（机械制造及其自动化专业论文）数控凸轮加工成型、质量控制及其机床设计关键理论研究.pdf

武汉理【大学硕士学位论文 中文摘要 凸轮轴是汽车发动机的关键部件之_ ，国内的大多数厂家采用传统的靠 模仿形法进行凸轮零件的加工，这种方法效率低、精度差及缺乏柔性。目前 国际上普遍采用的先进方法是具有高效、高柔性、高质量等特点的无靠模数 控凸轮磨削技术，该方法正逐渐发展成为主要的凸轮加工技术。 本文叙述了凸轮的功能及形状特点，阐述了凸轮加工的发展历程和发展 趋势，介绍了凸轮磨削方法的分类及各自的优缺点。c n c 无靠模凸轮磨削具有 效率高、柔性好、精度高、质量稳定等众多靠模仿形法无法比拟的优点。数 控方法磨削凸轮轴时，凸轮廓形主要有三种方式，其中工件c 轴转动和砂轮 架x 轴移动的两坐标联动方式的结构简单、精度较高。凸轮磨削时易出现精 度达不到要求、表面烧伤、波纹等质量问题，对其主要影响因素进行了分析。 对c b n 砂轮在磨削效率、磨削质量等的优越性及c b n 砂轮的特性进行了分析 研究。 用数控方法磨削凸轮廓形，关键和首要的问题是建立适用不同条件的通 用砂轮中心位移数学模型。凸轮的已知条件可为升程表或r ( o ) 关系式，两者 可用数学方法进行转换，针对两种已知条件分别推导了两种砂轮中心位移数 学模型。前者适用于已知升程表时对应的各种推杆形式和偏距方式，具有较 强的通用性。 砂轮半径、磨削力、磨削点线速度等参数的变化会造成凸轮尺寸精度不 够、表面烧伤、波纹等质量问题，分别研究了砂轮半径、磨削力、磨削点线 速度的变化对凸轮尺寸精度和表面质量的影响机理及对凸轮的加工质量的控 制，并建立了已知升程表和r ( 0 ) 关系时恒线速度磨削的通用数学模型，以实 现恒磨除率磨削。 砂轮架是数控凸轮磨床的关键部件，直接影响机床的加工精度，液体静 压轴承能够满足数控磨床高精度、高转速及高刚度的要求。叙述了液体静压 轴承的原理、特点。对砂轮架薄膜节流液体静压轴承进行了模糊优化设计， 进行了砂轮架结构的初步设计。 关键词：数控，凸轮，数学模型，磨削质量，液体静压轴承 武汉理工大学硕七学位论文 a b s t r a c t c a m s h a f ti so n eo ft h ek e yp a r t so fa u t o m o b i l ee n g i n e i nt h em o s td o m e s t i c f a c t o r yt h et r a d i t i o n a lm e t h o do fg r i n d i n gc a mb yc o p y i n gi su s e dw i d e l y , t h i s m e t h o di so fl o we f f i c i e n c y , b a dp r e c i s i o na n dl a c ko ff l e x i b i l i t y n o w a d a y st h e c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g yi su s e dg e n e r a l l yi nt h e d e v e l o p e d c o u n t r i e s t h ec n cm e t h o dh a st h ea d v a n t a g eo fh i g he f f i c i e n c y , g o o dq u a l i t y , a n d i si m p r o v e da st h em a i nm e a n so fm a n u f a c t u r i n gc a m s h a f t i nt h i s p a p e r , t h ef u n c t i o na n ds h a p ef e a t u r eo fc a m s h a f ti ss t a t e d t h e d e v e l o p m e n tg e n e r a lc o n d i t i o n sa n dc l a s s i f i e dm e t h o do fc a m s h a f ti si n t r o d u c e d t h ec n cm e t h o df o rc a m s h a f tg r i n d i n gh a st h ea d v a n t a g eo fh i g he f f i c i e n c y , g o o d f l e x i b i l i t y , p r e c i s i o na n ds t e a d yq u a l i t yb yc o m p a r e dw i t hc o p y i n gm e t h o d t h e r e a r et h r e ek i n d so ff o r m i n gw a y sw h e ng r i n d i n gc a m s h a f tb yc n cm e t h o d t h e m o d eo fw o r k - - p i e c er o t a t i n ga r o u n dca x