專利名稱：一種鋼制活塞氣環(huán)的加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種活塞環(huán)的加工方法，具體說是一種利用壓力型線來加工單缸柴油機 用的鋼制活塞氣環(huán)的加工方法。
背景技術(shù)：
單缸柴油機活塞環(huán)目前全部采用鑄鐵材料，活塞環(huán)組的設計普遍采用"鍍鉻氣環(huán)+ 磷化氣環(huán)+整體油環(huán)或內(nèi)襯彈簧油環(huán)"的組合。鑄鐵環(huán)雖然憑借其特有的石墨結(jié)構(gòu)，提 高了工作過程中的自潤滑能力，但存在以下缺陷①因受材料強度的限制，為保證工作 及制造過程中不斷裂，活塞環(huán)的尺寸設計的較大，從而導致整個環(huán)組的質(zhì)量重，工作過 程中慣性力大，活塞環(huán)動態(tài)穩(wěn)定性差，機油耗高，難以滿足排放的需要；②鑄鐵氣環(huán)加 工路線鑄造一磨平面一粗車外圓一切口一粗鏜一修口一精車外圓一倒外角一修口一鍍 鉻一修口一精鏜—磨平面一珩磨外圓一修口一磨平面，可見鑄鐵環(huán)加工流程長、且成品
率低、設備投資大，整個環(huán)組的制造成本高，難以適應市場競爭的需要。
隨著技術(shù)的發(fā)展，需要一種活塞環(huán)薄、重量輕的活塞環(huán)一鋼制活塞環(huán)。由于鑄鐵材 料性能彈性模量100000N/mm2 ,硬度HRB96-106抗彎強度^350 N/mm2 ;而鋼材 料的性能參數(shù)彈性模量^210000N/mm2 ,硬度服C38-44材料具有可撓性。由于以 上特點，在保證同等彈力的情況下，活塞環(huán)采用鋼材料，通過幾何尺寸調(diào)整可進一步減 小環(huán)體質(zhì)量，減小工作過程中的慣性力。
為了增強活塞氣環(huán)的耐磨性，在加工過程中，需要對其表面進行氮化、鍍鉻等工藝 處理，但是由于活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)原因，氮化或鍍鉻后的活塞環(huán)從定型胎棒上拆下后會出現(xiàn) 縮口變形問題，從而導致產(chǎn)品的成品率低。如何減小氮化處理后的變形，是鋼制活塞環(huán) 加工方法中的一個噬待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種一種鋼制活塞氣環(huán)的 加工方法，其通過計算不同橢圓度要求的壓力分布型線，并充分考慮氮化縮口造成的型 線變化，對定型胎棒的尺寸加以改進，從而大大減小了氮化等程序處理后，氣環(huán)的變形 問題，提高了產(chǎn)品的成品率。
技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案 一種鋼制活塞氣 環(huán)的加工方法，它包括如下步驟繞制一去應力一剖口一定型一修口一磨平面一珩磨外圓一鍍鉻或氮化一修口一珩 磨外圓一修口一磨平面；其中，所述的定型步驟為將切口后的鋼制圓環(huán)套在定型胎棒 上，然后在爐中進行升溫、保溫處理后，再冷卻至室溫；所述定型胎棒的外圓極半徑R (0 )滿足下述條件，艮P R (e) =P ( e) -T;
定型胎棒的長徑D長、短徑D短分別滿足以下條件
D長2p (90° )-2T; D短-P (180° ) +P (0° )-2T
其中P (e)為活塞氣環(huán)自由狀態(tài)下外圓極半徑，T為活塞氣環(huán)徑向厚度。
本發(fā)明中，所述的活塞氣環(huán)外圓極半徑P ( 9 ) = R+H ; U=kk{l+(1—4) 6sin0 /2 + EAncosn e / (n2 —I)2 —C1}; C1=(A3/ 64 + A5 / 576 + A7 / 2304 + A9/ 6400 + All/14400) * Cos 6 4=￡(-l)nAn/"2 —1) 4>=9 — ri
il=kk{0—(1—O 6Cos9 /2+(1—C) e sine+EAnsinn8/ [n (n2 —I)2 ] 一C2)
C2=(A3/ 64 + A5 / 576 + A7 / 2304 + A9/ 6400 + All/14400) * sin 0 Kk=2m/ [3 it (D-T)]
其中R、 e為活塞氣環(huán)工作狀態(tài)半徑、工作狀態(tài)極角，活塞氣環(huán)的開口對面的角 度為0° ，開口處角度為180° ;
