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【摘要】 发动机气缸是汽车发动机的关键部件，发动机气缸孔作为孔加工的典型零件，它的加工质量直接影响着发动机的各项性能。在精镗气缸孔过程中，由于推镗刀杆长、刚性差等问题，容易造成气缸孔的腰鼓状。本文针对气缸孔精镗加工过程中易出现腰鼓状的问题，提出采用一種新型推、拉镗相结合的推拉镗刀杆结构，采用自适应控制技术进行刀具磨损补偿，实验结果表明，采用该加工方法能有效控制误差，大幅度提高气缸孔的加工精度。
【关键词】 气缸孔；推拉镗；腰鼓状；精加工
截至目前，国内外大多数机床厂在设计发动机机体气缸孔、曲轴轴瓦孔、凸轮轴轴瓦孔等典型孔精镗工艺时，基本上都采用细长镗杆推镗工艺。机械加工中，一般规定孔长径比大于等于5时为深孔，这种孔在镗削过程中，推镗杆易发生振颤。发动机气缸孔属于此类典型零件。因为推镗杆在振颤过程中加工时，精度难以达到设计要求的粗糙度、圆柱度、同轴度甚至尺寸精度等问题，容易发生切削刀具切削刃产生裂纹萌生进而崩裂，剥落等非正常磨损，直接影响了孔的加工质量。为提高精镗加工时的精度，工艺上通常采用提高工艺系统刚度、设置合理的切削参数等方法解决，但在高长径比等条件下，仍然无法获得设计所需的加工表面质量。
1 气缸孔精镗加工方法及存在的问题
发动机气缸孔的圆柱度要求较高，且属于典型的深孔结构，镗削加工过程中很容易因镗杆刚度不足而导致刀具的退让，由于发动机缸体孔的轴线方向上的径向壁厚分布不均匀，孔的轴线上下两端较厚，中间部份较薄。发动机气缸要保证活塞、连杆以及曲轴等运动部件的相互位置准确，气缸孔圆柱度误差必需限制在一定的范围内。
常规的镗孔方法无非就是先拉镗后推镗或者先推镗后拉镗，加工出来的气缸孔的形状必然是腰鼓状，使得被镗削孔的圆柱度不高。而采用提高工艺系统刚度的方法会受到孔的技术条件限制，并不能完全解决气缸孔镗削精度不高的问题，同时在加工过程中刀具的不断磨损会引起不同加工孔的尺寸不一致。在一般数控系统中设置人工补偿命令，根据工件的线外检测结果或经验判断刀具磨损情况来设定补偿量，这种补偿会在一批被加工孔中引起明显的尺寸不一致，虽然在公差范围内有装配互换性，但装配性能会因刀具的磨损状态不同而不同，直接影响机器的装配精度。
2 推拉镗刀杆设计
针对以上加工中存在的问题，设计了一种新型的推拉镗杆，前端安装有5刀片（半精镗3片，精镗2片）的镗刀盘。镗杆下行时可对气缸孔实施快速半精镗加工。当镗杆下行至终了位置后刀具补偿伺服电机启动，通过镗杆芯部拉杆的斜面推动精镗刀片伸出至工作位置。其后镗杆上行，完成气缸孔的最终精镗加工。由于半精镗与精镗两工序主轴轴线相对于工件未发生变化，精镗刀片的负担大为减轻，延缓了精镗刀片的磨损。另一方面，精镗刀片的工作位置可由伺服电机精确定位，故可实现刀具磨损后进行补偿的功能。
采用新型推拉镗刀杆及伺服补偿机构稳定加工精度，推拉镗刀杆的前端安装有半精镗刀片、精镗刀片。镗刀杆下行时可对气缸实施快速半精镗加工。当镗刀杆下行至终了位置后，刀具补偿伺服电机启动，通过镗杆芯部拉杆的1°斜面推动精镗刀片伸出至精镗尺寸的工作位置，其后镗杆上行，完成气缸孔的最终精镗加工。精镗孔刀具镗孔时，其孔的侧母线通过编程可形成曲线，或不规则的直线。通过对腰鼓形状参数测量分析计算，将反腰鼓状的参数输入数控程序进行精镗加工。由于半精镗与精镗两工序主轴轴线相对于工件没有发生变化，精镗刀片的负担大为减轻，延缓了精镗刀片的磨损。精镗刀片的工作位置由伺服电机精确定位，可轻松实现刀具磨损后进行自动补偿的功能。为了保证镗削发动机气缸孔圆柱度要求，设计采用了推拉镗刀杆同轴分次半精镗与精镗气缸孔，并配合伺服补偿，保证了发动机机体重要技术指标。主要方法：采用推拉镗杆及伺服补偿机构稳定尺寸精度。
3.加工误差补偿