i sa n dg r i n d i n g - h e a dm o v i n ga l o n gx a x i si so fh i g hp r e c i s i o na n ds i m p l es t r u c t u r e t h ec o m m o nq u a l i t yp r o b l e m ss u c h a sb a dp r e c i s i o n ，g r i n d i n gb u r n i n g ，g r i n d i n gv e i n s ，a n dt h e i ri n f l u e n c i n gf a c t o r sa r e a n a l y z e d t h ec b n w h e e lh a sr e m a r k a b l ea d v a n t a g eo fh i g hg r i n d i n ge f f i c i e n c y a n dq u a l i t y t h es p e c i f i cp r o p e r t yo fc b n w h e e li sa n a l y z e d p r i m a r i l y , t h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h ec e n t e rm o v e m e n to fg r i n d i n g - w h e e l n e e d st ob eb u i l tw h i l eu s i n gc n c t e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h er i s e r a n g et a b l e a n dr e l a t i o n s h i po fr ( 0 ) ，t w ok i n d so fm a t h e m a t i cm o d e li sd e d u c t e dt oa d a p t d i f f e r e n tk n o w nc o n d i t i o n s a n dt h ef i r s to n ec a nb ea p p l i c a b l ef o ra nk i n d so f t a p p e ti n c l u d i n gd e v i a t i o no n e ，a n di ti sm o r eu n i v e r s a l i nt h ep r o c e s so fg r i n d i n gc a m s h a f t ，s o m eq u a l i t yd e f e c t s ，s u c ha sl a c ko f p r e c i s i o n ，s h a p ee l r o r s ，a n dd a m a g et h es u r f a c eq u a l i t yo fc a m ，a p p e a r e de a s i l y t h em a n u f a c t u r i n gq u a l i t yo fc a m s h a f ti sc o n t r o l l e db ya n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo f w h e e lr a d i u s ，g r i n d i n gs t r e n g t ha n dg r i n d i n gs p e e d ，a n dt h ec o n s t a n tg r i n d i n g s p e e dm a t h e m a t i cm o d e li se s t a b l i s h e dt or e a l i z et h ec o n s t a n tg r i n d i n gq u a n t i t y g r i n d i n g h e a di st h ek e yp a r to fc n c c a mg r i n d e r t h el i q u i dh y d r o s t a t i c b e a r i n gc a nm e e tt h ed e m a n do fh i g hp r e c i s i o n ，h i g hs p e e da n dh i g hr i g i d i t y b e c a u s eo fi t so w na d v a n t a g e a c c o r d i n gt oi t sp r i n c i p l ea n df e a t u r e ，t h el i q u i d h y d r o s t a t i cb e a r i n gg r i n d i n g - h e a d o fc n c g r i n d e ri sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d k e y w o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r o l l e d c a m m a t h e m a t i cm o d e l g r i n d i n gq u a l i t y , l i q u i d h y d r o s t a t i cb e a r i n g 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 l i 0 造业是国民经济和社会发展的物质基础，是一个国家综合国力的 重要体现。