P (0)、巾為活塞氣環(huán)自由狀態(tài)下外圓極半徑、自由狀態(tài)的極角； U為活塞環(huán)由自由狀態(tài)壓縮到工作狀態(tài)的極半徑徑向位移量； r\為活塞環(huán)由自由狀態(tài)壓縮到工作狀態(tài)的極角變化量； kk為活塞環(huán)系數(shù)； m:活塞環(huán)自由狀態(tài)下開口； T:活塞環(huán)徑向厚度； D:活塞環(huán)缸徑； An:為活塞環(huán)壓力型線特征值。
有益效果1、相比較鑄鐵氣環(huán)工藝路線長，跨多車間加工，鑄鐵環(huán)工序綜合成品 率低，僅為80%，使用本發(fā)明的定型胎棒加工的鋼質(zhì)環(huán)氣的綜合成品率可達95%。
2、利用鋼的可撓性特點，采用成型鋼材繞制定型工藝，解決了鑄鐵材料繁瑣的機 加工工藝，縮短了制造周期，同時也減少了工序浪費，節(jié)約了工藝制造成本。


4圖示本發(fā)明的鋼制氣環(huán)套在定型胎棒上的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
以單缸柴油機鋼制活塞環(huán)組為例進一步本發(fā)明。柴油機鋼制活塞環(huán)組采用如下的 組合鋼質(zhì)桶形環(huán)(鍍鉻或氮化)+鋼質(zhì)錐環(huán)(氮化)+鋼帶組合油環(huán)(鍍鉻或氮化)。 氣環(huán)表面處理的選用必須保證持久的耐磨性，所以表面處理層要求厚、硬度高， 要能達到甚至超越鍍鉻的效果，采用氮化處理，根據(jù)氮化工藝特點選擇了氮化性能較好 的6Crl3Mo鋼作為基體材料。油環(huán)襯簧材料采用SUS304，著色處理，刮片環(huán)采用 SWRH72A(NHC-54)，鍍硬鉻。由于鋼經(jīng)氮化后變脆，刮片環(huán)在氮化后達到相當鉻層厚度 后，心部柔性組織變少，工作過程中容易造成斷裂，所以為保證工作可靠，氮化厚度不 可能達到鍍鉻層的厚度，針對這一問題，為保證工作可靠、壽命長，刮片環(huán)采用鍍鉻處 理，而相應的配組件襯簧采用著色處理。針對鍍鉻特點，刮片環(huán)采用SWRH72，襯簧采用 SUS304。
本發(fā)明的設計思路是型線設計基于兩個點與平均壓力的差值作為計算輸入值(180 度點、160度點)，然后通過計算推導計算出壓力特征參數(shù)，得出理論的壓力型線模型。 活塞環(huán)定型、氮化后，開口因環(huán)截面尺寸及后序加工造成不同程度的開口縮變，在程序 設計過程中要根據(jù)開口縮變量進行不同程度的修正，修整量從開口處呈一定的函數(shù)關(guān)系 逐步縮減。
角度0處壓力變化率函數(shù)A ( 9 ) = (P ( 0 ) —P0) /P0
且/ J1 A (e) d e =0
P ( 0 ):角度9處壓力數(shù) P0:數(shù)平均壓力
A (e):角度e處壓力變化率函數(shù)
若存在角度a ， A ( a )連續(xù)但導數(shù)不存在，設
A ( e ) =A+Bcos (e)o《e《a A ( 9 ) =C+Dcos (e) a《e《n
所以當9=180°C+Dcos (180° ) =U (1) 9=160°C+Dcos (160° ) =V (2) 8 = aC+Dcos ( a ) =A+Bcos (a) (3) 其中U、 V取值保證一定的差值，U>V， 一般13=0.7 ，V=0.45 ，可根據(jù)具體情況作 適當調(diào)整；
A、 B 、 C、 D為參數(shù)計算選用的過程數(shù)學參數(shù)，不代表具體含意。<formula>formula see original document page 6</formula> (e) de=o
Aa十Bsina+(it — a )C—Dsina =0 (4) 而根據(jù)富利葉余弦級數(shù)求壓力型線特征參數(shù)An有:Ar^2/:rr J ^ A ( e ) cosn 9 d 9
5)
因為EdpO所以An=2/n / o A ( 0 ) cosned0=O化簡得 (A-C) sina+(B-D) a/2+(B-D) sin (2a) /4+D/ (2n) =0 (6) 由1、 2、 3、 4、 5、 6公式化簡得
a+D/CX a cos a —D/CXsina _sinacosa=0 (7)
