发动机缸套轴颈部滚压装置及其控制系统的设计

曾显波，王文健

(1.青岛港湾职业技术学院，山东 青岛 266404)

(2.北京长城计量测试技术研究所,北京 100095)

发动机缸套轴颈部滚压装置及其控制系统的设计

曾显波1，王文健2

(1.青岛港湾职业技术学院，山东 青岛 266404)

(2.北京长城计量测试技术研究所,北京 100095)

对发动机缸套轴颈部进行滚压加工的意义和要求进行了探讨，设计了一套滚压结构与控制系统。通过机械结构与液压伺服系统实现对滚压工艺过程及滚压力、滚压圈数、滚压速度等滚压参数的精确控制，解决了缸套轴颈部滚压实施过程中没有合适监控方法的问题，对发动机缸套的实际生产具有重要意义。

缸套颈部；滚压装置；控制系统；滚压参数

发动机缸套是发动机的重要组成部件，是发动机的心脏零部件、燃烧室部件主体，也是易损件[1]。发动机工作时，发动机缸套颈部是主要受力部位之一，是发动机工作过程中受到应力(机械应力、热应力)最集中的部位，同时因其轴肩部位是缸套结构设计中最薄弱的部位，易在上端面至轴肩退刀槽处产生疲劳失效而导致缸套出现裂纹甚至断裂，进而导致发动机产生故障。随着发动机向高压、高速方向发展，需要解决的问题是如何利用有效手段，在尽量降低缸套生产成本的前提下，提高发动机缸套的使用寿命。

运用表面滚压技术可提高金属材料的疲劳强度。王海军等[2]将这一技术应用到缸套滚压试验中，并总结出指导生产的工艺参数与效果评价等。王宪成等[3]建立了动载荷条件下的缸套磨损计算模型，对缸套滚压试验具有一定的参考意义。Rutecka A等[4]对相关材料进行了测试，找出了适合汽车发动机缸套的材料。覃正光[5]提出用R槽取代直槽并对槽口处进行滚压，产生表面硬化层，从而提高其疲劳强度。综合分析发现，对发动机缸套颈部采用R槽加工并进行滚压操作，可有效提高发动机的安全性及使用寿命。

1 滚压装置的总体设计

1.1缸套滚压加工技术要求

某型发动机缸套零件图如图1所示。

根据覃正光提出的用R槽取代直槽的设想，将传统的缸套轴肩处退刀槽由直槽改为R槽，如图1所示。切槽的加工和缸套轴颈部的滚压是通过在数控机床上加装控制装置实现的，运用数控机床的相关功能，利用R型切槽刀完成切槽加工，随后利用滚压装置完成滚压加工。

缸套轴颈部滚压参数如下：

a.滚压压力。

滚压压力是指滚轮施加到缸套轴颈部R槽处的压力，其大小直接影响加工质量。滚压力过小，达不到表面强化要求；滚压力过大，容易造成缸套变形。滚压力大小应该根据缸套的材料、硬度、壁厚及发动机工作参数等情况综合确定，实际加工过程中一般通过实验或经验获取其数值，也可通过对加工参数的优选，计算获得滚压力值。

缸套轴颈处R槽的半径为r，滚压加工时滚轮的滚压圆弧半径一般取R槽半径值的上限，使滚轮圆弧尽量与R槽表面全部接触。根据滚轮与R槽的等效接触面积可理论计算出滚压力P。假设滚轮滚压圆弧半径为r1，滚轮直径为D1，滚轮位移进给量为δ，则施加到缸套上的滚压力[1]：

式中：K为静压力提高系数，即最大等效应力σmax与最小抗拉强度σb的比值。

根据理论计算值，本文缸套轴颈部滚压时要求滚压力值为15kN±500N。

b.滚压转速。

滚压转速指滚压时机床主轴转速，即缸套转速。滚压时转速不宜过快，过快容易造成振动或表面烧伤等；过慢会出现滚轮滞转的现象。根据经验，滚压转速选取区间一般为40～100r/min。本文缸套滚压转速设为40r/min，要求转速稳定。

c.滚压圈数。

滚压圈数是指滚轮压过缸套轴颈处R槽中同一位置的次数，根据经验，滚压圈数一般为15～25圈，如继续增加圈数则会产生接触疲劳。本文中缸套滚压圈数选取20圈，同时为了提高滚压加工质量，避免滚压力的突增与突降对缸套产生的影响，滚压力与滚压圈数按照如图2所示的滚压曲线要求执行。要求滚压力在第0～6圈时匀速上升到15kN，并维持8圈(第7～14圈，力值要求15kN±500N)，在第15～20圈匀速下降到零。

1.2滚压装置控制方案

滚压装置的控制主要由液压伺服系统执行和完成，控制系统示意图如图3所示。

液压伺服系统的核心部件是控制器，由三菱可编程控制器(PLC)、GOT模块(液晶触摸屏)组成，主要功能是对控制信号进行接收、计算与发送等，实现对滚压力的闭环控制，从而达到精确控制滚压力与滚压工艺要求的目的。通过触摸屏可置入参数和工作方式，由显示器显示当前的滚压力值、所转圈数等信息。工作时，控制器接收传感器检测的信号并按照置入的控制程序进行运算，输出换向与比例电压信号，控制换向阀的方向与比例溢流阀的油液流量，实现输出的压力与缸套转动圈数的曲线关系(如图2所示)。