随着计算机、信息技术的迅速发展，传统的制造业已发生了 根本性变革，各发达国家正进行由传统的制造技术向现代制造技术的转 变，并提出了全新的制造模式。专家预言：2 1 世纪数控技术将引领机械 制造业的发展。一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上代表 了这个国家的制造业水平和竞争力。随着我国加入w t o ，我国与国外的 经济技术合作日益密切，这对我们振兴民族产业，加快技术进步的步伐 等创造了前所未有的良机；但同时国际问的竞争也将日益激烈，科技界 和产业界面临着来自各方面的种种挑战。汽车作为工业化国家的重要支 柱产业之一，其发展质量和水平很大程度上代表了一个国家工业发达的 程度。汽车工业的发展对发动机及其零部件的性能、技术水平、质量和 产量等方面提出了许多新的要求。从技术上看，对产品的质量和生产 效率的要求越来越高，生产企业必须能够根据瞬息即变的市场需求及时 高效地生产出高质量的产品。这就要求机械加工设备具有相应的高质量、 高效率、高柔性和低成本等特点。2 0 0 3 年我国机床消费额达到6 2 3 亿美 元，居世界第一位，其中数控机床占5 7 ( 3 7 5 亿美元) 。国内生产数控 机床3 6 8 1 3 台( 产使约1 0 4 亿美元) ，创历史新高。但是，我国数控机床 的技术水平、性能和质量与国外还有很大差距，技术含量较低的简易数 控车床仍占主导地位，高档数控机床及功能部件大多数依靠进口。特别 应该引起注意的是，国产数控机床市场占有率逐年下降，1 9 9 9 年是 3 3 6 2 0 0 3 年仅占2 7 7 ，而进口额逐年上升，1 9 9 9 年为8 7 8 亿美元 ( 7 6 2 4 台) ，2 0 0 3 年达2 7 1 亿美元( 2 3 3 2 0 台) ，相当于同年国内数控机 床产值的2 7 倍。因此，尽管当前市场活跃、需求旺盛，但如果只顾眼前 生产，不了解园外数控机床的发展趋势，提高自主开发能力，积极培育 新产品，那么在高潮过去以后，我国的机床工业将更加缺乏竞争力，有 町能在家门口就被人家打得一败涂地。所以，我们要树立信心、加快步 伐、增加投入，尽快地提高我国的数控机床的技术开发能力，同时不断 武汉理一j ：人学硕士学位论文 提高国产数控机床的综合竞争能力，这样，我国的机床工业才能迎头而 上，尽快缩小与发达国家的差距，在将来的制造业竞争中立于不败之她。 凸轮轴是内燃机主要的部件之一，其加工质量的好坏严重影响着发 动机的动力性能，我国凸轮轴加工大多都是在凸轮轴仿形磨床上进行的， 提高加工精度的主要思路之一就是提高凸轮靠模的精度，然而这项工作 比较复杂、周期长、造价高，而且需要丰富的实践经验，其加工精度和 效率已远远不能满足现代化工业发展的要求。国外一些工业发达的国家 从8 0 年代开始，逐渐应用数控凸轮轴磨床来满足生产要求。但是数控凸 轮轴磨床技术含量高，相比之下，国内研究开发起步较晚，投入不足， 因而发展较慢，与欧美日本等技术发达国家相比还有较大的差距。因此， 加快研究和开发国产的全数控凸轮轴磨床对我国经济发展有着十分重要 的意义。 1 1 凸轮的功能及形状基本特点 凸轮轴是发动机配气机构的关键零件。发动机的连续运转是通过凸 轮对气门的顺序启闭、气门开度的规律控制，使发动机的进气、压缩、 作功和排气四个冲程周而复始、定时顺序的循环完成的。进气和排气冲 程，凸轮的顶圆部分推动挺杆顶开气门，送入新鲜空气、排出废气。压 缩、作功冲程则关闭气门。普通的汽车发动机，凸轮对气门的启闭动作 是在高速运转中进行的，凸轮表面与气门挺杆之间呈滑动摩擦状态。凸 轮廓形的设计质量、加工精度、表面质量、材料对发动机配气系统的动 力性能、凸轮一挺杆接触应力、油膜润滑特性影响极大，并进而影响到 发动机的动力性、经济性、可靠性、寿命，以及排放、振动、噪音等。 质量差的凸轮廓形其曲线不连续，或者加工出的廓形不符合设计要求， 表面粗糙、有波纹、烧伤等，工作中易引起冲击、跳动、润滑特性恶化、 易磨损、激励噪音、振动，影响发动机性能、寿命，增加油耗、排放。 凸轮通过对气门的启闭时序和丌度的控制，控制发动机的运转，对发动 。机的性能有很大影响。 凸轮的轮廓线是根据从动件( 推杆) 完成丁作所要求的速度、加速 度变化而设计的。凸轮廓形的设计可分为两类：第1 类足通过某种考虑， 武汉理工大学硕士学位论文 先设计出凸轮的几何形状，然后计算出对应的推杆的运动规律，检查它 是否符合设计要求，这种方法最典型的例子就是凸轮外形由几段圆弧构 成的圆弧凸轮；第二类是根据推杆运动规律的各种要求，如尽可能大的 气流通过能力，最好的机构动力性能等，给出凸轮推杆的升程规律，然 后校验相应的凸轮几何形状是否能够实现预期的运动轨迹、速度及加速 度等要求，用这种方法设计出来的凸轮习惯上称为函数凸轮”1 。 