利用一維收索法，求出滿足公式7)的a值，并求出A、 B、 C、 D值
it a 3t
An=2/兀/ o A ( 0 ) cosn 0 d e =2/ n / 0 A ( 0 ) cosn 0 d 0+2/兀/ a A ( 9 )
cosn 9 d 0
最后求出A2、 A3、 A4、…… P ( e ) =P0 (l+EAncosn9 )
活塞環(huán)自由狀態(tài)下曲率半徑與角位移之間的關(guān)系如下 P ( 9 ) = R+y (8) U=kk{l+(1—;) 6 sine /2 +EAncosne/ (n2 —1) 2 —CI} C1=(A3/ 64 + A5 / 576 + A7 / 2304 + A9/ 6400 + All/14400) * Cos 0
l)nAn/"2 -l) 4>=e —ri (9) i\=k"e—(1—O eCose /2+(l—C) esine+EAnsirme/ [n(n2 —l)2 ] —C2}
C2=(A3/ 64 + A5 / 576 + A7 / 2304 + A9/ 6400 + All/14400) * sin 0
其中R、 e為活塞氣環(huán)工作狀態(tài)半徑、工作狀態(tài)的極角，活塞氣環(huán)的開口對面的 角度為0° ，開口處角度為180° ;
P (e)、 d)為活塞氣環(huán)自由狀態(tài)下外圓極半徑和極角； P為活塞環(huán)由自由狀態(tài)壓縮到工作狀態(tài)的極半徑徑向位移量； n為活塞環(huán)由自由狀態(tài)壓縮到工作狀態(tài)的極角變化量； kk為活塞環(huán)系數(shù)； .An為活塞環(huán)壓力型線特征值； 依據(jù)公式(8)、 (9)建立p (e)、 4)的關(guān)系。由于涉及到模具制作方便，小必須取整數(shù)(0， 2， 4， 6，…)，所有計算通過計算機編程算得。
以加工YC6G270-31鋼質(zhì)氣環(huán)為例，其工作狀態(tài)的活塞環(huán)直徑為111. 78mm，材料選 用NHC-52， 2.97*4.35，活塞環(huán)的高度為2. 97mm;活塞環(huán)的徑向厚度為4. 35隱。
其加工步驟為繞制一去應力一剖口一定型一修口一磨平面一珩磨外圓一鍍鉻或 氮化一修口一絎磨外圓一修口一磨平面，除了定型步驟外，其余加工步驟同現(xiàn)有技術(shù)。 如圖所示，D長、D短為活塞環(huán)內(nèi)孔安裝于定型胎棒上時，實際的定型胎棒的外圓 長徑、短徑尺寸即R ( e) =p ( 9 ) -T;
R ( 0)為定型胎棒的極半徑，p (e)為活塞氣環(huán)自由狀態(tài)下的外圓極半徑；T 為活塞環(huán)徑向厚度。
由此推出，定型胎棒的長徑D長、短徑D短分別滿足以下條件 D長2p (90° )-2T; D短^p (180° ) +p (0° )-2T 可以得出
D長2p (90。 )-2T=2X58. 916—2X4. 35=109.13mra
D短-p(180。 ) +p(0。 )-2T=57. 759+57. 704-2X4. 35=106. 76mm。
其中活塞環(huán)外圓極半徑p ( e ) = R+u ; u=kk{l+(l—" 8sin9 /2 + EAncosn 0 / (n2 -l) 2 -C1}; C1=(A3/ 64 + A5 / 576 + A7 / 2304 + A9/ 6400 + All/14400) * Cos 0 "E(-l)nAn /( n2 —1) 4>=e _ il
i\=kk{e—(1—O 9Cos0 /2+(1—O 9 sin9+EAnsinn0/ [n (n2 —1)2 ] 一C2)
C2=(A3/ 64 + A5 / 576 + A7 / 2304 + A9/ 6400 + All/14400) * sin 0
kk =2m/ [3 it (D-T)]
其中R、 e為活塞氣環(huán)工作狀態(tài)半徑、工作狀態(tài)極角，活塞氣環(huán)的開口對面的角 度為0° ，開口處角度為18(T ;R在本實施例中的工作狀態(tài)半徑值為55. 89(4> 111. 78/2) mm;
p (e)、 d)為活塞氣環(huán)自由狀態(tài)下外圓極半徑、自由狀態(tài)的極角； 為活塞環(huán)由自由狀態(tài)壓縮到工作狀態(tài)的極半徑徑向位移量，由程序設計計算得 至U; u取值90°處為3.026， 180°處為1.869， 0°處為1.814;
