（机械制造及其自动化专业论文）大圆弧鼓形滚轮精密数控磨削加工技术.pdf

摘要 我国目前由于受加工制造水平和能力限制，对于精密大圆弧鼓形滚轮，只能 采取将滚轮的两端加工成双重倒角的方法，解决滚轮承载能力不足的问题。但是 随着发动机供油系统供油压力的提高，双重倒角结构还是满足不了发动机设计要 求。鉴于此，本文提出了大圆弧鼓形滚轮数控精密磨削加工技术。采用三轴数控 插补方式，以满足不同零件不同曲线半径的要求。并立足于以直线与圆弧数控插 补方式实现不同曲面的精密加工。 根据加工要求，建立了角位移与直线位移数控联动的数学模型，并根据此模 型对磨削参数与磨削精度进行了计算和分析，编制了数控程序，最终制定了具体 的精密磨削加工工艺规范。 通过实验表明，应用此技术能够解决大圆弧鼓形滚轮的加工技术难题，保证 鼓形滚轮的加工精度和生产效率。 关键词：大圆弧鼓形滚轮精密磨削加工工艺 a b s t r a c t i no b l c o u n t r y , d u et ot h er e s t r i c t i o no ft h ea b i l i t ya n dl e v e lo fm a c h i n i i l 岛t h e p r e c i s i o nl a r g ec i r c u l a r - a r cd r u m - s h a p e dr o l l e rc a no n l yb em a c h i n i n gi nu s i n gt h e m e t h o do fc h a n g i n gt h et w ot e r m i n a lo ft h er o l l e ri n t od o u b l ec h a m f e r , a n dt h e nt h e p r o b l e mo f t h ed e f i c i e n c yo f c a r r y m gc a p a c i t yi ss o l v e d a st h ei n c r e a s eo f t h eo i ls u p p l y p r e s s u r e ，t h ed o u b l ec h a m f e rm e t h o dc a l ln o ts o l v et h ep r o b l e mo fd e s i g no ft h ee n g i n e a n ym o r e s o ，t h en u m e r i c a lc o n t r o lg r i n d i n gt e c h n o l o g yo fl a r g ec i r c u l a r - a r c d r u m - s h a p e dr o l l e ri sp u tf o r w a r di nt h i sp l p 既u s i n gt h em e t h o do f t h r e e - a x i sn u m e r i c a l c o n t r o li n t e r p o l a t i o na n dt h en u m e r i c a lc o n t r o li n t e r p o l a t i o no ft h el i n ea n da r c ，t h e d i f f e r e n tp a r tw i t ht h ed i f f e r e n tc u r v er a d i a ld e m a n d i n gc a nb es a t i s f i e c l b a s et h em a c h i n i n gr e q u i r e m e n t , t h em a t hm o d e lo ft h el i n k a g eb e h v o e nt h ea n g l e d i s p l a c e m e n ta n dt h el i n ed i s p l a c e m e n ti se s t a b l i s h e c lw i t ht h eh e l po ft h i sm o d e lt h e g r i n d i n gp a r a m e t e t 暑a n dt h eg r 缸u n gp r e c i s i o na r cc a l c u l a t e da n da n a l y 正t h e n u m e r i c a lc o n t r o lp r o g r a mi sc o m p i l e d f i i l a l l yt h e p r e c i s i o ng r i n d i n gp t o s $ i ss e tu p t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s , t h ep r o b l e mo fm a c h i m n go ft h el a r g ec i r c u l a