图卜1凸轮廓形图 一个凸轮的轮廓线一般由多段曲线段所组成，曲线方程是多种多样 的，有直线段的，有各类高次方程曲线段的，也有由离散数据所表达的 ”3 。图l 一1 是典型凸轮的示意图，由图可见，凸轮为非圆零件，它主要 由基圆部分、过渡段、腹圆部分、切线段及顶圆部分等几部分组成。当 然，并非所有的凸轮都包括这几个部分，例如有的凸轮两侧都是切线， 就没有腹圆部分；而有的没有切线段等。 以上我们初步了解了凸轮的功能和形状特点，那么针对凸轮这种特 殊的形状特点，人们采用哪些方法进行凸轮的磨削加工? 各种方法对凸 轮的磨削质量有何影响? 针对这些问题，下面我们来了解一下凸轮磨削 加工技术的发展概况和凸轮的各种加工方法及各自的优缺点。 1 2 凸轮加工技术发展概况 凸轮廓形的成形方式按机加工设备分包括车削、铣削、磨削。车削 武汉理工大学硕士学位论文 和铣削一般只用于粗加工，精加工由磨削完成。近年来，随着高效磨削 技术在凸轮廓形加工中的运用，磨削加工已不仅作为精加工，而是可以 完成直接从毛坯表面到成品的加工，在很多生产中已完全取代车削和铣 削。因此，凸轮廓形机加工方式中，磨削的重要性和地位是车削、铣削 无法比拟的。 磨削是用带有磨粒的工具来对工件进行加工的方法“1 。它作为一种 重要的精加工方法，在机械制造业中占有极其重要的地位。据1 9 9 7 年欧 洲机床展览会( e m o ) 的调查数据表明，2 5 的企业认为磨削是他们应用的 最主要的加工技术，车削只占2 3 ，铣削占2 2 ，其它占8 ：而磨床在 企业中占机床的比例高达4 2 ，车床占2 3 ，铣床占2 2 ，钻床占1 4 “。 在我国，磨床的拥有量也已经占到了金属切削机床总拥有量的1 3 左右。 因此，磨削技术与磨削加工设备一直是倍受人们研究的重要课题。 磨削同其它的加工方法相比，具有加工精度高、获得的表面质量好 等优点，所以磨削通常作为加工质量要求高的零件的最终精加工手段”1 。 但普通的磨削方法也同时存在着效率低、使用价格昂贵等不足之处，这 极大地阻碍了磨削的发展，限制了磨削的应用范围。长期以来，磨削都 被人们普遍视作是一种和低效率联系在一起的精加工手段。随着科学技 术的进步和相关领域的进展，各种新的磨削原理与方法层出不穷，磨削 在提高加工效率和精度、拓展其加工应用的范围等方面也取得了长足的 进步。精密磨削、超精密磨削等技术使磨削加工的精度向亚微米、纳米 级方向发展；各种高效磨削技术，如：高速磨削( 砂轮线速度4 5 m s v s 15 0 m s ，现在普遍认为应在l o o m s 以上，超高速磨削( v s 15 0 m s ) 、 缓进给磨削、高效深切磨削( h e d g ) 、砂带磨削、快速短行程磨削、高速 重负荷磨削等，大大提高了磨削的会属切除率、扩大了磨削加工的适用 范围；超硬磨料磨具的新技术如：人造金刚石磨料，比如p c d ( 人造聚晶 金刚石) 和近年来出现的c v d ( 化学气相沉积金刚石膜) 砂轮、s g ( 陶瓷氧 化铝) 磨料砂轮和c b n ( 立方氮化硼) 砂轮的应用，小接触面积磨削( 如：快 速点磨削法) 的研究与进展，在减小磨削力、提高加工精度、延长砂轮修 整周期等方而，发挥着越来越重要的作用。在科技进步的今天，磨削早 己不仅仅是终精小余量加工的一种主要手段，而且已经i t ，以与切削铣削 等方法一样以高效率的加工方式直接将经精铸精锻后的毛坯加工成工件 武汉理工大学硕士学位论文 成品；磨削加工的设备也具有越来越高的柔性，磨削工艺正朝着工序集 中的方向发展，这就能有效的降低磨削的成本，提高应用磨削的经济性。 而且对于某些新一代材料( 如陶瓷材料、陶瓷合金、复合材料、晶须加强 材料、高温超耐热合金材料等) 而吉，只能采用磨削加工”。因此，磨削 加工己经成为现代机械零件加工中一项不可缺少的重要加工方法，而那 些能够提高磨削的精度和效率、降低磨削加工成本的、工序集中式的柔 性磨削加工新工艺新方法也就自然成为当今磨削技术发展的重要方向。 凸轮轴作为汽车发动机的关键零部件之一，对凸轮廓形进行磨削加 工已成为其主要的加工手段。凸轮的磨削技术涉及很多方面，如磨床、 磨具、磨削液等。磨床又包括靠模磨床( 非数控靠模磨床和数控靠模磨 床) 、全数控磨床、砂带磨床。另外，还有砂轮动平衡、砂轮修整、检测 技术等。磨具技术则包括普通磨具、c b n 砂轮、砂带，以及磨具粒度、 结合剂等磨具特性。 凸轮磨削的技术发展可大致分为靠模仿形凸轮磨削和数控凸轮磨削 加工阶段两个阶段，而靠模仿形凸轮磨削又可分为两个阶段：单靠模、 匀角速磨削的第一阶段和双靠模、变角速的第二阶段。如表卜l 所示阳1 。 表1 1 凸轮磨削技术发展阶段 模仿形凸轮磨削阶段 第一阶段第二阶蕞 特点：单幸棋，匀角遗l 特点：麒蠢模、变角速 数控凸轮磨削阶段 特点：无毒模、高鼓丰、秉挂 1 9 6 1 生1 9 1 0 土 传统的靠模仿形凸轮磨床是机械式的、刚性的连接和控制，缺乏柔 性，当被加工对象改变时，调整困难且费时，甚至难以达到精度要求， 随着汽车工业的迅猛发展，越来越不能适应市场的需求。 数控技术现已成为自动化制造产业的核心技术和基础技术，数控机 床是推行f m c ( 柔性制造单元) 、f m $ ( 柔性制造系统) 及ct m s ( 计算机 集成制造系统) 的基础。