ECK6520B数控钢活塞立式车床的开发

石贵发

摘要：随着国V、国VI内燃机排放标准的实施推进，国内重型发动机越来越倾向于使用全钢活塞来代替原有的铝活塞，而全钢活塞的加工，对于国内外活塞生产商来说，是一个新的难题。为满足国内外活塞生产商对全钢活塞加工的急切需求，一派数控设计开发了ECK6520B系列数控活塞立式车床。该系列车床采用双立柱结构，搭载双Z轴、双X轴，可实现加工工序的集中;采用双通道数控系统可同时控制双向三轴联动，成倍地提高了加工效率;采用模块化设计，便于柔性组线，可根据不同加工要求选装功能部件。

关键词：立式车床;钢活塞;焊前加工;焊后加工;双立柱;模块化设计;止口;燃烧室;异形外圆;环槽顶面

0  引言

随着发动机排放标准的进一步提高，高燃爆技术的普及，全钢活塞越来越多;在高档全钢活塞的关键结构要素中，外圆型线、环槽、顶面的形位精度要求日益提高。要适应这种趋势，一是要分别提高外圆型线、环槽、顶面的加工精度，二是要提高外圆型线、环槽、顶面的相对位置精度，目前国内主要是在工艺流程和工装夹具上采取措施，这已不能满足活塞加工工艺进步的要求。为此，一派数控设计开发了工序集成度更高的ECK6520B系列数控活塞立式车削系统，以满足国内外全钢活塞止口、燃烧室、顶面、异形外圆、环槽车削加工的精度和效率需求。

1  机床基本参数与结构形式

机床可用于加工全钢活塞异形外圆、顶面、止口、燃烧室、环槽等。可加工材质为42CrMo4、38MnVS6Ti，硬度为250-320HBW锻钢的活塞。加工活塞尺寸的可选范围为Φ100～Φ200mm。机床整体尺寸：长×宽×高=2295×2026×2697mm，机床的整体结构及外观如图1、图2所示。

机床主体为双立柱结构，搭载双Z轴、双X轴。活塞定位后，两刀架可同时对活塞进行加工，从而使得加工工序集中，减少了装夹时间所占比例，加工效率成倍地提高。同时这种结构形式也极大地提高了机床主体的刚性，为机床的高精度加工提供了有力保障。

机床可同时配置精密液压尾架和液压拉紧装置，采用拉紧和顶紧结合的方式进行钢活塞精车工序，定位精度高，稳定性好，活塞受力变形小。

根据需要，机床还可以配置主轴圆光栅代替主轴电机编码器对主轴位置进行更精确的反馈和定位，这对改善异形外圆加工质量有明显作用。

机床可配置定向停车和自动穿销装置，可用于各种定位方式的全自动钢活塞生产线的组线。

2  机床主要创新点

2.1 双立柱结构，双排屑口床身  机床底座和立柱为两个整体铸件，保证了机床整体的刚性。双Z轴、双X轴同在立柱上安装，保证拖板的安装刚性及位置精度。针对钢活塞加工断屑困难、长切屑多、排屑难的问题，本机床设计了双排屑口，通过两个链板式的排屑器同时工作，使机床排屑更顺畅。

2.2 采用拉紧和顶紧相结合的装夹方式  机床采用拉紧和顶紧相结合的方式进行钢活塞的装夹，定位精度高，产品尺寸稳定性好。首先，尾架轴心线相对于主轴回转轴心线的同轴度，对活塞的精密加工影响非常大。为了提高该同轴度，我们专门设计了一款精密液压尾架，全行程上套筒在尾架体内的支撑长度不变，有效地保证了尾架在整个行程内的支撑刚度。尾架可进行高低压控制，可根据同一加工过程中不同工序的压紧力要求进行压紧力的切换，确保机床加工的高精度。

同时，机床还配置了高低压拉紧装置，可根据需要安装卡盘或活塞专用工装进行活塞的加紧或拉紧，可适用于不同全钢活塞加工工艺，可加工有定位止口和无定位止口的全钢活塞。在使用通过销孔拉紧活塞的工装时，可在同一加工过程中切换拉紧力，以适应加工余量不同时对活塞拉紧力不同的需求。

在进行活塞异形外圆、顶面及环槽精车时，可以采用拉紧和顶紧结合的装夹方式，同时根据不同加工工序，选择不同的拉紧和顶紧力的配合，大大提高了加工过程中活塞定位的稳定性和受力均匀性，从而提高钢活塞外圆、顶面及环槽的尺寸精度和位置精度。