r - a r c d r u m - s h a p e dr o l l e rc a nb es o l v e d , t h ep r e c i s i o na n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya r eg r a n t e eb y t h i st e c h n o l o g y k e yw o r d s ：l a r g ee i r e u l a r - a r ed r u m - s h a p e dr o l l e r p r e c i s i o ng r i n d i n g m a c h i n i n gp r o c e s s 长春理工大学硕士学位论文原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文大圆弧鼓形滚轮精密数控磨削加工 技术是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已 经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：垂丛塑q 硅互县碰目 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：鑫凰明旦经2 目碰目作者签名：盛趟幽旦硅圣目碰目 指导导师签名：垄i 纽盟釜三日! 墨目 第一章绪论 1 1 引言 作为车辆的“心脏”柴油发动机是最重要的部件之一，世界各国都在加紧对 未来车辆及其动力装置关键技术、部件进行大量的研制开发工作，并不断采用新技术 对车辆及其动力装置进行改造，以适应未来市场的需要。经过理论分析、性能试验以 及几十年来通过车辆发动机研制所积累的经验来看，提高发动机的紧凑性、供油系统 的供油压力，是提高发动机体积功率的主要途径。新一代车辆发动机设计指标中，将 供油系统供油压力由7 0 m p a 提高到1 0 0 m p a 以上。 德国、俄罗斯等发达国家，在提高柴油机供油系统供油压力的同时，对供油系统 的关键零部件进行了载荷分布分析和优化设计。其中对供油系统中的滚轮零件做了相 应的优化，鼓形滚轮应运而生。根据载荷分布结果和滚轮结构强度，将滚轮的侧母线 设计成中间9 嗍长度为直线段，两端4 5 m 长度为半径r = 1 4 0 0 2 0 0 0 m m 的大圆弧形 状，也就是将滚轮设计成鼓形滚轮“”“( 如图1 1 ) 。 图1 1 大圆弧鼓形滚轮 以某高压共轨油泵为基础，由p t c 公司的p r o ew i l d f i r e 2 0 软件建立凸轮轴、 滚轮体部件、柱塞、弹簧上下座、柱塞弹簧和泵体的三维实体模型，并进行虚拟装配。 坐标系以凸轮轴旋转中心为x 轴，柱塞运动方向为z 轴，如图1 2 所示。 当凸轮顶到滚轮体的滚轮上时，柱塞便升起。从柱塞开始向上运动到油孔被柱塞 上端面挡住前为止。在这一段时间内，由于柱塞的运动，燃油从油室被挤出，流向油 道。所以这段升程称为预行程。当柱塞将油孔挡住时，便开始压油过程。柱塞上行， 油室内油压急剧升高。当压力超过出油阀的弹簧弹力和上部油压时，就顶开出油阀， 燃油压入油管送至喷油器瑚。 圈1 2 凸轮与滚轮连接三维图 因此，随着柴油机供油压力的提高，对柱塞直径、供油预行程和升程的要求也不 断提高。最终这些供油压力、运动件惯性力都要落在凸轮和滚轮上，所以凸轮和滚轮 的工作强度非常大。 1 2 国内外研究现状 随着供油系统供油压力的提高，滚轮承受的压力也随之提高。传统的柱形滚轮， 由于滚轮两端受力大、强度低，经常造成滚轮边缘破碎，使发动机不能正常工作。因 此德国、俄罗斯等发达国家根据载荷分布结果和滚轮结构强度，将滚轮的侧母线设计 成中问9 啪长度为直线段，两端4 5 嘶长度为半径r = 1 4 0 0 2 0 0 0 m m 的大圆弧形状， 也就是将滚轮设计成鼓形滚轮( 如图1 1 ) 。共轨式供油系统的滚轮采用大直径鼓形结 构，可以使滚轮中间强度高的区域承受大部分载荷，两端强度薄弱区域承受少量的载 荷。这样增大了滚轮与凸轮的接触面积，使滚轮载荷成拱形分布，有效提高了承载能 力本文所需要加工的鼓形滚轮如图1 1 所示，加工难点如下：滚轮表面粗糙度 r a o 2 1 a m ，侧母线圆弧半径r = 1 4 0 0 - 2 0 0 0 r a m 、凸出尺寸0 0 2 名m m 。目前尚无成熟 的工艺加工这种滚轮。 近年来国外在磨削加工工艺方面的研究主要有：恒线速度磨削工艺、点磨削工艺 以及集合了点磨削工艺与c b n 超硬磨料、超高速磨削工艺的快速点磨削工艺。 ( 1 ) 恒线速度磨削工艺嘲嘲： 传统的磨削加工，工件是以恒角速度进给进行磨削的( 称之为恒角速度磨削) 。采 用恒角速度磨削加工工艺加工时，工件与砂轮接触的磨削点的线速度大小是不一致的。 磨削点是砂轮与工件的接触点，由工件上的点和砂轮上的点组成。磨削点上位于工件 上的点与磨削点在砂轮上点的相对瞬时速度，称之为磨削点的线速度。在恒角速度磨 削过程中，金属切除率在一个旋转周期内有较大变化，使磨削力产生较大变化，从而 影响磨削加工精度。