数控磨床足集机、电、液、仪和信息等多项技 武汉理工大学硕士学位论文 术于一体的先进机电一体化产品，同时具有高效率、高质量、和柔性等 优点。 总之，由于数控凸轮磨削技术有着许多靠模仿形凸轮磨削无法比拟 的优点，从2 0 世纪8 0 年代起，统治了半个多世纪的靠模仿形凸轮磨削 技术已逐渐被数控凸轮磨削技术淘汰。 随着磨削技术的发展和对凸轮轴的质量、产量的更高的要求，凸轮 轴磨削加工技术也不断提高。从加工精度上看，凸轮轮廓曲线的升程偏 差已提高到微米，粗糙度达到r a o 1 以上。从生产率上看，则由过去的 几十分钟加工一件产品，提高到不到3 0 秒件。 凸轮轴廓形磨削加工的技术涉及很多方面。如按设备分类包括：靠 模磨床、数控磨床、砂带磨床、振动抛光设备等。按所用磨具包括：普 通砂轮、c b n 砂轮、砂带等。另外，还有诸如靠模制造、砂轮修整、在 线检测、磨削液等方面技术。 随着磨削技术的发展，一些新的技术也逐渐运用到凸轮廓形的磨削 加工中。如c b n 砂轮技术、砂带磨削、抛光技术等，为凸轮廓形磨削加 工开辟了新的途径。 c b n 砂轮磨削是近几年逐渐成熟起来的一种高效磨削技术，其广泛 运用已成为磨削技术发展的必然趋势。大量资料显示，采用c b n 砂轮改 造的磨床，不仅提高了加工效率，而且降低了生产成本、提高了磨削质 量“。德国一家公司为扩大生产规模原计划购买新的磨床，后采用c b n 砂轮不仅满足了生产需求、减少了投入，而且生产成本更低、质量亦提 高。 所以运用新技术对设备、工艺进行技术改造也是提高凸轮磨削加工 效率的一个途径。 1 3 凸轮磨削方法的分类 凸轮的磨削加工按照成形方法分类主要有三种：靠模仿形加工、n c 控制的靠模磨削、c n c 控制的无靠模磨削。 ( 1 ) ? i 轮轴靠模仿形加工 传统的大批量凸轮磨削加工是采用靠模原理，在摇架式麽床上磨削 武汉理工大学硕士学位论文 ( 如图卜2 ) 。图卜2 是仿形原理磨削凸轮轴示意图。凸轮轴安装于头架 和尾座的两个顶尖之间，靠模串装在头架主轴上，借助弹簧的拉力使靠 模与滚轮、砂轮与工件保持压紧，随着主轴转动，通过导轮驱动摇架往 复摆动，带动同轴安装的靠模、凸轮轴按靠模的轮廓轨迹回转、摆动， 从而仿形磨削出凸轮的轮廓曲线1 。 薹集i l l g - 夫榘滚转拿模砂轮a g - l i l 甩架 工 工 图1 2 靠模仿形磨削原理示意图 靠模凸轮磨床的优点是价格低， 较多使用。其缺点也是显而易见的。 性能一般较稳定，因此，现在仍有 一种靠模只能加工一种廓形。靠模 本身制造、调试极为困难。加工中随着砂轮外径的变化，加工的廓形也 随之发生变化( 在轮径变化较大时可达0 0 1 m m 以上) ，对轮廓曲线的精 度有不利影响。加工中靠模会逐渐磨损，也影响到轮廓曲线精度。靠模 磨损到一定程度要进行修整，而靠模的修整非常困难，般是用磨床自 带的反靠装置，反复修磨、拆装、试加工，并需部份的手工修薤，直到 加工出合格的产品，周期很长。而开发新产品研制新的靠模，则周期更 长，显然不能适应目前越来越快的n 市场变化”“。另外，随着对轮廓精度 越来越高的要求，靠模磨床精度差的缺点日益显露。 目前，国内众多机械制造企业由于技术水平与设备条件的限制，普 遍采用靠模凸轮磨床进行凸轮廓形的磨削加工，传统的靠模磨削凸轮方 法存在以下问题”“1 ： 1 ) 采用靠模加工方法，由_ f 受靠模制造精度的影响，以及动态补 偿措施的落后，使得加j i 出的凸轮轮廓表面很难满足高精度的要求。 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 靠模制造困难，高精度的非圆线型靠模要采用更高精度的数控 坐标磨削才能加工出来。而且当更新加工零件时，必须重新制造靠模， 使得产品改型周期长，难以保证多品种、小批量零件加工的高效率和柔 性要求。 3 ) 工件恒转速，凸轮各点磨削速度变化大，容易造成较大的升程 误差、波纹和烧伤。 4 ) 当砂轮磨损后凸轮的升程值随砂轮的直径变化而变化，产生误 差。部分机床采用双靠模进行磨削，能减小因砂轮尺寸变化而产生的误 差，但产生的误差依然不能忽视。 5 ) 砂轮的线速度低，修整工具和工艺落后，造成机床磨削效率降 低，影响生产率的提高。 针对普通靠模磨床的缺点，有一些相应的改进措施。如采用双靠模， 在不同的砂轮轮径范围用相应的靠模，保证轮廓曲线精度，扩大砂轮使 用范围。又如湖南大学开发的用高精度的数控磨床加工、修整靠模及相 应的计算机软件，大大提高了靠模的制造、修整精度，缩短了周期，基 本上不用手工修整，直接装入磨床即可使用。 ( 2 ) n c 控制的靠模凸轮磨削 n c 控制的靠模凸轮轴磨床采用靠模仿形、n c 系统控制工件变转速磨 削的方法，降低了凸轮升程误差，提高了凸轮轴的加工精度和表面质量， 是一种具有较高精度和效率的磨床。 n c 控制的靠模磨床相对于传统的靠模凸轮磨床在性能上有了很大 的提高，如日本n i p p e i 公司生产的“s c a m 5 x 4 0 m f ”( 采用美国l a n d i s 技术) 高速凸轮轴磨床为n c 控制的靠模凸轮轴磨床。它采用工件变转速 磨削、双靠模仿形、杯形金刚石滚轮连续修整工艺，从而降低了凸轮磨 削的升程误差和表面粗糙度，提高了生产效率。