3.1圆柱度误差补偿
在大多数国外机床上，推拉镗刀杆精镗刀的伸缩多采用了液压驱动。当半精镗孔进行时，精镗刀必需让刀，半精镗孔结束时，伸出至精镗尺寸。而采用的精镗刀的伸缩驱动选用了伺服电机驱动，这种方式除具备上述功能外，还能在精镗孔时，让控制镗刀伸缩的伺服电机和Z轴伺服电机一起走插补程序，也就是说，精镗孔刀具镗孔时，其孔的侧母线通过编程可形成曲线，或不规则的直线，此功能对此类机床尤其重要。分析发动机气缸孔的结构形状可知，气缸孔不仅孔壁薄，而且轴线方向上径向的壁厚分布不均匀。轴向表现为上下孔口很厚，中间很薄，常规的加工方法加工得到的孔的形状必然是腰鼓状，圆柱度偏大。如果精镗孔刀具镗孔时，通过程序的设定，让精镗孔刀具加工出反腰鼓状，其必然会提高气缸孔的圆柱度。这种反腰鼓状的轨迹方程对于不同种工件，必然不一样，但同种零件其轨迹方程应当近似。
实验在GTMK104型机床上开展四、六缸缸体直线加工，各加工5件，并对10件工件进行24小时恒温处理，然后将工件分别放在三坐标测量机上进行检测，测出腰鼓形状参数，通过分析计算，将反腰鼓状的参数输入数控程序；再对四缸、六缸缸体各加工5件，重复上述程序，检测出新生成的腰鼓形状，通过分析计算，将反腰鼓状的增量参数输入数控程序，试验结果表明，经过3次的参数修整，达到要求的圆柱度。
3.2刀具磨损补偿
针对传统镗削方式存在的因镗杆刚度不足而导致的刀具退让，使得被镗削孔的圆柱度不高的问题，可采用增加工艺系统结构刚度的方式，例如可增加机床结构刚度、增加镗杆直径和镗刀头尺寸等。这些方式虽然能在很大程度上提高镗削精度，但在实际使用中会受到很多限制。例如镗削孔较小时，镗杆的直径就无法增大等问题。由此不难看出一味地提高机床的刚度并不能完全解决镗削加工精度不高的问题。这就需要采用先进的控制技术来实现孔的高质量、高效益加工。自适应控制技术的引入将能很好地解决这一问题。
在机床对气缸孔加工过程中，针对刀具的磨损情况和镗杆的变形情况，采用负载自适应控制方式。所谓“自适应”，一般是指系统按照环境的变化，调整其自身使其行为在新的或者已改变的环境下，达到最好或者至少是容许的特性和功能，这种对环境变化具有自适应能力的控制系统称为自适应控制系统。该方法能根据数控加工气缸孔中通过间接测量到的负载值，运用逻辑算法，自动给出气缸孔加工在此负载下，相应的刀具进给速度及退让量，使刀具的进给速度和补偿量能随着负载的变化而相应地发生变化，从而保证负载在整个加工过程中保持相对平稳，使刀具能加工出一个直线轨迹，以保证加工孔的圆柱度。这样能使加工过程保持平稳，达到提高加工质量和延长设备寿命的目的。
在加工过程中，刀具的不断的磨损会引起不同的加工孔的尺寸不一致，对一种型号的发动机，气缸孔的尺寸应保持在一定的公差范围内，以保证气缸孔与缸套的配合达到精度要求。在一般数控系统中，设置了人工补偿的数控命令，刀具的磨损补偿是由人工对工件的线外检测和经验判断刀具的磨损情况来设定补偿量，这种补偿会使工件上的被加工孔存在明显的尺寸不一致，虽然都在公差范围内，有装配互换性，但装配性能会因刀具的磨损状态不同而不同。研究和采用了实时补偿技术，针对刀具的磨损情况不同使刀具进行实时补偿，一方面使刀具有2μm级的自动调整能力，另一方面通过刀具的磨损状态的自动检测来自动判断刀具的磨损情况，并且使两方面结合实现刀具磨损的自动补偿。
结论
本气缸孔推拉镗加工方法在某发动机的气缸体的加工中进行了应用。精镗孔刀具镗孔时通过程序的设定，让精镗孔刀具加工成反腰鼓状，推、拉镗刀杆处于同一个轴线上，分半精镗与精镗两次加工，缩短了刀杆的长度，增加了刀杆的刚性，提高了气缸孔的圆柱度，减少加工的误差复映。试验结果表明该方法有效地提高气缸孔的加工精度。
参考文献：
[1] 彭浪，曹武.发动机气缸孔压板镗珩加工工艺研究[J].内燃机工程， 2004（3）：75-79.
