯殘余應(yīng)力。通過對毛坯關(guān)鍵部位鉆孔，并貼上應(yīng)變片，通過應(yīng)變儀測得應(yīng)變片的應(yīng)變變化情況，通過計算機軟件分析得到該鉆孔處應(yīng)力分布情況；通過對毛坯關(guān)鍵部位進行多點鉆孔操作，進而求得毛坯上多點應(yīng)力分布狀況。

（3）加工過程應(yīng)力與應(yīng)變的預(yù)測與控制。借助有限元軟件建立活塞的三維模型，通過改變切削加工工藝參數(shù)及材料特性參數(shù)，得到活塞表面的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律?；跀?shù)值分析及統(tǒng)計學(xué)原理，建立工藝參數(shù)與活塞加工過程應(yīng)力應(yīng)變的映射關(guān)系模型，從而實現(xiàn)對加工過程中活塞的應(yīng)力應(yīng)變的預(yù)測。通過模擬不同加工參數(shù)條件下的活塞切削加工過程，得到活塞表面的應(yīng)力應(yīng)變分布，以便選擇合適的工藝參數(shù)使活塞的應(yīng)力應(yīng)變減小。根據(jù)仿真模擬結(jié)果，調(diào)整實際切削加工過程中的工藝參數(shù)，測量加工后活塞的應(yīng)力應(yīng)變以修正活塞應(yīng)力應(yīng)變的預(yù)測與控制模型。

（4）夾緊過程應(yīng)力與應(yīng)變的預(yù)測與控制?；谟邢拊浖A具與活塞的三維模型，通過改變夾緊塊的位置及夾緊力的大小等參數(shù)，分析不同夾緊方式下活塞表面應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律?；跀?shù)值分析及統(tǒng)計學(xué)原理，建立夾緊過程中活塞的應(yīng)力應(yīng)變的預(yù)測與控制模型。通過反演得到能夠有效減少活塞應(yīng)力應(yīng)變時的夾緊方式、夾緊位置及夾緊力的大小參數(shù)。根據(jù)仿真模擬結(jié)果，在實際加工環(huán)境中對活塞的夾緊方式、夾緊位置及夾緊力大小進行試驗，獲得活塞的應(yīng)力應(yīng)變情況，以修正夾緊過程中活塞應(yīng)力應(yīng)變的預(yù)測與控制模型。

（5）環(huán)境溫度對應(yīng)力應(yīng)變影響規(guī)律的預(yù)測。設(shè)計正交試驗，對不同環(huán)境溫度下的活塞加工應(yīng)力應(yīng)變進行測量。根據(jù)實驗測量結(jié)果，利用計算機軟件模擬溫度變化與活塞應(yīng)力應(yīng)變的非線性映射關(guān)系模型。

（6）加工過程中活塞應(yīng)力應(yīng)變的動態(tài)仿真?；谟邢拊治鲕浖紤]活塞毛坯的殘余應(yīng)力，集成環(huán)境溫度、切削加工與裝夾之間的耦合關(guān)系，建立活塞毛坯的三維模型，設(shè)定實際加工中的材料特性參數(shù)和加工參數(shù)等，模擬活塞的切削加工過程，分析活塞應(yīng)力應(yīng)變的分布情況，優(yōu)選能有效提高活塞加工質(zhì)量的工藝參數(shù)。

4 結(jié)語

根據(jù)活塞工藝加工的特點及成型特點，選擇了合適的檢測設(shè)備及方法，實現(xiàn)對活塞毛坯的應(yīng)力應(yīng)變測量以及裝夾和切削過程中活塞的應(yīng)力應(yīng)變的測量?？梢酝ㄟ^仿真模擬和實驗驗證相結(jié)合，研究活塞切削加工過程中應(yīng)力應(yīng)變的分布情況。分析了加工過程中影響應(yīng)力應(yīng)變的原因，研究了裝夾對活塞應(yīng)力應(yīng)變的影響；分析了環(huán)境溫度對活塞應(yīng)力應(yīng)變的影響。基于上述分析，可以對活塞的加工過程進行模擬，能研究加工過程中活塞應(yīng)力應(yīng)變的動態(tài)變化規(guī)律，為我們調(diào)整工藝參數(shù)、形成穩(wěn)定的工藝路線，提高加工精度和獲得更高的加工質(zhì)量提供指導(dǎo)。

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作者簡介：路遵友（1980-），男，碩士，講師，主要研究方向為先進制造技術(shù)。