基于智能制造技術的活塞工藝設計與制造

王高升，朱進科，向天賞，羅靖宏

（湖南工程學院 機械工程學院，湘潭 411104）

隨著工業4.0 進程的推進，我國制造業發展戰略以智能制造為主導，工業產業正向智能化轉型升級［1-2］.相較于傳統制造過程，智能制造本質上是將零件加工過程進行精簡，將大部分加工準備工作通過數據計算進行優化調整.以活塞零件為例，整個加工過程可以分為16 個加工步驟［3］，以止口和外圓面為加工基準，將后續的加工步驟逐一分解.通過分析常見并且已經成熟的智能制造生產線，發現可以將活塞零件的加工歸類為精度相對較高的薄壁零件加工，其主要特征也匯集在活塞頂部和頭部幾道環槽.根據以上條件，可以清楚完整地實現智能制造生產線，包含但不限于加工系統、物流系統以及控制系統.

孟凡生等［4］研究了國內外智能制造技術的發展現狀，提出了影響傳統制造轉向智能制造的幾大關鍵因素；王友發等［5］研究了國外制造強國在智能制造目標上的分類占比，指出了智能制造技術未來發展方向；王影等［6］基于近年的市場經濟財報數據分析了國內整個智能制造產業發展狀況，重點提出了目前仍然存在的六大問題和未來國內對于該產業發展扶持的五點思路；魏文鋒［7］通過整合數控機床、PLC 程序控制和計算機輔助工藝過程設計等技術，完善了活塞零件加工的智能制造生產線設計；沈烈初［8］在數控機床與工具的專題采訪中以時間線的推移描述了數控機床與智能制造的相互關聯.目前，國內對于智能制造技術的發展研究已初具規模［9］.本文將以A160 活塞為例，探討活塞零件智能制造生產線所需的結構.

1 活塞零件簡介

活塞零件作為往復式發動機重要的零部件之一，其制造材料為硅鋁合金，由頂部、裙部及銷座組成，其頂部為?74mm.尺寸參數如圖1 所示.

圖3 S處橢圓度

圖4 T處橢圓度

2 加工工藝性分析

活塞加工時的質量影響因素是多方面的，除了選用的硅鋁合金原材料外，夾具設計、機床精度、選用的技工參數以及刀具等都在不同程度上對活塞外形、尺寸精度、特征位置精度和表面實際粗糙度有影響.

2.1 加工過程的熱膨脹

活塞頭部三道環槽的加工，可使用對應尺寸的切槽刀一次加工完成，槽深約為3.5 mm，由于活塞該部位精度要求較高，槽底及外圓部分圓跳動均小于或等于0.1 mm.活塞鑄造材料選擇硅鋁合金，其熱膨脹系數（7～20 ppm/℃）較低，但仍然無法直接忽略活塞零件在冷卻后帶來的尺寸誤差.尤其是在加工持續時間較長的情況下，車床本身因為溫度變化而出現的尺寸偏差值更為明顯.

式中，ΔV為熱膨脹量（mm）；ΔT為溫度變化量（℃）；K為熱膨脹系數（ppm/℃）；L為膨脹方向初始長度（mm）.

參照工件與刀具發生擴散磨損時的數據，代入式（1）可得：

由于實際測量活塞內部每一處的溫度難度較大，所以通過熱力圖分布，將溫度關于半徑值的函數圖像轉化至圖像編輯器中，可以近似得到其函數曲線，通過粗略估算，在理想狀態下，連續加工三道活塞環槽的熱膨脹量約為38 μm.同時，在機床長時間加工活塞零件后，其整體形變量約為90 μm.兩者的累積誤差超過了0.1 mm.

為了盡可能減少溫度變化帶來的影響，可以將車間溫度恒定在20℃左右，避免零件加工過程中溫度變化過快的同時保證車床在常溫下的偏差值不超過40 μm，不到前者的.當然，也可以通過選擇不同品類的切削液和延長整個加工時長來進一步減少熱膨脹帶來的影響.

2.2 薄壁零件受力易變形

整個活塞零件的裙部以及銷座部分壁厚自下而上呈微量變化，最窄部位僅為4 mm，考慮到實際加工過程中其裝夾方式唯一且較難采用輔助裝夾，所以在加工過程中容易出現零件形變，特別是鑄件本身存在內部缺陷的情況.

因零件夾緊過程中三爪卡住的部位并不確定，所以，當夾緊點靠近銷座時，因結構設計原因會出現一定程度的形變.不考慮夾緊過程中接觸面是否完全貼合，可將整個夾緊部位轉化為某一段長14 mm的弧面，通過形變和受力分析可得，在活塞底部位置會出現0.026 mm 左右的變形.三爪夾緊時活塞零件分析圖如圖5 所示.