[2] 贺国光.自适应控制系统[M].天津： 天津大学出版社，1988.
【关键词】 气缸孔；推拉镗；腰鼓状；精加工
截至目前，国内外大多数机床厂在设计发动机机体气缸孔、曲轴轴瓦孔、凸轮轴轴瓦孔等典型孔精镗工艺时，基本上都采用细长镗杆推镗工艺。机械加工中，一般规定孔长径比大于等于5时为深孔，这种孔在镗削过程中，推镗杆易发生振颤。发动机气缸孔属于此类典型零件。因为推镗杆在振颤过程中加工时，精度难以达到设计要求的粗糙度、圆柱度、同轴度甚至尺寸精度等问题，容易发生切削刀具切削刃产生裂纹萌生进而崩裂，剥落等非正常磨损，直接影响了孔的加工质量。为提高精镗加工时的精度，工艺上通常采用提高工艺系统刚度、设置合理的切削参数等方法解决，但在高长径比等条件下，仍然无法获得设计所需的加工表面质量。
1 气缸孔精镗加工方法及存在的问题
发动机气缸孔的圆柱度要求较高，且属于典型的深孔结构，镗削加工过程中很容易因镗杆刚度不足而导致刀具的退让，由于发动机缸体孔的轴线方向上的径向壁厚分布不均匀，孔的轴线上下两端较厚，中间部份较薄。发动机气缸要保证活塞、连杆以及曲轴等运动部件的相互位置准确，气缸孔圆柱度误差必需限制在一定的范围内。
常规的镗孔方法无非就是先拉镗后推镗或者先推镗后拉镗，加工出来的气缸孔的形状必然是腰鼓状，使得被镗削孔的圆柱度不高。而采用提高工艺系统刚度的方法会受到孔的技术条件限制，并不能完全解决气缸孔镗削精度不高的问题，同时在加工过程中刀具的不断磨损会引起不同加工孔的尺寸不一致。在一般数控系统中设置人工补偿命令，根据工件的线外检测结果或经验判断刀具磨损情况来设定补偿量，这种补偿会在一批被加工孔中引起明显的尺寸不一致，虽然在公差范围内有装配互换性，但装配性能会因刀具的磨损状态不同而不同，直接影响机器的装配精度。
2 推拉镗刀杆设计
针对以上加工中存在的问题，设计了一种新型的推拉镗杆，前端安装有5刀片（半精镗3片，精镗2片）的镗刀盘。镗杆下行时可对气缸孔实施快速半精镗加工。当镗杆下行至终了位置后刀具补偿伺服电机启动，通过镗杆芯部拉杆的斜面推动精镗刀片伸出至工作位置。其后镗杆上行，完成气缸孔的最终精镗加工。由于半精镗与精镗两工序主轴轴线相对于工件未发生变化，精镗刀片的负担大为减轻，延缓了精镗刀片的磨损。另一方面，精镗刀片的工作位置可由伺服电机精确定位，故可实现刀具磨损后进行补偿的功能。
采用新型推拉镗刀杆及伺服补偿机构稳定加工精度，推拉镗刀杆的前端安装有半精镗刀片、精镗刀片。镗刀杆下行时可对气缸实施快速半精镗加工。当镗刀杆下行至终了位置后，刀具补偿伺服电机启动，通过镗杆芯部拉杆的1°斜面推动精镗刀片伸出至精镗尺寸的工作位置，其后镗杆上行，完成气缸孔的最终精镗加工。精镗孔刀具镗孔时，其孔的侧母线通过编程可形成曲线，或不规则的直线。通过对腰鼓形状参数测量分析计算，将反腰鼓状的参数输入数控程序进行精镗加工。由于半精镗与精镗两工序主轴轴线相对于工件没有发生变化，精镗刀片的负担大为减轻，延缓了精镗刀片的磨损。精镗刀片的工作位置由伺服电机精确定位，可轻松实现刀具磨损后进行自动补偿的功能。为了保证镗削发动机气缸孔圆柱度要求，设计采用了推拉镗刀杆同轴分次半精镗与精镗气缸孔，并配合伺服补偿，保证了发动机机体重要技术指标。主要方法：采用推拉镗杆及伺服补偿机构稳定尺寸精度。
3.加工误差补偿
3.1圆柱度误差补偿