为解决此矛盾，国外提出了一种新的磨削加工工艺，在此磨削加 工工艺中，磨削点的线速度在磨削过程中大小保持一致，以保持工件恒线速度进给( 称 之为恒线速度磨削) 。恒线速度磨削使磨削力相对稳定，有利于提高工件的轮廓精度。 工件被磨削表面各点与砂轮的相对速度基本相同，因而能保证工件表面各点的粗糙度 基本一致。恒线速度磨削的缺点是：c n c 控制系统的伺服轴的运动复杂，伺服系统的 跟踪精度往往成为一个难以解决的问题。 ( 2 ) 快速点磨削”“： 传统的磨削方式如图1 3 左所示，砂轮与工件是线接触。德国的j u n k e r 公司开 发了一种新磨削工艺快速点磨削法，快速点磨削法采用超硬磨料，如c b n ，其砂 轮只有4 m m 宽，磨料厚度为5 m m ，加工时砂轮与工件接触只有一个切点而不是一条 线，如图1 3 右所示，同时砂轮以较小的角度倾斜。 磨削方向 图i 3 点磨削示意图 快速点磨) ) j ( q u i c k - p o i n tg r i n d i n g ) 是由德国j u n k e r 公司于1 9 9 4 年开发的新型超 高速磨削技术，集中了数控车削技术、c b n 超硬磨料、超高速磨削等先进技术，具有 高效率、高柔性、高精度。磨削温度低、砂轮寿命长和工序集中的特点，主要用于轴 类零件的加工。它采用超薄c b n 或人造金刚石超硬磨料砂轮，是新一代数控车削和超 高速磨削的极佳结合，是目前超高速磨削最先进的技术形式之一。 快速点磨削工艺的工作原理：在磨削工件外圆时，砂轮与工件是以点接触进行磨 削。砂轮对工件的磨削加工类似于一个微小的刀尖对工件的车削加工，磨削力和磨削 热都非常小，并且砂轮总是保持同一吃进状态。砂轮的进给和磨削速度在磨削轴颈时 可通过编制程序使其保持不变。而传统的磨削方法，砂轮与工件是线接触磨削，砂轮 与工件的接触时间长，磨削力和磨削热都非常大，并且不能做到砂轮的进给和磨削速 一3 一 度在磨削轴颈时保持不变。数控快速点磨削时，要求砂轮轴线与工件轴线之间有一个 微小摆角口( 如0 5 。) ，目的是使砂轮与工件间以一点接触，在数控装置控制下砂轮 轴向精确进给，完成整个外圆表面的磨削。j u n k e r 公司开发的数控快速点磨机依靠 可倾斜转动的万能磨削轴座，使砂轮轴线与工件轴线间有3 种位置关系： 位置l ：摆角为0 。，砂轮轴线与工件轴线平行并等高( 砂轮中置) ，这时可对工件 的端面进行磨削，与传统磨削方法相同。 位置2 ：摆角为一o 5 。( 逆时针转动) ，砂轮轴线转角后上移( 砂轮上置) ，使砂 轮左端面与工件外圆的接触点和工件轴线等高。砂轮从尾座顶尖向主轴顶尖方向进给 磨削，可对工件外圆进行点磨。 位置3 ：摆角为+ o 5 。( 顺时针转动) ，砂轮轴线转角后下移( 砂轮下置) 目的仍 是使砂轮左端面与工件外圆的接触点和工件轴线等高，砂轮从主轴顶尖向尾座顶尖方 向进给磨削，同样可对工件外圆进行点磨。2 个方向摆角的目的是根据被加工外圆表面 的侧面是否有干涉面( 砂轮摆角使其端面可能与工件台肩侧面相碰) 来进行选择。摆 角a ( 也称为点磨变量角) 的大小要适当控制。太小，接触点的面积将增大，会与传 统的磨削效果一样：过大，砂轮接触点磨削工件时在砂轮逐渐磨损后向砂轮中心截面 处移动，会使工件的磨削半径增加过大，影响工件的加工精度。快速点磨削时要求进 给要精确，因此必须在数控装置的控制下来进行。 点磨削是利用超高线速度( 1 2 0 屯5 0m ，s ) 的单层c b n 薄砂轮( 宽度仅几毫米) 来 实现的。点磨削主要有以下特点： ( 1 ) 在磨削工件外圆时，砂轮与工件轴线并不是始终处于平行状态，而是在水平 和垂直两个方向旋转一定角度，以实现砂轮和工件在理论上的点接触，通过数控系统 来控制这两个方向的角度数值( 点磨变量角) 以及在x 、y 方向的轨迹来实现对不同 形状表面的点磨加工。 ( 2 ) 点磨削用提高磨削速度( 砂轮速度可达9 0 1 6 0m s ) 的方法来提高加工效率， 而c b n 磨料的高硬度、高耐磨性为提高磨削速度提供了可能，以这种速度磨削，切除 率高、砂轮寿命长，同时切削时变形速度超过热量传导速度，大量变形能转化成的热 量随切屑被带走，而来不及传到工件和砂轮上，提高了加工精度和加工表面质量，砂 轮表面温度几乎不升高。 ( 3 ) 快速点磨削砂轮采用超硬磨料c b n 或人造金刚石超薄砂轮，厚度只有4 6m l n ， 这可以降低砂轮的造价，提高砂轮制造质量。薄砂轮还降低砂轮的重量和不平衡度， 大大降低运转时施加在轴上的离心力。同时砂轮寿命长，修整频率低( 每次修整可磨 削加工2 0 万件) 。 ( 4 ) 为减少砂轮与工件间的磨削接触区，在加工时砂轮轴线在水平方向与工件轴 线形成一定的倾角，这使砂轮与工件之问的接触变成点接触( 这也是点磨削名称的由 来) 。这样降低了磨削接触区的面积，不存在磨削封闭区，更利于磨削热的散发。 ( 5 ) 在磨削外圆时，材料去除主要是靠砂轮侧边完成，周边仅起光磨作用。由于 砂轮与工件间的磨削接触区成点接触，使磨削力大大减小，这实际上等于增加了机床 的刚度，减轻了磨削产生的振动，使磨削平稳，提高了砂轮的寿命和加工质量。 ( 6 ) j u n k e r 公司数控快速点磨削机床采用了多项专利技术，如砂轮三点定位安 装系统、砂轮主轴电平衡自动控制系统、精密导轨系统及砂轮在线修整系统等，以保 证机床的加工性能。 与传统磨削相比有如下优点： ( 1 ) 砂轮与工件处于点接触状态( 接触面积最小) ，实际磨削速度更高，磨削力大大 降低。由于磨削力极小，工件安装央紧方便，甚至不用夹紧，因此被称为“顶尖磨削打、 “削皮磨削”。砂轮使用寿命长，j u n k e r 公司的点磨削机床磨削比超过1 6 0 0 0 ，最高 可达6 0 0 0 0 ，修整率低( 每次修整最多可加工2 0 万件) ，并且采用快速安装定位系统， 砂轮安装快速简便，生产效率比普通磨削提高6 倍。因此快速点磨工艺能有效节省加 工时间和能源动力的消耗，也大幅度降低了超硬磨料资源的消耗。 ( 2 ) 由于采用c n c 两坐标联动实现复杂回转体零件表面磨削，一次安装后可完成 外圆、锥面、曲面螺纹、台肩和沟槽等所有外形的加工，有更大的柔性。它还可以对 淬硬钢加工，使热处理后的工件车、磨工序合并，更进一步提高了加工效率和零件位 置精度。由于加工工序的简化，减少了人力、物力及能源和资源的消耗，减少了加工 成本，大幅度提高了制造工艺的绿色度。 ( 3 ) 磨削力极小，工件变形小，加工精度高。由于超高速加工，磨削过程的激振 频率已远离“机床一砂轮一工件”工艺系统的固有频率，从而减少了振动和噪声及其 对环境的污染，极大改善了加工条件。 ( 4 ) 磨削发热量少，同时切屑可带走绝大部分热量，散热冷却效果好，因此磨削 温度大为降低，甚至可以实现。冷态”加工、干式磨削。不仅提高了加工精度和表面 质量，而且减少了由于大量使用磨削液所带来的环境污染。 国外对数控磨床各个部件和控制系统进行了研究和改进，以使机床达到高精度、 高效率及高柔性的要求。这些研究和改进主要针对伺服控制系统、机械部分和数控硬 件部分。 数控磨床的伺服系统是影响磨削质量最关键的部分之一作为执行部件的伺服驱 动系统和电机，能否准确执行给定的命令，对最终磨削质量的影响是显而易见的。国 外的磨床多采用砂轮架住复运动和工件旋转运动的联动来实现工件的磨削加工的。普 通磨削数控系统采用旋转伺服电机，采用齿轮传动或者弹性联轴节加上丝杠的传动方 式实现直线运动。在数控联动加工中，其加工误差主要是由于进给系统的跟踪误差造 成的“1 。当进给速度增加1 倍时，加速度增加4 倍才能保证加工精度要求。因此，高速 加工机床在提高主轴速度的同时，必须在数控进给轴控制方面实现较高的进给加减速 才有意义。这种由旋转伺服电机滚珠丝杠组合形成直线运动的方式，渐渐有被直线伺 服电机取代的趋势。直线伺服电机具有高速、高精度和长行程等特点。与旋转伺服电 机相比具有更高的响应速度，直线伺服电机的分辨率可以达到o 1 u r e 甚至更高。从技 术上来说直线伺服电机在往复运动、快速性和高精度方面比采用旋转伺服电机更适合 砂轮架的往复跟踪运动。德国西门子公司生产的直线电机在1 9 9 7 年即可达到1 2 0 m r a i n 的高速直线运动，最高速度可达2 2 0 m r a i n ，最大推力6 6 0 0 n ，最大位移5 0 4 r a m 。在新 型c n c 磨床上采用直线伺服电机是一种趋势。 随着计算机数控技术的应用和发展，许多最新的成果被成功地运用到磨削加工中。 以凸轮轴磨床为例，国外的新型c n c 凸轮轴磨床m ，通过工件变转速实现恒线速度磨 削，采用c n c 程序控制仿形，采用d s p 跟踪技术实现砂轮进给控制，因而具有很高 的精度。当今世界著名磨床制造厂家生产的磨床几乎都是采用c n c 控制的，有代表性 的产品是德国j u n k e r 公司生产的j u c a m s 0 0 2 型，s c h a u d t 公司的c f 5 型高速非 圆数控磨床。国外数控磨床的另一个研究方向是高柔性和多品种生产。例如德国 j i y n k e r 公司和s c h a u d t 公司开发的c n c 凸轮轴磨床m ，c n c 专用控制软件控制仿 型，磨削非圆轮廓，只需要改变c n c 系统的数学描述，就能方便地使机床更换加工对 象。上述设备更能适应现代化的企业机制，更能适应汽车内燃机行业多种产品生产及 产品更新换代的需要。 提高磨削加工精度有两种基本方法：误差预防和误差补偿法。误差预防是通过设 计和制造途径消除或减少可能的误差源，提高机床的制造精度，使之满足加工精度要 求。误差预防法有很大的局限性，成本也很高。误差补偿法是在不改变系统结构和提 高制造精度的基础上，通过对加工过程的误差源的分析、建模，计算出空间位置误差， 将该误差反馈到控制系统中，改变实际坐标驱动量来实现误差修正，从而达到提高加 工精度的目的。误差补偿法是一种既有效又经济的提高机床加工精度的手段，它能以 较小成本有效地提高机床的加工精度。机械加工误差补偿是机械加工中的一个重要研 究方向，被认为是在一定机床制造精度基础上进一步提高加工精度的主要手段，在质 量保证中扮演着十分重要的角色【“”。 加工误差建模预报技术是提高加工精度、减少加工误差、进行误差补偿的关键技 术。