活塞应力应变分析与加工质量控制方法研究

　　摘要:从活塞铸造成型过程中产生的铸造应力出发，分析了加工应力和装夹应力和切削应力的产生，选择了合适的检测设备及方法，实现对活塞毛坯的应力应变测量以及装夹和切削过程中活塞的应力应变的测量，并给出了合理性的解决方法。能实现对活塞的加工过程进行模拟，可以研究加工过程中活塞应力应变的动态变化规律，为改善工艺，提高加工精度和获得更高的加工质量提供指导。

　　关键词:活塞,应力,加工

　　活塞是柴油发动机的重要零件之一，其性能的好坏直接影响到柴油发动机的工作可靠性和耐久性。活塞裙部是活塞的重要组成部分，它的加工质量直接影响到活塞的性能，从而影响整个柴油发动机的服役性能。

　　1发展现状

　　我国在小功率中、高转速或大功率中、低转速柴油机的研究已具有相当的基础，但在同时兼有高速/超高速和大功率等特点的高性能柴油动力装备方面，由于其重要零部件和动力装置子系统在先进设计和精密/超精密加工以及系统集成技术方面的限制，我国的总体水平和先进国家相比仍然差距较大。在美国，活塞-缸套系统的精密加工技术作为高性能柴油机设计制造的核心技术模块之一，受到了美国政府部门的持续性支持。

　　2存在的主要问题

　　活塞、缸套和缸盖等是活塞组-缸套系统的关键部件，因各部件结构特殊，活塞组的结构复杂、壁厚变化较大，其在铸造过程中导致无法顺序凝固，内部疏松较多，销孔无法铸出，铸造难度大。活塞靠近燃烧室的顶部工作面、活塞销座部位经常存在缩孔、缩松缺陷，此两处导致铸件废品率较高，成品率低，无法满足生产需要，因此主要依赖于进口。

　　目前工艺条件下，由于活塞顶部与内浇道连接，充型结束时该部位属于高温区域，从而活塞顶部存在热节。凝固过程中，铸件薄壁处冷却速度快，活塞顶部热节处自身收缩也增大，同时其周边薄壁部位共晶凝固时对热节部位铁液有抽吸作用，较小的石墨化膨胀不足以弥补凝固收缩，从而活塞顶部易出现缩孔缩松。

　　3研究内容及解决方法

　　(1)铸造过程应力与应变的预测和控制。

　　借助有限元软件进行建模，对活塞毛坯充型凝固过程进行数值模拟仿真计算，预测铸造过程活塞毛坯的应力应变分布情况，研究铸造过程中的应力应变产生及变化规律，实现对铸造过程活塞毛坯的应力应变进行控制。

　　(2)活塞制造过程中应力应变的测量。

　　采用钻孔法测量毛坯残余应力。通过对毛坯关键部位钻孔，并贴上应变片，通过应变仪测得应变片的应变变化情况，通过计算机软件分析得到该钻孔处应力分布情况;通过对毛坯关键部位进行多点钻孔操作，进而求得毛坯上多点应力分布状况。

　　(3)加工过程应力与应变的预测与控制。

　　借助有限元软件建立活塞的三维模型，通过改变切削加工工艺参数及材料特性参数，得到活塞表面的应力应变变化规律。基于数值分析及统计学原理，建立工艺参数与活塞加工过程应力应变的映射关系模型，从而实现对加工过程中活塞的应力应变的预测。通过模拟不同加工参数条件下的活塞切削加工过程，得到活塞表面的应力应变分布，以便选择合适的工艺参数使活塞的应力应变减小。根据仿真模拟结果，调整实际切削加工过程中的工艺参数，测量加工后活塞的应力应变以修正活塞应力应变的预测与控制模型。

　　(4)夹紧过程应力与应变的预测与控制。

　　基于有限元软件建立夹具与活塞的三维模型，通过改变夹紧块的位置及夹紧力的大小等参数，分析不同夹紧方式下活塞表面应力应变的变化规律。基于数值分析及统计学原理，建立夹紧过程中活塞的应力应变的预测与控制模型。通过反演得到能够有效减少活塞应力应变时的夹紧方式、夹紧位置及夹紧力的大小参数。根据仿真模拟结果，在实际加工环境中对活塞的夹紧方式、夹紧位置及夹紧力大小进行试验，获得活塞的应力应变情况，以修正夹紧过程中活塞应力应变的预测与控制模型。

　　(5)环境温度对应力应变影响规律的预测。

　　设计正交试验，对不同环境温度下的活塞加工应力应变进行测量。根据实验测量结果，利用计算机软件模拟温度变化与活塞应力应变的非线性映射关系模型。

　　(6)加工过程中活塞应力应变的动态仿真。

　　基于有限元分析软件，考虑活塞毛坯的残余应力，集成环境温度、切削加工与装夹之间的耦合关系，建立活塞毛坯的三维模型，设定实际加工中的材料特性参数和加工参数等，模拟活塞的切削加工过程，分析活塞应力应变的分布情况，优选能有效提高活塞加工质量的工艺参数。

　　4结语

　　根据活塞工艺加工的特点及成型特点，选择了合适的检测设备及方法，实现对活塞毛坯的应力应变测量以及装夹和切削过程中活塞的应力应变的测量。可以通过仿真模拟和实验验证相结合，研究活塞切削加工过程中应力应变的分布情况。分析了加工过程中影响应力应变的原因，研究了装夹对活塞应力应变的影响;分析了环境温度对活塞应力应变的影响。基于上述分析，可以对活塞的加工过程进行模拟，能研究加工过程中活塞应力应变的动态变化规律，为我们调整工艺参数、形成稳定的工艺路线，提高加工精度和获得更高的加工质量提供指导。

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