基于电控单体泵柱塞孔的珩磨加工装夹方案优化*

李晨光，苏铁熊，张艳岗，郭巨寿，赵亚波

(1.中北大学 机电工程学院，太原 030051；2.北方通用动力集团有限公司，山西 大同 037036)

0 引言

随着科学技术的发展，现代柴油机的加工精度越来越高，这就导致了其内部关键部件单体泵柱塞孔精加工要求的提高。由此，珩磨工艺逐渐发展起来。珩磨是一种面接触磨削工艺，相较于其他的磨削工艺，它加工精度高、表面质量好、应用范围广、切削效率高，是一种优秀的精加工手段。目前，很多企业与工厂都选用珩磨进行机械表面精加工。然而，由于缺乏理论上的指导及技术上的漏洞，国内珩磨装夹工艺在过去很长一段时间内依然保持在靠以往的试验经验基础上来研究，其结果并不科学可靠。因此，国内大量学者对此进行了深入研究：薛庆恩等[1]对柴油机摇臂内孔的珩磨夹具进行了设计与研究；王谦[2]对发动机缸孔珩磨时夹具对形状精度的影响进行了研究；中北大学的史丽媛、祝锡晶团队[3]设计了一种发动机缸套专用的超声振动珩磨夹具；樊永彬等[4]研究了不同尺寸的珩磨油石对珩磨头效率的影响情况；许彪[5]对珩磨力的数学模型构建进行了研究；张艳岗等[6]对切削加工中的轨迹进行了数值模拟分析；顾苏怡等[7]研究了珩磨油石制备及选用的发展状况；杨云江，张斌，杨立等[8-10]分别就各自不同的学科方向，对珩磨的数控仿真、工艺优选、网纹质量进行了深入的学习与研究。

综上所述，珩磨加工工艺的研究已相对成熟，相关领域还有待进一步探索。研究通过对柴油机内关键部件—单体泵柱塞孔进行分析，基于Abaqus软件，对其装夹方案进行对比，探讨其应力应变情况，最后基于珩磨加工仿真模拟，优选珩磨装夹方式。

1 柱塞孔珩磨机理与变形分析

1.1 柱塞孔珩磨机理

电控单体泵是用于产生喷油器(或喷射器)的喷射压力装置。由于内含复杂的燃油喷射系统，其内部关键部件—柱塞孔的加工和工作情况就非常重要。因此，采用高效高精度的珩磨是一种行之有效的加工方法。

如图1所示，柱塞孔珩磨的机理是利用装夹在珩磨头周围的数根油石条，在涨开机构的作用下径向微量进给，使油石条压向柱塞孔孔壁。与此同时，珩磨头开始做旋转和往复直线运动，对孔表面逐步进行低速磨削和摩擦抛光。因为油石条每一行程都会错开一个角度，内孔表面在油石磨粒的切削作用下会产生交叉且不重复的网纹，这有助于柱塞孔的储油润滑和稳定工作。

图1 柱塞孔珩磨示意图

1.2 珩磨变形分析

1.2.1 切削力产生的变形

(1)变形原因

在单体泵柱塞孔的珩磨过程中，油石刀具在径向旋转切削、轴向往复切削和径向施加压力形成加工余量时，必然会产生各种力的接触，进而造成工件的应变；油石与柱塞孔内壁之间存在着摩擦，为了克服这些摩擦，内壁也会产生相应的变形。而这些形变量的大小直接取决于装夹方式的优劣。

(2)影响因素

珩磨切削力的大小主要取决于切削中磨粒嵌入工件表面的深度及切除这一部分金属所需的力。而影响嵌入量及切除难易的因素又有很多，如进给力、油石面积、装夹方式、被加工零件的珩前状况及材质、油石的磨料、硬度、组织、切削液性能和机床的工艺参数等。

1.2.2 残余应力产生的变形

(1)产生原因

残余应力是指当工件没有承受外载荷时，工件在自身内部结构作用力的作用下达到平衡状态时的应力。产生残余应力的原因有很多，大致分为三种：不均匀塑性变形、残余热应力、材料性能改变。这在珩磨过程中是经常存在的，因此残余应力不可避免。