国外对误差补偿进行了大量研究，提出了多种建立误差补偿模型的方法，如三角 关系法、有限元法、有限差分法、变分法、齐次坐标变换法和神经网络法等“卟o ”，其 中人工神经网络法有非常强的学习能力和非线性映射能力，并且与其他方法相比更具 有直接性，经过适当训练能准确地实现从误差源到误差定位的映射，避免了其他方法 工作量大或边界条件不充分的缺点，在误差补偿中得到了广泛应用，已经成为目前误 差补偿的最有效工具之一国内外在此方面都作了大量的研究，加拿大的s c v e l d h u i s 等人利用神经网络，针对机床主轴进行加工误差建模与补偿，有效地补偿了由温度和 结构磨损产生的加工误差。在诸多误差源中，大量研究表明热误差是数控机床的最大 误差来源，占机床总误差8 0 0 左右“8 ，因此减小热误差对提高机床加工精度至关重要。 机床上的各个部件在有温升时会产生膨胀，由于各个部件的温升并不一致会使机床各 一6 一 个轴的相对位置发生相对变动，从而影响加工精度。在国外从事机床热补偿技术研究 比较有影响的学校和研究机构有：美国的密歇根大学、国家标准和技术所( n a t i o n a l i n s t i t m co fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 、辛辛那提大学、日本的东京大学、日立精机、大 阪工业机床、德国的阿亨大学、柏林工业大学【1 0 1 。虽然国外对热补偿的研究很多，也 达到一定水准，但在国外未见有大批量工业应用的例子，更没有达到商业化水平。 通常加工鼓形滚轮采用两种方法“州： 1 成型磨削加工，将砂轮修整成与鼓形相近似的形状进行磨削，但是由于修整量 小，修整精度难以控制，所以加工的滚轮尺寸精度难以保证，同时因为成形磨削面积 大，粗糙度、精度难以达到鼓形滚轮的技术要求； 2 研抛加工，超精密研抛是一种可使器件获得高质量表面的超精密加工工艺，主 要有弹性发射加工( e e m ) 、机械化学研抛( 婀l 或m c p 、c 卯化学机械抛光) 、液体动压研 抛、磁流体研抛、磁力研磨等，其中机械化学研抛是应用最为广泛的超精密加工技术。 散粒磨料研抛是机械化学研抛的重要分支，它是借助于研磨抛光液中的添加剂，使被 加工表面产生化学作用，生成易被去除的物质，然后由磨料刮去此层物质。现在它仍 是实现超精密加工最简单最有效的方法之一。 超精研抛一般属于零件加工的最后一道工序。对加工精度和质量的要求很高，超 精研抛研究中存在以下几点问题： ( 1 ) 影响研抛质量的因素很多。如温度、研抛压力、研具与工件的相对速度、研 抛轨迹等等。现有实验无法对所有的因素进行全面测量。只能得出局部适用的经验公 式或定性结论。现有研究方法难以找出全局最优研抛参数组合，甚至连局部最优研抛 参数组合也难以得到。 ( 2 ) 研抛工艺系统和研抛过程十分复杂。研抛工艺系统是一个时变系统。研抛环 境温度变化、研磨盘的塑性变形和磨损、工艺系统变化、磨粒变化( 粒径、形状、锋利 程度) 、研抛液组分和p h 值变化、被加工表面变化等。研抛工艺系统是一非线性系统。 各个研抛参数与研抛质量不存在简单的线性关系。由于其关系十分复杂，目前还无法 给出其较准确的数学模型。研抛工艺系统是一分布参数系统，组成系统的参数与空间 坐标有关，如研磨盘和工件之间的相对运动在工件表面划过的轨迹与研抛参数( 如偏心 盘上连杆铰链的偏心量) 有关，从理论上讲磨粒在工件表面划过的轨迹是不均匀的( 即 便假设磨粒分布是均匀的) 由此可见，要想得出研抛参数与研抛质量的一种通用关系 式将十分困难。 ( 3 ) 研抛实验费时、费力、耗资巨大。 ( 4 ) 对操作人员的经验要求很高。 ， ( 5 ) 研抛中起主要作用的是机械作用，即研抛压力、研抛切向力、研抛轨迹。它 们在抛光模和工件上的分布情况、联合作用、累积效应等都十分难确定。 ( 6 ) 加工效率低，抛光的一致性不好保证，对于一组滚轮的性能影响大。 用以上方法加工，如果鼓形滚轮的结构改变，砂轮和研抛工具也要改变，难以适 应鼓形滚轮的多品种、变批量生产要求。 我国由于受加工制造水平和能力限制，无法像德国和俄罗斯那样采用精密数控加 工手段加工精密大圆弧鼓形滚轮，只能采取将滚轮的两端加工成双重倒角的方法，解 决滚轮承载能力不足。这种方法在初期有效地解决了滚轮承载能力不足的问题，但 是随着发动机供油系统供油压力的提高，双重倒角结构还是满足不了发动机设计要求。 因此，急需突破大圆弧鼓形滚轮数控精密磨削加工技术，解决新一代大功率柴油发动 机研制需求，为高性能发动机的研制提供制造技术支撑。 这种结构零件采用精密磨削加工方式最为适宜，如果采用可调半径进行大圆弧磨 削，不仅设备庞大，而且加工精度难以达到产品的设计要求。因此采用三轴数控插补 方式，以满足不同零件不同曲线半径要求。由于磨削砂轮有一定的宽度，无法实现直 线数控插补，所以立足于以直线与圆弧数控插补方式实现不同曲面的精密加工。 由于滚轮圆弧直径大，不可能围绕圆弧中心点转动，实际加工中，采用理想点， 即可以实现在转动的半径上进行转动加工，滚轮围绕加工点进行转动，这样滚轮变成 偏心凸轮。