在大多数国外机床上，推拉镗刀杆精镗刀的伸缩多采用了液压驱动。当半精镗孔进行时，精镗刀必需让刀，半精镗孔结束时，伸出至精镗尺寸。而采用的精镗刀的伸缩驱动选用了伺服电机驱动，这种方式除具备上述功能外，还能在精镗孔时，让控制镗刀伸缩的伺服电机和Z轴伺服电机一起走插补程序，也就是说，精镗孔刀具镗孔时，其孔的侧母线通过编程可形成曲线，或不规则的直线，此功能对此类机床尤其重要。分析发动机气缸孔的结构形状可知，气缸孔不仅孔壁薄，而且轴线方向上径向的壁厚分布不均匀。轴向表现为上下孔口很厚，中间很薄，常规的加工方法加工得到的孔的形状必然是腰鼓状，圆柱度偏大。如果精镗孔刀具镗孔时，通过程序的设定，让精镗孔刀具加工出反腰鼓状，其必然会提高气缸孔的圆柱度。这种反腰鼓状的轨迹方程对于不同种工件，必然不一样，但同种零件其轨迹方程应当近似。
实验在GTMK104型机床上开展四、六缸缸体直线加工，各加工5件，并对10件工件进行24小时恒温处理，然后将工件分别放在三坐标测量机上进行检测，测出腰鼓形状参数，通过分析计算，将反腰鼓状的参数输入数控程序；再对四缸、六缸缸体各加工5件，重复上述程序，检测出新生成的腰鼓形状，通过分析计算，将反腰鼓状的增量参数输入数控程序，试验结果表明，经过3次的参数修整，达到要求的圆柱度。
3.2刀具磨损补偿
针对传统镗削方式存在的因镗杆刚度不足而导致的刀具退让，使得被镗削孔的圆柱度不高的问题，可采用增加工艺系统结构刚度的方式，例如可增加机床结构刚度、增加镗杆直径和镗刀头尺寸等。这些方式虽然能在很大程度上提高镗削精度，但在实际使用中会受到很多限制。例如镗削孔较小时，镗杆的直径就无法增大等问题。由此不难看出一味地提高机床的刚度并不能完全解决镗削加工精度不高的问题。这就需要采用先进的控制技术来实现孔的高质量、高效益加工。自适应控制技术的引入将能很好地解决这一问题。
在机床对气缸孔加工过程中，针对刀具的磨损情况和镗杆的变形情况，采用负载自适应控制方式。所谓“自适应”，一般是指系统按照环境的变化，调整其自身使其行为在新的或者已改变的环境下，达到最好或者至少是容许的特性和功能，这种对环境变化具有自适应能力的控制系统称为自适应控制系统。该方法能根据数控加工气缸孔中通过间接测量到的负载值，运用逻辑算法，自动给出气缸孔加工在此负载下，相应的刀具进给速度及退让量，使刀具的进给速度和补偿量能随着负载的变化而相应地发生变化，从而保证负载在整个加工过程中保持相对平稳，使刀具能加工出一个直线轨迹，以保证加工孔的圆柱度。这样能使加工过程保持平稳，达到提高加工质量和延长设备寿命的目的。
在加工过程中，刀具的不断的磨损会引起不同的加工孔的尺寸不一致，对一种型号的发动机，气缸孔的尺寸应保持在一定的公差范围内，以保证气缸孔与缸套的配合达到精度要求。在一般数控系统中，设置了人工补偿的数控命令，刀具的磨损补偿是由人工对工件的线外检测和经验判断刀具的磨损情况来设定补偿量，这种补偿会使工件上的被加工孔存在明显的尺寸不一致，虽然都在公差范围内，有装配互换性，但装配性能会因刀具的磨损状态不同而不同。研究和采用了实时补偿技术，针对刀具的磨损情况不同使刀具进行实时补偿，一方面使刀具有2μm级的自动调整能力，另一方面通过刀具的磨损状态的自动检测来自动判断刀具的磨损情况，并且使两方面结合实现刀具磨损的自动补偿。
结论
本气缸孔推拉镗加工方法在某发动机的气缸体的加工中进行了应用。精镗孔刀具镗孔时通过程序的设定，让精镗孔刀具加工成反腰鼓状，推、拉镗刀杆处于同一个轴线上，分半精镗与精镗两次加工，缩短了刀杆的长度，增加了刀杆的刚性，提高了气缸孔的圆柱度，减少加工的误差复映。试验结果表明该方法有效地提高气缸孔的加工精度。
参考文献：
[1] 彭浪，曹武.发动机气缸孔压板镗珩加工工艺研究[J].内燃机工程， 2004（3）：75-79.
[2] 贺国光.自适应控制系统[M].天津： 天津大学出版社，1988.