il為活塞環(huán)由自由狀態(tài)壓縮到工作狀態(tài)的極角變化量； kk為活塞環(huán)系數(shù)；kk取值為0.034;ra:活塞環(huán)自由狀態(tài)下開口； m取值為15.7mm; T:活塞環(huán)徑向厚度；T取值為4.35mm;
D:活塞環(huán)缸徑；D取值為111.78;
An:為活塞環(huán)壓力型線特征值。
由于以上技術(shù)的突破，使得單缸柴油機活塞環(huán)由鑄鐵環(huán)組設計改為鋼質(zhì)環(huán)成為可能，
目前，利用該項技術(shù)加工的活塞環(huán)成品率達到95%以上。
8
權(quán)利要求
1、一種鋼制活塞氣環(huán)的加工方法，其特征在于，它包括如下步驟繞制→去應力→剖口→定型→修口→磨平面→珩磨外圓→鍍鉻或氮化→修口→珩磨外圓→修口→磨平面；其中，所述的定型步驟為將切口后的鋼制圓環(huán)套在定型胎棒上，然后在爐中進行升溫、保溫處理后，再冷卻至室溫；所述定型胎棒的外圓極半徑R(θ)滿足下述條件，即R(θ)＝ρ(θ)-T；定型胎棒的長徑D長、短徑D短分別滿足以下條件D長＝2ρ(90°)-2T；D短＝ρ(180°)+ρ(0°)-2T其中ρ(θ)為活塞氣環(huán)自由狀態(tài)下的外圓極半徑，T為活塞氣環(huán)的徑向厚度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼制活塞氣環(huán)的加工方法，其特征在于所述的活塞氣環(huán) 外圓極半徑P ( e) = R+U ;U=kk{l+(1—O 9 sine /2 +￡Ancosn0/ (n2 —1) 2 —CI}; C1=(A3/ 64 + A5 / 576 + A7 / 2304 + A9/ 6400 + All/14400) * Cos e "S(-1)11An/"2 —1) 4>=0 — iin=kk{0—(1—O eCos6 /2+(1—4) 0 sin 0+EAnsinn e / [n (n2 —1) 2 ] —C2}C2=(A3/ 64 + A5 / 576 + A7 / 2304 + A9/ 6400 + All/14400) * sin 0 Kk=2m/ [3n (D-T)]其中R、 9為活塞氣環(huán)工作狀態(tài)半徑、工作狀態(tài)極角，活塞氣環(huán)的開口對面的角 度為0° ，開口處角度為180° ;P (8)、 4)為活塞氣環(huán)自由狀態(tài)下外圓極半徑、自由狀態(tài)的極角；為活塞環(huán)由自由狀態(tài)壓縮到工作狀態(tài)的極半徑徑向位移量； q為活塞環(huán)由自由狀態(tài)壓縮到工作狀態(tài)的極角變化量； kk為活塞環(huán)系數(shù)； m:活塞環(huán)自由狀態(tài)下開口； T:活塞環(huán)徑向厚度； D:活塞環(huán)缸徑； An:為活塞環(huán)壓力型線特征值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋼制活塞氣環(huán)的加工方法，包括如下步驟繞制→去應力→剖口→定型→修口→磨平面→珩磨外圓→鍍鉻或氮化→修口→珩磨外圓→修口→磨平面；其通過計算不同橢圓度要求的壓力分布型線，并充分考慮氮化縮口造成的型線變化，對定型胎棒的尺寸加以改進，從而大大減小了氮化等程序處理后，氣環(huán)的變形問題，提高了產(chǎn)品的成品率。相比較鑄鐵氣環(huán)工藝路線長，跨多車間加工，鑄鐵環(huán)工序綜合成品率低的缺點，使用本發(fā)明的定型胎棒加工的鋼質(zhì)環(huán)氣的綜合成品率可達95％。利用鋼的可撓性特點，采用成型鋼材繞制定型工藝，解決了鑄鐵材料繁瑣的機加工工藝，縮短了制造周期，同時也減少了工序浪費，節(jié)約了工藝制造成本。
文檔編號F02F5/00GK101649790SQ20091018121
公開日2010年2月17日 申請日期2009年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月20日
發(fā)明者麗 李, 國 艾, 黃代鳳 申請人:南京飛燕活塞環(huán)股份有限公司