凸轮在转动过程中，圆周始终与顶杆相切，只是切点在变化，如果顶杆不 动，则凸轮在转动的同时做上下往复运动，这样就可以将大圆弧演变成角位移和两轴 直线位移方程。将此原理运用到滚轮的磨削，则可以实现大圆弧在小半径转台上磨削 加工。通过运动轨迹模拟转换，可以推导出运动关系，根据运动关系，通过改变半径 参数，可以实现不同圆弧半径滚轮的磨削控制程序。 1 3 课题来源和研究内容 该课题是为企业解决。发动机高压泵鼓形滚轮精密制造技术”而开展的研究。主 要研究内容如下： 1 建立大圆弧鼓形滚轮磨削角位移与直线位移数控联动数学模型； 2 大圆弧鼓形滚轮专用磨削装备的设计与研制； 3 进行磨削工艺实验，确定磨削工艺参数，制定磨削工艺规范； 4 应用研制设备加工出滚轮，检验表面粗糙度、突出量、圆度等滚轮参数，并进 行精度分析。 一8 一 第二章鼓形滚轮磨削加工理论分析 根据鼓形滚轮圆弧半径r 1 4 0 0 m m 2 0 0 0 m m 的加工要求，需要研制鼓行滚轮磨削 加工专用设备，该设备应具有转动和直线移动两轴数控联动，控制加工轨迹。为此， 我们首先从理论上进行分析研究。 2 1 数控磨削加工原理 2 1 1 插补原理“1 在数控磨削球体中，应用斜线指令，当给定z 向不同长度的位移值时，可以控制x 、 z 坐标方向上的运动以不同的速度等速旋转运行。 由上可知，在应用直线指令进行的数控加工中，工件的自转是等速旋转运行的。 由于工件表面各点所在回转圆的截面直径不同，所以在加工中，工件各点处的自转线 速度必定不等量，并因此使得磨削后的零件表面租糙度不一致。消除这一缺陷的根本 措施，在于工件实现变速旋转或球体实现匀变速旋转运动，由此来实现工件自转时线 速度恒定的自动变化。应用圆弧指令磨削大圆弧鼓形滚轮，可以使这一问题得到圆满 解决。 在数控系统中，控制圆弧轨迹的运行，采用的是逐点比较插补法。逐点比较插补 法是控制一个坐标方向每运行位移一步，都与给定轨迹的曲线坐标进行一次比较，从 而决定下一步的运行方向并以折线来逼近圆弧轨迹。走一步，比较一次，当两坐标均 如此控制运行时，从而完成圆弧轨迹的插补运行圆弧轨迹插补运行的误差为步进控 制精度。 图2 1 圆弧插补原理图 由插补原理分析可知：在圆弧轨迹运行中( 如图2 1 所示) ，若从b 点运行至a 点， 按数控加工的控制方式，将其分解为两个坐标方向的运动。可以看出：x 向在a 点处无 位移，而在b 点处位移最大；x 向运动的运行长度在各点处各不相同，因为在圆弧轨迹 中的运行速度f 为恒定值，所以可以判断出，x 向在b 点处的位移最大且运行速度最快 ( 即给定运行速度) ，x 向在a 点处的位移最小且运行速度为零，说明x 向的运行速度 一9 一 在b a 段圆弧轨迹的运行中是由快到慢变化的，是变速运行的；而分解的z 向运动正好 与此相反，并且两者呈互逆交化，即：分解圆弧轨迹的运行，一个分解运动的运行长 度越来越大且运行速度越来越快，另一个分解运动的运行长度越来越小且运行速度越 来越慢( 或两分解运动互反) ，上述变化均呈余弦渐变趋势变化。 在磨削数控装置上，应用圆弧指令，运行b a 段圆弧轨迹来进行球体的磨削加工时， 可以使得x 向步进电动机带动工件的自转速度呈0 一m a x 自动变化：z 向步进电动机驱 动圆盘工作台的转动速度呈m a x - - 0 自动变化；如果取圆弧b a 中的某段f e 弧，当交换 不同圆弧半径r 时，一定可以使f 点处的分解值，在x 向上符合工件最小直径处所需 的自转速度，在z 向上符合圆盘工作台及工件所需的转动长度；同理，可以使e 点处 的分解值，在x 向上符合球体零件最大直径处所需的自转速度在z 向上符合球体所需 的转动长度。因为圆弧指令同时驱动球体零件运行所需的两旋转运动，所以两旋转运 动均以变速旋转运行，只要确定了圆弧半径r 以及e 点f 点在圆弧轨迹中的坐标位置， 圆弧指令就可以实现球体零件在数控加工中的匀变速自转和匀变速旋转。 2 1 2 参数转换 由步进电动机控制原理可知：给定步迸电动机的配套丝杠螺距值p ( 砌) ，必定使步 进电动机带动滚轮转动一转，当确定滚轮单位时间的转速n ( r r a i n ) ，以及一次磨削球 面的所需时间t ( r a i n ) ，即可计算求得x 向的所需旋转位移长度： l x = p n t ( 2 1 ) 由线速度相等，可以求得最大直径处d t 和最小直径处d w 的自转所需旋转位移长 度为： l t = p n t 岛= p n t ( 2 2 ) ( 2 3 ) 同理：z 向步进电动机用来联接控制圆盘工作台的输入蜗杆。所以，给定z 向步进 电动机的配套丝杠螺距值p ( 皿n ) ，也必定使得步进电动机带动蜗杆转动一转；当给定圆 盘工作台的旋转角度口，其蜗轮副的传动比k = l ：9 0 ，因此可计算求得z 向旋转所需的 全长位移长度为： r 一 三= ，兰口= p 兰( 2 4 ) 3 6 04 在应用圆弧指令进行球体的磨削加工中，球体件的自转速度，先以最高速度逐渐 变慢至最低速度，然后自转速度再从最低速度逐渐变快至最高速度，因此单条圆弧指 令仅运行滚轮弧长之半。 