2.3 自动穿拔销装置  根据自动化组线需要，机床设计开发了自动穿拔销装置，可用于通过销棒拉紧定位的活塞加工工序的销棒的自动穿拔或角向定位。

2.4 双通道数控系统  采用双通道数控系统，可实现左、右两个刀架并行加工，成倍地提高了工作效率。应用在全自动活塞生产线上可有效地减小活塞加工的节拍。

3  在全自动活塞生产线上的应用示例

在一派规划设计的钢活塞全自动生产线（如图3所示）中，有4道工序5台车床采用了ECK6520B系列数控活塞立式车床。由于该系列机床的模块化设计，可根据不同工序要求搭载不同的功能部件，使其在生产线上的应用极其灵活。其中，异形外圆加工车床ECK6520BL采用德国SIEMENS公司生产的828D双通道数控系统，配置自主研发的双CPU控制的高精度伺服驱动器EHA3020T0S，通过OEM软件嵌入到SIEMENS 828D系統控制加工，实现自由编程，提高加工精度和抗干扰能力。

活塞曲面数据由“一派活塞曲面数据处理软件”（一派数控软件著作权产品）生成（如图4所示），该软件能编辑活塞所要求的各种异形外圆设计，包括标准椭圆、椭圆叠加偏心圆、偏心椭圆、旋转椭圆或离散数据拟合等;并能自动分析非圆截面车削加工时的动态响应特性，根据测量结果进行数据补偿。

配置单刀平板式直线伺服刀架EJX1260A（刚度加强版）（一派数控专利产品）（如图5所示），通过调用活塞曲面数据，可加工中凸变椭圆或其它复杂形状的钢活塞异形外圆。该刀架出力可达2400N，行程可达6mm，频响超过400Hz/-3dB，伺服刀架重复定位精度高达0.0003mm。

机床能适用于全自动化设计，为其在自动生产线上的应用提供了便利。

上述提到的钢活塞车削加工的4道工序及機床选装部件配置如下：

3.1 粗车燃烧室、半精车顶面、半精车岸部外圆工序  在ECK6520B系列数控活塞立式车床上配置了活塞内腔定位工装，选配自动穿拔销装置，配置双伺服八工位刀塔;双通道数控系统，左右刀塔可同时加工，大大提高了加工节拍，直径130mm钢活塞加工节拍约为90s。

3.2 粗精车止口、销座内圆及端面、半精车群部外圆、粗切凹槽工序  在ECK6520B系列数控活塞立式车床上配置了三爪卡盘定位装置，配置双伺服八工位刀塔;双通道数控系统，左右刀塔可同时加工，直径130mm钢活塞加工节拍约为90s。

3.3 精车燃烧室、精切凹槽、粗车环槽工序  在ECK6520B系列数控活塞立式车床上配置了活塞止口定位工装，选配自动穿拔销装置，配置双伺服八工位刀塔;双通道数控系统，左右刀塔可同时加工，直径130mm钢活塞加工节拍约为90s。

3.4 精车顶面、异形外圆、精车环槽及环槽异形倒角工序  在ECK6520B系列数控活塞立式车床上配置了精密液压尾架，左侧配置伺服八工位刀架，右侧直线伺服刀架系统以及拉紧工装，选配自动穿拔销装置，可在一次装夹过程中完成钢活塞异形外圆、顶面、环槽的精加工，大大提高了钢活塞关键工序的尺寸和位置公差，且左右两侧刀架可同时加工，直径130mm钢活塞加工节拍可达120s。

4  加工精度

机床已通过各种加工测试，加工性能优良，各项加工精度均达到或优于设计标准，已下为部分精度检测报告（如图6-图8）：如图所示，裙部非标椭圆加工轮廓度达到了±0.002mm，裙部形线轮廓度达到了±0.005mm，且外径尺寸稳定性好ΦD±0.01mm CmK≥1.67，达到了国际领先标准。

5  结语

一派数控设计研发的ECK6520B系列数控活塞立式车床，从设计到采购以及制造均严格按照德国标准进行，确保产品稳定可靠。

目前，该系列车床已被全球著名的内燃机配件制造商德国马勒公司、美国天纳克集团、湖南江滨活塞分公司等认可，并计划应用到他们的钢活塞生产线上，这是对其性能的极大肯定。ECK6520B系列数控钢活塞立式车床为国内外钢活塞加工提供了性能优良的选项，期待它的杰出性能可以为内燃机配件的制造做出贡献。

参考文献：

[1]李海梅，等.数控车床编程技术[M].机械工业出版社，2002.

[2]任玉田.机床计算机数控技术[M].北京理工大学出版社，2002.

[3]毕承恩，等.现代数控机床（上、下册）[M].机械工业出版社，1993.