它具有以下特点： a ) 工件变转速磨削的实现 凸轮磨削的过程中，由于凸轮的特殊形状，使得非基圆型线上磨r 0 点的移动速度各处都不等。在磨削点移动速度大的部位，金属切除率大， 使得该部位产生的磨削热、磨削力、磨削变形均大于金属切除率小的部 位，形成过多 ；= 属残留，影响加工质量。磨削点移动速度的变化是造成 工件误差的卡要原因之一，要想消除磨削点移动速度变化造成的l ：件误 武汉理t 大学硕 学位论文 差，必须在磨削过程中控制工件的转速，使磨削点的移动速度成为一恒 量或分区段成为恒量。根据普通凸轮轴磨床的磨削特性及误差产生规律， 采用工件变转速控制器来驱动工件，依据凸轮运动方程及规律，分段地 改变凸轮表面磨削点的移动速度，使凸轮表面各磨削点的移动速度变化 较小，达到降低磨削升程误差的目的。 b ) 双靠模仿形 凸轮轴磨床磨削凸轮时，砂轮直径的大小会影响凸轮的升程曲线的 精度。采用双靠模仿形磨削，在整个砂轮使用范围内使用两套靠模，首 先使用靠模1 ，进行仿形磨削：当砂轮半径减小至一定范围时，采用靠模 2 进行仿形磨削。这样，砂轮直径变化所产生的凸轮升程误差比普通单 靠模凸轮轴磨床所产生的凸轮升程误差要小一倍多。 c ) 砂轮连续修整工艺 位于砂轮上方的杯形金刚石滚轮由交流电机驱动旋转，进给由n c 控制，步进电机执行。在加工过程中进行砂轮修整，可以将加工时间大 大缩短，由n c 控制砂轮进给、修整和补偿，使得磨削中砂轮始终呈露出 锐利的切削刃，使得凸轮表面粗糙度降低并保持一致。同时，凸轮轴表 面烧伤及波纹等问题可得到有效地控制。 d ) 工作台摇架采用双弹簧结构 在粗磨时双弹簧张紧，精磨和无火花磨时其中一根弹簧自动卸荷， 以提高凸轮的仿形精度。此外，用多个三点闭式结构的中心架作辅助支 承以提高凸轮轴的刚性。 n c 控制的靠模凸轮磨床在技术和性能上比传统靠模凸轮磨床游乐 很大的改进和提高，但是，该凸轮轴磨床的机构较复杂，并且与普通靠 模凸轮轴磨床一样，同样存在着柔性较差的问题，产品改型时需要较长 的准备周期。因此，高柔性、高效率、高精度的无靠模c n c 凸轮轴磨床 的问世，使得凸轮轴的磨削加工技术有进入了一个崭新的领域。 ( 3 ) c n c 控制的无靠模磨削 随着发动机性能的不断改进和提高，作为其关键传动件之的凸轮 轴也有了较大的改进，凸轮轮廓线也由最初的圆弧、阿基米德渐丌线， 发展到今天的谐函数f l 线、复合函数曲线，凸轮轴也由装配式发展到今 天的整体式。凸轮轴的加工随着计算机技术的高速发展由原束的高精度 武汉理t 大学硕士学位论文 铣削、靠模磨削发展到c n c 控制的全数控磨削“。 数控加工具有加工精度高、柔性好、自动化程度高、加工质量稳定、 生产效率高、便于调整、适应性强、适宜复杂型面加工等优点。采用数 控磨削技术加工凸轮轴，解决了传统靠模加工中存在的如精度差、加工 产品单一、改型困难、恒转速磨削易引起的波纹、烧伤、砂轮轮径的变 化对精度影响等缺点，正逐渐取代传统靠模磨削技术，成为主要的凸轮 轴精加工手段。 1 4 本章小结 1 、介绍了凸轮的特殊形状及其功能和特点： 2 、介绍了凸轮加工技术的发展概况和发展趋势 3 、介绍了凸轮加工的基本方法及其分类。 1 0 武汉理1 i 大学硕士学位论文 第2 章凸轮数控磨削的技术分析 2 1 凸轮的数控磨削技术概况 数控加工具有加工精度高、柔性好、自动化程度高、加工质量稳定、 生产效率高、便于调整、适应性强、适宜复杂型面加工等优点“。采用 数控磨削技术加工凸轮廓形，解决了传统靠模加工中存在的如精度差、 加工产品单一、改型困难、恒转速磨削易引起的波纹、烧伤、砂轮轮径 的变化对精度影响等缺点。正逐渐取代传统靠模磨削技术，成为主要的 凸轮廓形精加工手段。 在各类会加工机床中，磨床的数控化进展最慢，上世纪8 0 年代初欧 美及日本先后开发研制出c n c 控制的无靠模凸轮磨床，直到9 0 年代初才 开始形成商品化。 德国f o r t u n a w e r k e 公司的f n 3 c n c 磨床、英国n a n d e s 公司的c n c 磨床、日本日平一富山公司的3 l c n c 磨床、国内湖南大学开发的c n c 8 3 1 2 磨床都采用砂轮架水平移动和工件转动联动方式。英国b u t le rn e w a l 公司的c n c 磨床采用工件摆动和转动联动方式3 。国内一汽、二汽等单 位用普通的靠模磨床改造成c n c 无靠模凸轮轴磨床采用工件摆动和转动 联动方式。 除了廓形生成采用数控技术外，其它的如工件的变转速恒磨除率磨 削控制、砂轮变频恒线速控制、砂轮轮径变化的补偿调整控制、工件尺 寸的自动测量和调整、砂轮的修整和补偿调整，以及系统诊断、出现异 常时报警、停止运行等控制，也都采用数控技术实现“。 c n c 控制的无靠模凸轮轴磨床，采用计算机自动编程的方式，在输 入模块中采用人机对话的形式，输入凸轮轴种类、凸轮几何参数、加工 工艺参数等相关数据。系统自动完成凸轮廓形曲线方程的样条拟合及升 程列表点的插值密化工作，通过数控装置和伺服控制系统，完成磨削加 i 。系统内可存储几十种凸轮加工数据以供随时调用。 c n c 无靠模凸轮轴磨床采用的数控系统般具有丌放式、模块化和 叮嵌入的特点。