(2)影响方式

珩磨加工产生的残余应力，会使工件表面产生形变。孟龙晖等[11]通过用X射线衍射的测量方式，结合有限元方法(FEM)，得出了内孔残余应力的应变与压力影响曲线。该研究表明，当处于工作状态时，残余应力和外界载荷会交叉作用；如果存在叠加效应且叠加后应力达到极限水平，工件将产生塑性变形。一旦形成塑性变形，工件在使用中的有效截面积减小，工件的硬度、耐腐蚀性等会受到较大影响。综上所述，必须采用合理的装夹方式以限制外载荷过载，减少残余应力的间接作用。

1.2.3 夹具产生的变形

(1)变形原因

在单体泵柱塞孔的珩磨过程中，由于机床存在误差，且刀具给定的压力有稳定性的问题，无论是将通孔或盲孔的端面加以夹装固定，还是在孔的圆周四面加以固定，在油石旋转进给与往复的过程中，都不可避免的会产生变形与应力变化。这些变化在卸载夹具之后会明显的呈现出来。因此，夹具体的好坏，对于整个工艺流程的进展，有至关重要的作用。

(2)理论分析

1)由于通孔的结构比盲孔简单规整，加工过程中稳定性要好一些，因此盲孔的变形应该会比通孔大些；

2)由于零件较长，端面固定会影响到中间段的稳定度，因此端面固定的变形应该会比圆周固定大些。

1.2.4 总结

综上所述，装夹方案的选择在限制工件变形上起到了至关重要的作用。从理论上分析，先将单体泵加工成通孔(喷油管道可以先加工出来)，然后采用圆周夹紧方式固定；选取速度和压力后，确定总加工余量，进而采取先粗珩后精珩的方法，每步的加工余量从多到少；另外，为了确保残余应力的降低和卸载，应选取适当摩擦系数的油石刀具和与之相对应的稳定的有排屑功能的夹具。只有这样，单体泵泵体的加工工艺质量才能得到保证。

2 珩磨装夹模型建立

根据实际生产要求，在单体泵内部，柱塞孔与高压油道连接，且有特定夹角。实验利用三维建模软件，建立了图2所示的单体泵模型。然后，将其导入有限元软件中，建立相关的装夹模型，进行仿真分析。

图2 单体泵模型

仿真前，采用有限元分析方法模拟装夹方式，对单体泵柱塞孔这部分进行了抽取，设计了四种不同的装夹方案来进行珩磨模拟切削仿真，分别是：通孔端面固定、通孔圆周固定、盲孔端面固定、盲孔圆周固定。

表1 装夹方式示意图

对于计算的结果，首先，将各个方案的应力云图提取出来，找到应力云图中薄弱的环节进行观察，然后检查最大应力的部位对柱塞孔的影响程度；其次，提取了夹具反力，借此考察其残余应力的大小以及变化情况；最后，提取了各个截面的直线度、圆度以及圆柱度，观察其内壁变形情况。最后，综合选择哪种装夹方式更为优秀。

3 珩磨有限元仿真分析

如表2所示，根据工厂的实际生产条件，选取了5种珩磨工艺，并优选了方案4作为边界条件来进行夹具方案的优选。

表2 不同工艺方案的详细参数

首先，在后处理可视化中将模型沿轴线方向截开。观察内孔表面状态，如表3所示。

表3 应变与反力

表3中左图表示的是柱塞孔内壁加工后的应力变形情况。由图可知，当孔型相同时，端面固定应力值较大，分布面积也大；圆周固定应力值较集中，只是很少一部分受力较大，且有些受力较大的部分已被珩掉，不在变形范围内。当装夹方式相同时，通孔结构较规整，相对盲孔而言，受力更均匀，残余应力也较小。

右图表示柱塞孔在珩磨过程当中受到的反力在x、y、z三个方向上随时间的变化趋势。由图可知，开始加工时，油石对材料的冲击效果使得x方向上受力较大；通孔圆周固定受到的支反力最小，约为287N。当孔型相同时，在轴向(z)方向上，端面固定受力比圆周固定要大，且随着时间推移，圆周固定明显比端面固定稳定。当装夹方式相同时，通孔受力比盲孔更加均匀。因此，初步确定选择通孔圆周固定进行加工。