当给定圆盘工作台的旋转角度之半口2 ( 滚轮自转此时到达最低转速) ，是z 向旋 转所需的实际位移长度： 三，：户生兰：p 墨 ( 2 5 ) 3 6 028 将上述各值岛、o 、岛、乓代入圆弧轨迹中，可知：滚轮自转所需位移长度为 o 、岛，经推导可得控制运行中圆弧半径r 的计算公式： r = ( 2 6 ) 式中： “= 岛一岛 l z = l v k 由数控系统插补原理可知：在数控系统控制各坐标轴运行时，是以给定的速度来 运行完成所需轮廓轨迹的拟和，所以在数控加工运行的瞬问，只有单坐标方向在运行， 而且此运行以给定的速度进行，另一坐标方向的运行也是如此。两坐标方向的运动和， 才是数控指令中给定的运行速度f 。因此在确定了磨削时间t 后，数控指令中运行速度 f 按下式计算： f = ( l x + 铹 ( 2 7 ) 2 1 3 运行速度计算 由微机原理可知，数控系统的运行速度与运行长度由程序控制每秒发出不同频率 的脉冲信号，通过驱动电路将脉冲信号隔离放大后控制步进电动机的运行。当两步进 电动机联动运行时，都需脉冲信号驱动，所以应使两步进电动机单位时间内所需脉冲 数之和与选定运行速度f 的频率相等，即：必须对其限速( 所有这些，在一般数控加 工中不要求，而在此是为了保证工件的自转) 由此推论，选定的运行速度f 的频率必须满足： j 五7 乏 ( 2 8 ) 出+ z l = f 式中： 置- x 方向步进电动机转动一周时所需的脉冲数 z 1 z 方向步进电动机每毫米位移所需的脉冲数 量斜度比。 经推导，确定运行速度f 的频率后，计算两步进电动机单位时间内的脉冲数，其 计算公式为： x i = k f ( 1 + x 1 ( 2 9 ) z 1 = f ( 1 + 置) ( 2 1 0 ) 由上述公式可得出结论： ( 1 ) f 与五、z 1 成正比。若变换f ，可同时提高或降低x ，z 两方向转动的速度， 而保证斜度比k 不变。就是说，在调试过程中可在较大范围内同时改变两方向的转动 速度。 ( 2 ) 若变换k ，相对圆工作台来说，工件的自转速度就可以任意改变。当在很小 的范围内变化k 时，例如让x 向步进电动机单位时间内所需脉冲数加l ，即可在很小的 范围内改变滚轮的自转速度。 2 2 鼓形滚轮磨削加工的数学建模 高压泵鼓形滚轮鼓形凸出量o 0 2 0 o 。m m 。由于滚轮圆弧直径大，不可能围绕圆弧 中心点转动，实际加工中，采用理想点，即可以实现转动的半径点，滚轮围绕理想点 进行转动，这样滚轮变成偏心结构件。滚轮在转动过程中，圆周始终与砂轮相切，只 是切点在变化，如果砂轮不动，则滚轮在转动的同时做前、后往复运动，保证滚轮的 鼓形外圆始终与砂轮侧母线相切。将此原理运用到滚轮的磨削，则可以实现大圆弧在 小半径转台上磨削加工，如图2 2 滚轮运动轨迹模拟示意图所示： 设参数为：转动半径为，滚轮圆弧半径为胄，其偏心距为 e = r 一， ( 2 1 1 ) 设其转角为口角， a = r 一厶 图2 2 滚轮运动轨迹模拟示意图 其口角的增l ：为a e ，滚轮圆弧中心点移动距离为 ( 2 1 2 ) a 2 = r 一厶 j a = 2 式中l 。为滚轮初始位置顶点与下一时刻位置圆心垂直距离。 即顶点的移动量：为其圆弧圆心在径向移动距离a ( y 轴移动量) e l = ec o s o = e e i ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 此方程即为角位移与直线位移数控联动的数学模型。 针对滚轮圆弧半径r 1 4 0 0 2 0 0 0 r a m ，在鼓形滚轮磨削设备上进行加工，y 轴采用 精密直线运动平台，c 轴采用精密回转平台，在转动和直线运动中，采用两轴数控联动， 通过改变直线进给量与角位移变化，控制加工轨迹，保证加工精度。 角位移和直线位移数控联动曲线方程： 如图2 3 滚轮联动加工示意图所示，0 为滚轮圆弧的中心点，0 为实际工作台的 转动中心，砂轮架保持不动，滚轮做转动和直线运动。滚轮转动口角，滚轮圆弧的中 心点0 移动至o l 点，y 轴方向上移动距离为，圆弧最高点在y 轴的移动量也是 距离；通过直线运动，将转动后的滚轮在y 轴方向向下移动距离，将圆弧中心点 0 移到a b 直线上，保持工作点0 相对砂轮的y 轴距离不变，则滚轮圆弧始终与砂轮 的母线相切。 m、伺f 谳一 0 木 c 轴 0 娥c 轴n1 | ( e l = 掣 锑三勺吲三l 图2 3 滚轮联动加工示意图 玎2 ( 力 s一 o p 缸力 瞄 p 一 一、=一 p p = = a a 即 磨削过程中，砂轮的磨削点是变化的，磨削点移动，移动距离为l ，相对于整体结 构来说，砂轮在做纵向运动，有利于磨削，减少砂轮的磨损量，保持砂轮精度。 2 3 鼓形滚轮磨削加工专用设备的总体设计 根据上一节的理论分析，为了实现鼓形滚轮的加工要求，滚轮磨削专用设备应由 动力系统、控制系统、精密转台与移动部件、床身部件等予系统组成。 总体结构如图2 4 2 8 所示，设备的基体为铸铁床身。动静压砂轮轴系统安装在 床身上，砂轮轴系统的动力是异步电动机，通过皮带轮带动砂轮旋转运动。工件轴系 统安装在精密转台部件c 轴上，其动力是减速电机，通过多楔带带动工件轴旋转运 动。