1.3滚压装置机械结构整体设计

滚压装置的机械结构部分主要由自行设计的机械臂和滚轮组成，通过机械臂将液压缸与滚轮固定在机床上，液压缸的位置与滚轮的角度可以微调。如图4所示。

2 滚压装置工作控制原理

滚压装置包括卧式数控车床和液压伺服系统及安装有液压缸与滚轮的机械臂。工作时，先利用数控车床进行R角切削加工，然后液压伺服系统控制伺服阀驱动安装在机械臂上的油缸使其带动滚压轮运动，当滚压轮接触工件后，压力传感器与转速传感器开始检测信号，并传输到控制器内，控制器内置的控制程序按照给定的数据和检测得到的转速、滚压力、转动圈数等参数进行运算，输出控制信号控制比例溢流阀，调节油缸压力以控制滚压力与缸套转动圈数符合曲线要求。加工过程中液压伺服系统能很好地实现滚压力曲线自动控制，自动化程度高，无需人工干预。

2.1机电系统控制原理及流程

机电系统控制的主要内容为液压缸的进给与回退，以及使液压力与缸套、转动圈数符合曲线要求。操作人员向控制器输入指令，控制器发出换向信号，驱动液压缸运动，同时接收传感器检测到的信号，并按照置入的控制程序计算数据，将计算数据转换成电压信号发向顺序控制阀与比例溢流阀，控制阀芯动作，通过滚压力与转速的闭环控制实现机电系统的运动。其控制原理与流程如图5所示。

液压系统是实现滚压曲线的关键部分，由油箱、比例溢流阀、换向电磁阀、顺序阀、恒压变量泵、电动机、滤油器、高压软管、液位计等组成。

其基本工作原理为：由恒压变量泵提供工作压力，开始工作时，换向电磁阀打开，活塞杆带动测力传感器前进；滚轮接触工件后，由D/A输出电压控制比例溢流阀的出口压力，以控制滚压曲线。滚压完成后，反向电磁阀打开，活塞杆退回，完成一次滚压操作。其系统工作原理图如图6所示。

3 滚压装置关键部件结构设计

3.1液压缸的设计

滚压时必须保证滚轮不得有轴向转动，因此液压缸的活塞杆必须安装导向机构。

a.液压缸结构设计。

液压缸的结构如图7所示。

b.液压缸活塞直径的确定。

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为减小噪声和液压系统的体积，设定液压系统工作时的最高压力为5MPa，则活塞产生的最大力F为：

式中：p为液压系统压力；D为活塞直径。

因此，为了提供15kN的滚压力，活塞直径D为：

考虑到摩擦损失和标准化要求，取活塞直径D=80mm，活塞杆直径为38mm。

3.2缸套夹具设计

受到装夹力与滚压力的作用，缸套滚压过程中易产生变形，同时考虑装夹的方便性和定位精度的准确性，必须设计专用夹具进行装夹。缸套专用机床夹具采用胀套结构，由芯轴、弹簧套筒、锥形套、螺杆、螺母等构成。其结构图如图8所示。

装夹时将工件装夹在弹簧套筒上，拧紧螺母，螺杆带动锥形套向里移动，芯轴及锥形套的斜面将弹簧套筒向外扩张，从而撑紧工件，简单方便地实现对发动机缸套的固定。

4 结束语

汽缸体颈部滚压硬化技术作为一种经济有效的提高缸套疲劳强度的手段已经得到广泛应用。本文详细介绍了一种可以对滚压工艺参数精确控制的加工装置及控制方式。根据缸套颈部滚压的工艺参数设定滚压曲线，控制装置能有效地实现滚压力曲线自动控制，此设计方案对发动机缸套的实际生产具有重要指导意义。(论文内容已经申请发明专利，受理号：201510056785.9)

[1] 袁志敏，徐涵秋. 发动机汽缸套失效的几种形式及其成因[J].四川农机, 2008(6):36-38.

[2] 王海军，高广军. 发动机汽缸套深滚压强化处理技术研究[J].内燃机与配件, 2014(3):17-20.

[3] 王宪成, 刘冰,孙耀文,等. 车辆发动机缸套磨损计算模型[J]. 柴油机, 2014(4):23-26.

[4]RuteckaA,KowalewskiZL,PietrzakK,etal.Creepandlowcyclefatigueinvestigationsoflightaluminiumalloysforenginecylinderheads[J].Strain, 2011, 47(SUPPL. 2):374-381.

[5] 覃正光. 滚压技术在汽缸套加工中的应用[J].内燃机与配件,1995(2)：23-26.

Design of rolling device and its control system for engine cylinder liner axis neck

ZENG Xianbo1, WANG Wenjian2

(1.Qingdao Harbour Vocational and Technology College, Shandong Qingdao, 266404, China)

(2.Beijing Great Wall Institute of Measurement and Testing Technology, Beijing, 100095, China)

Based on the discussion for the significance and requirements of rolling processing on engine cylinder liner axis neck, it proposes a set of roller structure and control system. Using the mechanical structure and hydraulic servo system, it designs the control system for the rolling process and the parameters such as rolling pressure, rolling speed, rolling turns and rolling parameters accurately. This provides the appropriate monitoring method in the process of implementation, is of great significance for the actual production of engine cylinder liner.

cylinder neck; rolling device; control system; rolling parameters

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.04.018

2015-02-12

曾显波(1978—)，男，山东青岛人，青岛港湾职业技术学院讲师，硕士，主要从事机械制造及自动化相关领域的工作。

TK403

A

2095-509X(2015)04-0077-04