(a) 直线度 (b) 圆度图3 path方法采点轨迹

其次，采点取轨迹，测量模型的直线度与圆度：选取模型外圆最上端节点测量以代表直线度；选取外孔最外端边上节点测量以代表圆度。由于选取的是外圆端口路径测量，除孔口外，各截面的圆度相对保持较好，所以圆柱度主要是受到孔口圆度的影响[2]。因此，只要保证柱塞孔孔口的圆度即可保证其圆柱度。基于此，本实验就以圆度代表圆柱度，采点轨迹如图3所示。测试结果如表4所示。

由图可得，在直线度上，圆周固定由于路径选取经过了其中两个夹具的固定位置，所以呈“双凹形”；盲孔端面固定由于仅固定了孔口，未固定盲孔端，因此其直线度非常不好，切削过程中产生很大偏移，不建议选择。在圆度和圆柱度上，端面固定由于两个夹具限制位移，所以也呈“双凹形”。

从整体观察，圆周固定形位公差较小，而且有规律可循，且珩磨加工应选择通孔这种规则且排屑容易的孔型才更稳定高效。所以，优选通孔圆周固定装夹方案。

最后，对以上仿真数据结果做了提取及汇总，如表5所示。对比仿真分析结果，可以发现通孔圆周固定为最优加工工艺方案。本方案优选的结果可为后续的珩磨加工试验提供理论指导，同时可通过试验加工来验证理论研究的可靠性和有效性。

表4 直线度与圆度变化对比图

表5 仿真结果

从以上曲线图的变化和提取的数据可以看出，无论采取何种装夹方案，珩磨工艺在精度高的同时又有好的稳定性，是一种优秀的机械精加工方法，有极强的发展潜力。

4 结论

内孔珩磨加工技术有效率高、精度高的优点。研究以电控单体泵柱塞孔为对象，对珩磨加工装夹方案进行了理论变形分析和工艺仿真优选，主要结论如下：

(1)针对单体泵柱塞孔加工环境和工作条件的不同，文中分析了其特定的珩磨加工机理及变形方式，这可以为柱塞孔珩磨工艺试验验证提供理论指导；

(2)由于材料属性设置困难、动力显式求解后处理复杂、材料去除迭代计算量庞大等，珩磨加工的仿真过程一直是有限元分析的难题。文中研究所施加的边界条件以及参考点耦合的简化装夹方式等都可以为相关的珩磨加工仿真提供参考；

(3)利用有限元后处理中的path方法可以准确提取出珩磨加工后的直线度、圆度以及圆柱度。文中以直线度、圆度以及圆柱度为评价指标，对四种不同的珩磨装夹方案进行了优选。研究表明，在单体泵柱塞孔珩磨加工中，圆周装夹方式要比端面更加稳定和可靠，通孔加工比盲孔加工变化要更小，因此，试验应优选通孔圆周固定进行加工生产。这与之前的变形理论分析一致，也为下一步试验验证工作的开展提供了理论指导。

[1] 薛庆恩，高光波，王海南,等.柴油机摇臂内孔珩磨夹具的设计与应用[J].机械制造，2014，52(1)：71-73.

[2] 王谦，刘立伟.缸孔珩磨加工中夹具对其形状精度的影响[J].APC联合学术年会论文集，2014，65(7)：318-320.

[3] 史丽媛，祝锡晶，郭策,等.发动机缸套超声振动珩磨专用夹具的设计[J].机械设计与制造，2013(1)：17-19.

[4] 樊永彬，王付星，胡相捧.珩磨头高效珩磨油石的尺寸设计[J].煤矿机械，2016(5)：23-25.

[5] 许彪，王亚杰.珩磨力的数学模型研究[J].装备制造技术，2016(1)：26-28,42.

[6] 张艳岗，苏铁熊，毛虎平,等.基于真实轨迹的高强度铝合金铣削加工数值模拟[J].组合机床与自动化加工技术，2014(1)：153-155,160.

[7] 顾苏怡，周正存，石慧林，等.珩磨油石制备与选用研究进展[J].工具技术，2015，49(1)：3-6.

[8] 杨云江.数控珩磨加工过程的分析与仿真[D].兰州：兰州理工大学，2013.

[9] 张斌.高精度内孔珩磨技术研究及工艺方案优选[D].太原：中北大学，2016.

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[11] Meng Longhui，He Ning，Yang Yinfei，et al. Method for Measuring Residual Stresses Induced by Boring in Internal Surface of Tube and Its Validation with XRD Method[J]. Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics (1005-1120)，2014，31(5)：508-514.