精密转台部件安装在精密直线运动部件r y 轴之上。精密转台动力是伺服电机， 通过消隙的蜗轮、蜗杆机构带动工件轴做旋转运动。工件轴系统与转台部件一同在精 密直线运动部件上做直线运动，精密直线运动的动力是伺服电机。精密直线运动部件 安装在床身上整体结构保证工件轴的轴线与砂轮轴的轴线处于同一水平位置。 滚轮在工件轴系统、转台部件和直线运动部件的驱动下做旋转、直线、回转运动， 完成了回转和直线两轴数控联动，与砂轮进行切削加工，加工鼓形滚轮。 图2 4 滚轮磨削专用设备总体结构图 i 身 图2 5k 向结构图 一 6 l6 263 6 46566 图2 6a - a 向结构图 一1 5 4 9 技正扳 4 3 傍最电机 4 7 精密藏连机构 “ 藏连电机 4 5 精密直线运动部件 4 精密转台每件 4 3 工件轴系统 4 2 砂轮轴系统 4 1 康身 序号名稃 6 9 底座 6 8 调整块 6 7 弹簧夹夹 6 6 滚轮 6 5 法兰盘 6 4 夏联轴承 63 多楔带轮 6 2 轴 6 l 轴承座 序号名称 b b cl 图2 7b - b 向结构图 c c 73 转动轮 72 基轮 7 l 弹簧 序号 名称 图2 8c - c 向结构侧剖视图 1 6 一 本专用设备主要包括以下部件：床身、砂轮轴系统、工件轴系统、精密转台部件、 精密直线运动部件、冷却与润滑系统、控制系统等。 如图2 4 ，2 5 所示，4 1 是床身、4 2 是砂轮轴系统、4 3 是工件轴系统、4 4 是精密 转台部件、4 5 是精密直线运动部件、4 6 是减速电机、4 7 是精密减速机构、4 8 是伺服 电机、4 9 是校正板。 如图2 6 所示，6 l 是轴承座、6 2 是轴、6 3 是多楔带轮、6 4 是双联轴承、6 5 是法 兰盘、6 6 是工件、6 7 是弹簧夹头、6 8 是调整块、6 9 是底座。 如图2 7 、2 8 所示，7 1 是弹簧、7 2 是基轮、7 3 是转动轮。 机床各部件结构方案是： 床身采用铸铁材质，经过自然失效处理，通过表面研磨加工，保证机床的平面精 度，确保安装部件不变形，精度稳定、可靠。 砂轮轴系统采用动静压轴承，利用液体动静压技术，砂轮轴静止时，轴承处于静 压状态，砂轮轴旋转后，砂轮轴处于动压状态；由于油膜的存在，轴处于无摩擦运动 状态，提高了砂轮轴的轴向、径向的跳动精度，同时通过油膜的压力，确保砂轮轴的 刚度要求。 工件轴系统采用高精度双联主轴轴承，高精度双联轴承在轴承配对时即已调好问 隙，在安装时通过调整法兰盖的间隙来保证螺钉拧紧时产生压力，保证了双联轴承的 间隙，提高了工件轴的跳动精度，从而保证工件的外圆精度。 精密转台部件为消隙蜗轮结构，蜗轮采用两片结构，一片为基轮，另一片为转动 轮，转动轮安装在基轮上可以转动，通过弹簧将两片蜗轮连接在一起，与蜗杆相啮合， 在弹簧力的作用下，蜗轮正、反运动时，两片蜗轮始终与蜗杆齿的两面相接触，紧紧 贴合在一起，消除了传动中的间隙。 精密直线运动部件为高精度的丝杠、导轨，丝杠与滑台的连接采用十字转轴连接 结构，保证运动中滑台不受丝杠直线度的影响，滑台无外力干扰，实现运动部件的高 精度运动。 控制系统采用s i g n s 系统，通过改变传动控制参数，提高系统的分辨率，实现了 微量控制，提高了设备的精度。 第三章鼓形滚轮磨削参数的确定 高压泵鼓形滚轮鼓形凸出量为o o 2 0 _ o o 。m m ，滚轮边缘圆弧形半径 r 1 4 0 0 2 0 0 0 r a m ，经过计算可以确定当取r = 1 7 3 6 o l i m m 时，圆弧的中心线在滚轮的 对称中心线上。采用数控加工，通过改变直线进给量与角位移交化，控制加工轨迹， 保证加工精度。滚轮加工示意图如3 i 所示。 由于滚轮圆弧直径大，不可能围绕圆弧中心点转动，实际加工中，采用理想点， 即可以实现转动的半径上进行转动加工，滚轮围绕加工点进行转动，这样滚轮变成偏 心凸轮，如第二章中的滚轮运动轨迹模拟示意图( 图2 1 ) 所示。 角位移和直线位移数控联动技术，是鼓形滚轮精密制造技术中的关键技术之一。 通过计算，导出角位移和直线位移数控联动曲线方程( 式2 1 7 ) 。该方程是鼓形滚轮实 现数控精密加工所必备的条件，是程序编制的依据。 减速毫桃0 1 8 1 ( - 1 4 7 r m 碡定￥l c r 湃自盼参数： v ，- o 0 2 1 4 m a s ￥。- o 如连畦翘- 7 0 m s 砸转平台妁参羲： n - 0i l45 9 。，s n 。，o 1 l4 55 。s 加速蜂鹾= 1 25 目s 图3 1 滚轮加工示意图 3 1 滚轮顶点移动量的计算 根据2 1 鼓形滚轮磨削加工的数学模型( 式2 1 7 ) ， a = p ( 1 一c o s 0 ) 设b 轴角速度为， 国：d o ( 3 1 ) 国2 a t ( 3 1 ) 根据加工要求，突出量为0 0 2 1 0 。聊”，所以有 一- 0 0 0 4 ( 3 2 ) 根据公式2 1 7 有， 设： ，= 2 0 0 r a m r = 1 7 3 6 m m p = r - r = 1 7 3 6 - 2 0 0 = 1 5 3 6 m m 拟采用直接驱动