由于采用插补联动方式实现凸轮廓形的磨削，为保证廓 武汉理t 大学硕士学位论文 形精度，控制、驱动系统的动态响应必须快。国内湖南大学研制的 c n c 8 3 1 2 数控凸轮轴磨床，采用西门子公司的8 4 0 c 数控系统和6 1 l d 数 字交流伺服驱动系统。控制系统具有i k a 数据插补功能表，在零件加工 程序运行到作插补运动时，无需再做复杂的数学运算，直接从i k a 表格 读取对应的插补值，按照选定的插补方式进行插补运动，从而实现高精 度廓形加工。 c n c 数控凸轮轴磨床不仅采用了先进的数控系统，在机床结构上也 采用一系列先进技术。如高刚度主轴系统、砂轮的在线平衡、静压、滚 动或帖塑导轨、高精度滚珠丝杠、砂轮位置的高精度反馈控制、砂轮自 动修整、补偿，以及床身测量仪等。一些磨床还运用传感器( a e 声发射 技术) 对磨削状态和砂轮修整状态进行监控，使磨削过程始终处于最佳 状态。这些先进技术为凸轮的加工精度和加工稳定性提供了保证“。 凸轮廓形的数控磨削技术提高了加工精度和生产效率、便于多品种 产品的生产和新产品的开发、缩短生产准备周期、节省工装费用、实现 了工件的变转速恒磨除率磨削和砂轮的变频恒线速磨削、消除了砂轮轮 径变化对加工精度的影响、扩大了砂轮使用范围。总之，凸轮廓形的数 控磨削技术适应了凸轮轴技术发展的需求，使凸轮廓形磨削加工技术提 高到一个新水平。 2 2g n c 无靠模凸轮磨削的优点 c n c 控制的无靠模凸轮轴磨床继承了工件变转速、砂轮高速磨削、 金刚石滚轮连续修整工艺等n c 靠模磨床的特点和优点之外，还具备很多 靠模成形法无法比拟的优点”： ( 1 ) c n c 控制的无靠模磨削不需要再设计和制造靠模，凸轮轴的种 类、凸轮特征信息以及相应的加工控制程序可以随时调用，不必重新安 装、调整靠模，适应于产品的改进、换型及多品种生产的需要。 ( 2 ) 加工精度高，产品质量容易控制 传统的靠模磨削不仅对机床的精度要求较高，而且对靠模的制造精 度( 包括形线问的升程值及相互间的相位差) 、分度机构的分度精度、重 复定位精度及工艺系统提出了较高的要求，加工精度不易得到保证。而 武汉理工人学硕十学位论文 c n c 控制的凸轮轴磨床因其数控系统的精度( 包括进给精度和分度精度3 较高，故更容易加工出高精度的零件。各种凸轮磨削方法技术指标的对 比如表2 1 所示，由表2 1 可知，c n c 控制凸轮磨削的柔性和加工精度 都大大优于过去的仿形凸轮磨削。 表2 一l 凸轮磨削技术指标对比表 加工方法凸轮升程误差相邻误差柔性砂轮寿命 第一阶段 - 4 - ( 0 0 5 0 0 7 ) 极差 1 仿形磨削 m m 第二阶段( o 0 5 0 0 7 ) 0 0 0 5 m m 1 o 极差 2 仿形磨削 m m c n c 凸轮磨削0 0 1 2 5 m m0 0 0 1 5 m m 1 。优良 4 ( 3 ) 采用高速砂轮磨削及金刚石滚轮连续修整工艺，砂轮采用自动 平衡装置，砂轮磨损后，程序自动进行凸轮升程磨削误差的修正，提高 了生产效率，保证了产品的加工质量。 ( 4 ) 机床操作人员可根据加工出来的产品检测结果，进行机床加工 程序修改以保证产品的误差在公差范围以内。机床拥有自动报警、自动 监控等多种功能，自动化程度高，由此可以极大地降低工人的劳动强度， 节省劳动力，减少工装，缩短产品试制和生产周期，可对市场的需求作 出快速反应。 ( 5 ) 能够加工传统机床无法加工的复杂曲线、曲面零件。 ( 6 ) 可精确实现头架主轴变速转动，从而可以实现恒线速磨削。 ( 7 ) 采用无空程磨削加工提高生产率。 数控凸轮磨床的数控系统，大都采用先进的计算机，实现高度的人 机对话，机床操作人员只需要输入零件的各种参数，并按规定进行少量 的操作，c n c 程序就能自动生成，只需执行该程序，即可完成凸轮的麽 削加工，省去了靠模法调整靠模的烦琐操作，极大地提高了工作效率。 由于计算机具有记忆和存储的能力，可以将输入的数据和程序存储下来， 然后按程序规定的顺序自动执行，从而实现自动化，只需更换另一个程 序，就可实现另一工件加工的自动化，冈此被称为“柔性自动化”。因此， 武汉理t 大学硕十学位论文 数控磨床是机、电、液、仪和信息等多项技术集于一体的典型机电一体 化产品，同时具有高效率、高质量和柔性等优点，必将得到越来越广泛 的应用。 2 。3 凸轮数控磨削方法的分类 目前，采用数控方法磨削凸轮轴，凸轮廓形的生成方式主要有三种 图2 - 1 摇摆法加工凸轮示意图 第种方式是将工件主轴装在摆动工作台( 摇架) 上，摇架机构的 摇摆运动，由伺服电机通过滚珠丝杠带动产生，工件随摇架摆动( b 轴) 和工件主轴旋转( c 轴) 实现联动，砂轮架不做进给运动，完成凸轮廓形 的加工( 见图2 一1 ) 。此方法结构简单，摆动惯量较砂轮架的移动惯量小， 但成形算法较复杂，且加工精度较低。 第一种方式是利用砂轮架水平进给移动( x 轴) 、垂直进给移动( y 轴) 及工件主轴转动( c 轴) 实现三坐标联动的切点跟踪法磨削凸轮。 此种方式通过砂轮架水平和垂直移动，使凸轮和砂轮始终在凸轮中心水 平处相切，当砂轮直径变化时磨削点位置不变( 见图2 2 ) ，故不影响砂 轮中心运动轨迹。此方式算法相对简单，对于只要求轮廓精度而尺寸精 度要求不高的凸轮，用此种成形方法有利于提高生产率。