圖5 三爪夾緊時活塞零件分析圖

降低三爪卡盤夾緊變形，最直接有效的方法便是增大夾爪與活塞的作用面面積，若將初始夾爪寬度由14 mm 增加至20 mm，則可以將最大形變量降至0.019 mm.加寬夾爪活塞分析圖如圖6 所示.

圖6 加寬夾爪活塞分析圖

在銑削過程中，兩側V 形塊同樣作用于活塞裙部或是銷座部位，在恒定壓力500 N 的情況下，直接選擇受力部位為活塞靠近底部0～50 mm 時，會產生一定程度的形變.當夾緊部位選擇為0～30 mm時，其最大形變量為4.686×10-4mm，如圖7 所示；當其夾緊部位選擇為20～50 mm 時，其最大形變量為4.907×10-4mm，如圖8 所示.

圖7 0～30 mm位置V形塊夾緊活塞分析圖

圖8 20～50 mm位置V形塊夾緊活塞分析圖

兩者比三爪卡盤夾緊時產生的形變量小兩個數量級，幾乎可以忽略不計.

但是考慮到機械手將活塞放置于支撐板上后，銑床夾具單一方向作用的V 形塊夾具因作用力線并不與活塞重心所在位置平齊，所以可能會出現歪倒的情況.為了盡可能減少該類情況發生，所以在得出不同夾緊位置下活塞形變大小相差不大的結論后，可以選擇將V 形塊夾緊位置提高至50 mm，如圖8 所示.

2.3 刀具選擇與技工參數

在切削技術的發展歷程中，針對活塞鑄鐵環槽的加工，現階段一般選用聚晶立方氮化硼刀具.憑借其本身硬度高、耐磨性好等特點，相較于硬質合金刀具，其使用壽命幾乎提高了2 倍.在只考慮車刀后刀面磨損和工件表面粗糙度的情況下，聚晶立方氮化硼刀具可以加工超過1 000 只活塞零件，極大程度地減少了中間換刀所耗費的時長.并且其加工的表面粗糙度可達0.4 μm，完全滿足加工需求.

在工藝參數的選擇方面，因實際加工過程中可以使用的參數數值并不多，同時已有的既定結論也確定了相當一部分內容，所以此處所列出的（如圖9所示）關于不同參數選擇下刀具前刀面磨損速度折線表僅作參考.

圖9 不同參數下刀具前刀面磨損速度

從圖中可以看出，雙點劃線波動趨勢與結果值最為貼近，一定程度上說明并印證了切削速度是與刀具磨損速度呈強正相關的，與進給量也有一定的相關性，而刀尖圓弧半徑則幾乎與刀具磨損速度無關.

考慮到實際加工過程中需要符合經濟效益，實驗階段的部分數據可以適當進行放大處理，通過提高換刀的頻次來進一步提升整體的加工效率.這里給出了一些參數的參考數值.

當切削速度較低時，刀具磨損主要為黏結磨損.體積磨損量W可近似表示為

式中，k為磨損系數；N為法向載荷；L為滑動距離；HB為材料的布氏硬度；P0為材料的屈服壓力.

選擇給定壓力不超過（140～190 HBS）/3，摩擦副表面無污染，未使用潤滑劑，可得黏結磨損程度與切削速度之間的關系.從圖10 中可以看出，當切削速度為185 m/min 時，黏結磨損程度達到峰值.

圖10 不同切削速度下刀具黏結磨損

當保持壓力不變，在車削過程中增加使用水基切削液時，可以看到出現黏結磨損的峰值點左移，如圖11 所示.

圖11 使用切削液后不同切削速度下刀具黏結磨損

當切削速度高于300 m/min 時，因大量切削熱堆積而導致局部溫度過高，刀具擴散磨損極其嚴重，不僅不能提高整體加工效率，反而會因為零件表面質量下降而增加了工件次品率.所以綜合考慮機床功率、刀具切削性能等參照值后，可以選用的切削速度在150～200 m/min，如圖12 所示.

圖12 不同切削速度下加工部位切削溫度

進給量的選擇以活塞頭部環槽加工為例，為了進一步提升零件加工效率，取較大的進給量無疑是必須的選擇，但是從設計角度而言，精度不足的發動機活塞在高溫、高壓、高腐蝕的惡劣條件下工作極易出現活塞環卡死甚至折斷現象，同時欠缺的垂直度、同軸度等形位公差則進一步降低了活塞的密封性能與耐磨性，因此，在條件允許的范圍內，應選擇較小的進給量優先保證零件表面精度，但是過小的進給量會導致加工過程不穩定，零件加工面輪廓跳動差值增大.綜合考慮效率與精度之間的關系，通過分組試切可以近似得到，當進給量取值在0.05～0.06 mm/r范圍內時效果最佳，如圖13 所示.

