基于运动合成的活塞异形销孔加工新原理及关键技术研究

As engine rotation speed and power increase, non-circular pin hole of piston is widely used for its homogenized stress of pin hole and increased piston lifespan. Elliptical pin hole is one of representative non-circular pin holes, but its machining methods are not satisfactory. At present, machining methods of elliptical hole need install auxiliary feeding mechanism on boring bar, with such disadvantages as complex system structure and controlling difficulty. This project will use motion synthesis(between revolution of the hydrostatic shaft center and rotation of the tool nose) to directly obtain the elliptical tool nose orbit, and thus, the machining of elliptical hole can be achieved. When shaft center revolution orbit is line segment in axis, the synthesis principle of two motions and pin hole processing scheme will be studied. The project will research the new hydrostatic bearing structure and optimization parameters, and give a study on the hydraulic control mechanism and implementation scheme. The working mechanism of servo valve on shaft center orbit will be studied. This project will also research influence of lubricating oil viscosity and temperature on shaft center orbit, build the system dynamics model, and study open-loop and close-loop control theory of tool nose orbit. The research will focus on the anti-interference and response speed of control strategy under the condition of modeling error and external disturbance. The project will carry out the control experiment of tool nose orbit, with some type of piston pin hole as an example to be studied. The realization for the project will lay theoretical and experiment foundation for the application of new method for boring of non-circular pin hole of piston.

随着发动机转速及功率的提高，活塞异形销孔以其均布销孔应力、提高活塞寿命的优点得到了广泛应用。而以椭圆形销孔为代表的异形销孔其加工方法却并不能令人满意。目前椭圆销孔的加工方法需要在镗杆上安装辅助进给机构，存在系统结构复杂、控制困难等问题。本项目利用静压主轴轴心的公转运动与刀具的自转运动合成直接得到椭圆刀尖轨迹，从而实现椭圆销孔加工。研究轴心公转轨迹为坐标轴上线段时，两运动的合成机理以及销孔加工方案。研究新型静压轴承的结构及优化参数，在此基础上研究轴心轨迹的液压控制机理及实现方案。研究伺服阀对轴心轨迹的作用机制。研究润滑油粘度、温度等特性对轴心轨迹的影响。构建系统动力学模型，研究刀尖轨迹的开环和闭环控制理论。研究建模误差或外干扰时控制策略的抗干扰性、响应速度等特性。开展刀尖轨迹的试验控制，以某型号活塞销孔为例进行加工研究。本项目的实现将为新方法在活塞异形销孔加工上的应用奠定理论基础和试验依据。

椭圆异形销孔，以其均布销孔应力，增强活塞销座承载能力，提高活塞使用寿命的优点得到了广泛的应用。虽然椭圆销孔具有优良的工作性能，但其精密加工却一直是机械制造业的一个难题。目前椭圆销孔的加工方法需要在镗刀杆上安装辅助进给机构，存在安装空间狭小，系统结构复杂、控制困难等问题。. 在不安装任何辅助进给机构情况下，本项目研究直接而精密控制镗刀进给量的原理及基础理论。基于静压轴承系统研究一种加工活塞异形销孔的运动合成法，将两运动（主轴轴心的公转运动和刀具绕轴心的自转运动）进行合成得到期望的刀尖轨迹，从而实现椭圆销孔的加工。开展的主要工作如下：.（1）研究了轴心公转轨迹为坐标轴上线段时，椭圆刀尖合成轨迹的成形原理及相关论证工作。研究了刀具初始相位角、刀具半径等参数对椭圆刀尖轨迹的影响。.（2）设计了上下对置油腔为小油腔、左右对置油腔为大油腔的新型结构轴承，并对新型静压轴承油腔包角参数进行了优化选取。根据新型静压轴承的结构及控制要求，提出了与之配合的液压控制系统。.（3）对伺服阀-轴承-镗轴-镗刀系统进行了建模，构建了系统的传递函数。利用simulink模块建立了系统的开环控制策略和闭环控制策略，并进行了控制仿真。结果表明滑模变结构-重复控制方法对瞬态外力及周期性外力有很好的抗干扰性。.（4）改造轴承实验台，利用开环和闭环控制模块对主轴自转转速为1440r/min和2880r/min两种情况下的轴心公转轨迹进行了实验控制。结果表明：闭环控制轴心跟踪期望公转轨迹（Y坐标轴线段ab或者小椭圆）的效果较好。最后通过活塞销孔的加工实验验证了本项目加工方法的可行性。. 本项目进给量控制的原理及关键技术，不仅适用于椭圆销孔加工，还适用于其他形状的非圆销孔加工（如变椭圆销孔等）。另一方面，本项目中对轴心轨迹的主动控制机理研究对转子振动的抑制理论也有一定借鉴意义。