但这种机床结 构较复杂、成本较高，刚性较差，所以运用较少。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2 三坐标联动磨削示意图 第三种方式是依靠砂轮架的移动( x 轴) 和工件的转动( c 轴) 这两 个运动的同步来完成凸轮廓形的磨削。在凸轮轴转动的同时，砂轮架直 线运动产生进给动作，并通过数控装置进行插补运算，控制各坐标轴按 照凸轮廓形的形成要求运动。这种方式因结构简单，且精度较高，最适 合我国的国情，因而最具发展前途。本文的研究主要针对这种两坐标联 动数控凸轮磨床。 2 4 凸轮磨削加工的常见质量问题及其主要影响因素 由于凸轮为非圆廓形，凸轮零件的磨削就不能用普通外圆磨床按常 规方法加工。另外，由于凸轮轮廓形状的特殊性，凸轮轮廓面上各磨削 点的线速度都可能不同，有的相差可达几倍甚至几十倍”。磨削点的移 动速度不同，则单位时间里余属的切削率不同，其径向磨削力和磨削功 率电发生变化，磨削点速度变化对凸轮加工精度的影响在第4 章中专门 进行研究讨论。磨削力的激烈变化，会引起冲击和振动，严重影响磨削 质量。因此，要提高凸轮的磨削精度和质量，首先要了解生产实践中常 见的质量问题。下面凸轮磨削加工时常见的质量问题，以及其主要影响 因素： ( 1 ) 尺寸精度达不到要求 随着发动机性能的同益提高和人们对节能和环保的要求越来越高， 矿 武汉理工大学硕十学位论文 作为发动机关键零件的凸轮轴，其制造精度的要求也越来越高。例如解 放牌汽车的凸轮轴原来轮廓精度要求为0 1 m r n ，改进后降至0 0 5 m m ， 而进1 ：3 汽车的发动机凸轮精度为0 0 3 m m ，几乎为国内要求的一倍 ”。由于对精度要求的大幅度提高，尺寸精度问题已成为凸轮磨削的 首要问题。在凸轮的实际加工过程中经常发现，凸轮廓形的某一段偏胖 或偏瘦，即磨削不充分或磨削过量。因此，我们要对尺寸精度的影响因 素进行分析，找出主要的影响因素，并研究其对尺寸的影响规律和解决 方法。 根据国内外对凸轮磨削的多年研究，并结合自己的实践经验，可知 这些主要影响因素包括工件磨削点移动速度、砂轮半径、磨削力、升程 表本身误差，以及机床结构不合理等等”6 “州。在后面章节中会重点加以 研究。 ( 2 ) 表面烧伤 凸轮磨削加工时，最常见的表面质量缺陷是表面烧伤。磨削加工时， 磨粒起切削、刻划和滑擦作用，由于大多数磨粒是负前角进行切削，并 且磨削速度很高，致使表面层温度很高，切削区的瞬时高温可升至1 0 0 0 左右，可造成零件表层金相组织的局部变化，从而使表面层的硬度发 生变化，影响零件的使用性能，同时工件表面呈氧化膜的颜色，这种现 象称为磨削烧伤。根据不同的烧伤外观分为全面烧伤、斑状烧伤、均匀 条状烧伤和周期线条烧伤。生产中常出现的是斑状烧伤。磨削烧伤的实 质是工件表面层材料的金相组织发生变化，产生的原因是磨削温度高。 它磨削烧伤不仅影响凸轮表面的粗糙度、氓寸精度和形状精度，而且大 大降低了凸轮的抗腐蚀性能和抗疲劳性能。 磨削表面烧伤的产生与砂轮的磨削用量、砂轮停留时间、冷却条件、 磨削力、砂轮磨粒性质、被加工材料种类等因素有关。磨削力大、磨削 点速度快、砂轮停留时间较长的地方容易产生表面烧伤。凸轮常见的烧 伤部位在切线段和腹圆段，因为此处不仅磨削力大、磨削点速度快，而 且相对来说，砂轮停留时削较长及冷却液不易进入切削区，容易产生磨 削表面烧伤。 ( 3 ) 波纹 波纹一般是由于磨削进给量不均或砂轮、工件和磨床的振动造成的， 武汉理上大学硕士学位论文 可分为：纵波纹、横波纹、斜波纹等。波纹的产生原因是多方丽的，磨 削力的变化是凸轮表面波纹产生的根本原因。 波纹主要表现为：1 、整个廓形( 包括基圆、两侧、顶圆) 产生波纹。 2 、在廓形的两侧、项圆产生波纹。3 、在个别位置产生少量波纹。 上述第1 种情况一般是由于砂轮平衡、砂轮在线平衡系统、机床刚， 度( 特别是主轴刚度) 等原因引起。如砂轮平衡原因，基圆上波纹之问 的问隔弧长有如下关系： ，尼蝗圆。坼件 n移轮(2-1) 其中，l 为波纹间隔的弧长，经圆为基圆直径，工件为工件转速，j v 砂轮 为砂轮转速。 所以，通过测量波纹之间的间隔弧长，可以判断波纹是否由砂轮的 平衡原因产生。另外，当机床刚度下降，机床本身的振源( 如电机) 或 周围其它设备振动较大时也有可能导致整个廓形产生波纹。 第2 种情况：工件的恒转速磨削中，在轮廓的两侧及桃尖处磨削量 会发生较大变化，引起磨削力发生变化，因而，易产生波纹。变转速磨 削中，转速变化设置不当，以及主轴刚度下降时，也有可能在两侧及顶 圆产生波纹。 第3 种情况：当粗磨相位与精磨相位偏差较大时，其中一侧的磨削 余量会大大增加，导致该部位磨削时易产生波纹( 往往伴随烧伤) 。数控 系统的插补误芳以及头架等机械故障、中心孔质量也可能产生这一情况。 ( 4 ) 粗糙度超差 粗糙度超差的影响因素主要包括：1 、磨削用量。2 、磨削余量。3 、 磨削液及冷却方式。4 、砂轮修整。5 、砂轮质量。 2 5 用o b n 砂轮数控磨削凸轮廓形 立方氮化硼( c b n ) 是目酊硬度仅次于金刚石的新型超硬材料。片j 直 力氮化硼制成的磨具性能十分优异，存磨削领域中迅速推广运用，促进 武汉理j 二人学硕+ 学位论文 了高效磨削技术的发展和机械加工技术的进步，是磨削技术发展的一