圖13 進給量與表面粗糙度大致對照表

2.4 切削液的選擇

切削液可以有效地降低切削溫度，減少工件和刀具的熱變形，保持刀具硬度，提高加工精度以及刀具耐用度.水基切削液與油基切削液相比，水的導熱系數高于油，而在裸加工環境中，加工部位的溫度可以達到850℃，為了符合大于或等于150 m/min切削速度的使用條件，避免出現嚴重的磨損，優先考慮水基切削液，而乳化切削液有著更為優異的潤滑性和防銹性，故綜合考慮選擇水溶性的乳化切削液較為合適.

3 工藝方案及夾具設計

3.1 工藝方案設計

整個工藝方案仍然圍繞活塞零件的主要工作面和定位基準，優先保證活塞零件的外圓面和頂部燃燒室組成部分的精度.采用活塞止口和端面作為統一基準，加工工序如表1 所示.

表1 加工工藝過程

3.2 智能產線典型夾具設計

形式不一的加工對象因其外形特征需滿足的自由度不同，最終在智能制造加工過程中物流系統需要保證的各位置自動化夾具類型也不相同.由于活塞零件可以近似看作薄壁筒形零件，考慮到市場青睞個性化、制造趨于柔性化的趨勢，所以最為典型的三處夾具設計也相應考慮有一定相似之處的盤類零件和柱體零件.

3.2.1 機械臂氣缸夾爪設計

根據活塞零件的外形特征，優先選用適配度較高的三爪氣缸.通過三維建?？梢灾ち慵w積約為286 171mm3，根據相應密度參數和摩擦系數可以得出氣缸最小夾緊力和缸徑選取范圍等一系列數值，參考國標優先取值以及活塞零件最大外徑，可以大致確定氣缸整體外形.普通雙作用氣缸的理論推力和拉力為

根據本文氣缸夾爪設計代入式（3）計算，實際輸出推力和實際輸出拉力只需乘以氣缸效率即可，一般取值在0.7～0.95 之間.

通過模型的體積數據和硅鋁合金的密度2.4～2.7 g/cm3，取密度為2.4 g/cm3可以得出活塞零件的實際質量m=ρV近似≈0.715 kg.引入靜摩擦系數μ=0.2，則：

此時μF≥mg，故可選擇氣缸內徑為?80 mm，同時缸徑外加壁厚約為?88 mm，與活塞零件尺寸大小整體相近，有利于后續其余零件設計.

氣缸壁厚可根據薄壁筒壁厚公式（5）計算，將參數代入求得最終壁厚約為0.375 mm，考慮到實際加工工藝對于該尺寸壁厚不易加工，所以選擇適當增加壁厚來滿足工藝要求.參考相應壁厚數值推薦表，最終確定壁厚為4 mm.

對于活塞桿的設計，因前端部分位移通過楔塊轉移夾緊力至夾爪上，尾部采用螺釘固定，其整體有效行程較短，安裝長度小于30～40 mm，末端因數m為4.活塞桿細長比為

理想狀態下該活塞桿可承受最大壓彎Fk為

求得Fk=7 529 359 N，通過計算可知活塞桿縱向彎曲極限完全滿足使用要求.根據圖表法，以活塞桿選用的20mm直徑為起點，連線穿過氣缸行程21mm，可得許用負載約為10 000 N，滿足使用需求.

對氣缸內部受壓進行仿真分析，如圖14 所示.在0.6 MPa 的工作壓力下，空氣介質主要作用面及活塞桿應力集中部位最大屈服強度為3.5 MPa，遠遠小于其屈服強度96 MPa.活塞與螺釘連接處最大靜態位移僅為2.708×10-4mm.同時，因方便加工缸筒，擴大了11 倍的內腔壁在最大工作壓力下明顯未出現強度不夠的情況.大部分數據與理論計算所得相符.

圖14 0.6 MPa工作壓力下氣缸內部受壓分析

夾緊力的轉化通過楔塊結構實現，根據氣缸行程和楔塊作用面斜率可以得到夾爪工作行程，考慮到初始入庫的活塞零件只經過簡單的粗加工，不同毛坯零件尺寸值偏差仍然較大，所以在條件允許的情況下適當將工作行程增加約15%，最終確定斜率為21∶11，當氣缸處于收縮狀態時，保證夾爪作用面距離圓心小于最大外徑?98.88 mm 即可.在氣缸夾爪與機械臂連接方式上，由于產線設計先期對于機械臂種類選擇仍有變換的空間，所以選擇在壁厚4 mm的基礎上拓寬，可以采用兩種方式進行螺釘緊固：一是通過與三爪錯開均布的三處沉頭孔直接連接適配的機械臂；二是通過氣缸后側預置的螺釘孔連接法蘭完成.同時考慮到后期PLC 程序控制需要確定的指示信號，所以須在氣缸活塞偏下方位置安置磁環和在氣缸外側預置安裝感應磁條孔，以便后期各機械臂的位置調試.

氣缸夾爪整體使用數據缸徑為80 mm；標準使用壓力為0.1～0.6 MPa；重復定位精度±0.02 mm；每分鐘理論松夾次數約為30 次；在0.5 MPa 壓力下有效夾持力為502 N；夾爪運動行程為16 mm.

3.2.2 銑床氣動夾具設計

和機械臂氣缸夾爪設計相似，以活塞止口和外圓面作為定位基準，采用一個固定V 形塊和活動V形塊夾緊外圓面，通過氣缸連接推桿移動活動V 形塊.因銑床夾具主要針對加工三道環槽，所以在滿足限制平面兩個方向的旋轉以及位移后，Z 方向的轉動并不影響環槽加工最終呈現的質量.對于V 型塊的設計，由于手冊中最大給定的夾緊直徑只有80 mm，所以在參考緊定螺釘和沉頭螺釘的排布位置后，在相隔間距上增加了5 mm.其余導板尺寸、墊板尺寸則以此為基準.活塞底部的兩塊支撐板則優先考慮長度，在留有至少20%最大裕度的情況下選取國標最小值.整個夾具提供的夾緊力則完全由活動V 形塊一側的氣缸連帶著推桿提供.夾具體則根據各夾具零部件分布最終確定尺寸值，考慮到V 形塊兩側對稱分布，所以將活塞零件置于靠近中心位置.

而兩側V 形塊需要平齊且將活塞質心位置包含于內，所以增加V 形塊墊板抬高受力點的位置，但即便如此，經過多次簡單試驗，夾緊過程仍然會出現活塞對心不準的情況.齊彥等［10］在對一種生產線用缸體夾具的設計與實現中給出了相應的解決思路.

可以在此夾具模型設計的基礎上將固定V 形塊改為活動V 形塊，通過對氣壓系統的優化，將兩側夾緊缸同時實現松開與夾緊.

3.2.3 車床液壓夾具設計

依然選擇三爪夾緊的方式，方便定位對心的同時避免后期調試過程中需要機械臂最終定位以滿足兩個方向位移精度的要求.

具體設計方案和氣缸三爪卡盤基本一致，但是考慮到車床加工過程中因卡盤質量較大，可以將氣壓缸改成液壓缸.同時為了避免夾緊力過大而導致活塞變形超過預期，在輸出液壓力的數值既定標準上通過溢流閥調整.除夾具可以在某些分類的零件加工過程中通用，加工車床同樣如此，安置于車床上的三爪液壓卡盤為了方便加工圓棒料，采用中空設計，如圖15 所示.

圖15 智能產線典型夾具設計示意圖

圖16 智能制造仿真模擬

4 智能制造仿真模擬

除上述提及的加工機床和各式夾具、機械臂外，整個智能制造產線仍然需要AGV 小車、零件交接平臺、大數據系統等一系列必不可少的元件加以輔助.為了更清晰、直觀地表達活塞零件的整個智能制造過程，可以通過仿真模擬各順序命令.從活塞原材料鑄造完成開始，刨除含有缺陷的不合格品，將剩余零件外圓面和兩側端面進行簡單粗加工獲得尺寸精度，經初步檢測后由小車連帶載物板入庫，相應零件獲得數字編號.

檢測加工程序無誤后，各機床待機，產線正常運行，控制終端由操作者對已入庫的毛坯零件進行分組處理并發出加工指令，倉庫根據順序依次移動零件至出庫口，通過同步帶輪將零件移動至AGV小車接貨一側，待載物板運行至指定位置（遮擋紅外光即發出指令），小車按照預先設置于地面的磁條行進，移動至既定二維碼放置位置后停止移動再進行零件交接，接貨平臺在接貨一側定位零件待抓取位置，機械臂獲得指令抓取零件并將其中心對準機床夾具待加工位置，松開夾爪離開機床，關閉機床安全門運行加工程序，通過內置監測設備實時反饋零件尺寸數據，比對合格品進行下一道加工，具體方式與上述內容相似，不再贅述.

當零件全部特征加工完畢，最后一道加工過程自動記錄零件實際尺寸大小，小車通過交接平臺接貨移動至入庫口，重新對合格品進行編號，即完成智能制造全過程.

5 結語

本文以活塞零件為例簡單分析了智能制造產線的結構，通過制定加工工藝流程設計了三種典型夾具.由于國內對于此類產品已經有了較為完善的設計結構且經過了市場檢驗，所以此處設計的簡單夾具仍然存在諸多不足之處，部分影響參數也只是通過理論計算，例如膨脹體積只是通過熱膨脹系數粗略估算，并未得到實際加工過程中檢測數值對照.通過本次研究可以初步提供一些智能制造產線的設計規劃思路，其余類型的零件也可以有所參考.