（机械工程专业论文）砂带随动研磨曲轴的恒压控制技术研究及应用.pdf

中文摘要 摘要 船用曲轴是直接用于柴油发动机与螺旋桨联接而传递推进力的工具，被誉为 大型船舶“心脏”( 柴油发动机) 的“心脏”：并且它形状复杂，刚度差，容易 变形，质量要求高。同时砂带研磨作为曲轴最终加工工序，除了改变曲轴的加工 精度和表面粗糙度外，使表面形成具有储油功能的纹路，在曲轴运行中起到润滑 的作用。在对曲轴进行随动研磨的过程中，由于曲轴的特殊结构，在加工连杆颈 的过程，随动机构的重力、摩擦力和随时变化的惯性力的影响，会导致在磨削过 程中，连杆颈的受力不均匀；同时磨削时间的长度，会影响表面粗糙度，所以最 终导致连杆颈表面质量的不均匀。所以需对其随动研磨过程进行分析，来实现在 研磨中的恒压研磨。 本文的主要研究内容及结论如下： 首先根据砂带随动研磨曲轴连杆颈的主要特点建立了砂带随动研磨曲轴连杆 颈的运动模型。并在曲轴恒转速研磨条件下，分析了其运动示意图和单颗磨粒的 运动轨迹曲线图。砂带随动恒压研磨连杆颈的条件下，先对曲轴变速旋转进行分 析，即单颗磨粒在磨削连杆颈时磨削点沿着连杆颈表面匀速运动；同时也对连杆 颈的磨削力和随动机构的受力模型进行分析，为了使其连杆颈只受研磨块的夹紧 力。 其次在随动恒压研磨连杆颈条件下，并对其影响连杆颈加工精度误差进行分 析。其中包括：1 ) 受机床装配误差的影响，磨床的随动机构的中心高与曲轴的回 转中心高存在误差：2 ) 曲轴旋转滞后误差；3 ) 研磨块磨损误差。根据其误差分 析，提出了相应的误差补偿模型。 然后对整个研磨系统进行设计与分析。对于机械部分，主要对研磨块进行设 计；对于电气部分，主要包括设计电气控制原理和相关电气元件的选择；对于控 制部分，主要是对整个随动恒压研磨的控制流程图和对曲轴变速旋转的插补原理 进行分析。 最后分别进行常规试验和砂带随动恒压研磨试验，并对两组磨削试验进行对 比分析，得出随动恒压研磨后连杆颈的表面粗糙度的变化范围不大，粗糙度值都 在0 2 岬左右，其表面粗糙度的一致性更好。 关键词：随动研磨，曲轴连杆颈，误差补偿，运动模型，恒压控制 重庆大学硕士学位论文 i i 英文摘要 a b s t r a c t m 撕n ec r a n k s h a ri sat o o l t h a td i r e c t l yu s e df o rc o r u l e c t i n gb e t w e e nd i e s e le 1 1 西n e a n dp m p e l l e ra n dt r a i l s f e r st h ep r o p u l s i o n ，t h a th a sa m o t t ot h el a r g es h i p “h e a n ( d i e s e l e n g i n e ) o f “h e a n ”；a n di t sc h a r a c t e r i s t i ci n c l u d e sc o m p l i c a t e ds h 印e ，p 0 0 rs t i f l h e s s ， e a s yt od e f o 肌a t i o na n dh i 曲q u a l i t yr e q u i r e m e n t s a tt h es 锄et i m e ，p 0 1 i s h i n g c r a n k s h a ri st h ef i n a lp r o c e s s ，i na d d i t i o nt oc h a n g et h em a c h i n i n gp r e c i s i o na 1 1 dt h e s u r f a c e ，t h ef o m l a t i o no fs u r f a c et r a c eh a st h e 如n c t i o no fo i ls t o r a g e ，m a th a sl u b r i c a t e r 0 1 ei nt h eo p e r a t i o no fc r a n k s h a r i nt h ep r o c e s so fm ec r a d k s h a r c r a n k p i nc o o r d i n a t e p o l i s h e db yt h ea b r a s i v eb e h ，b e c a u s eo fm es p e c i a ls t m c t u r eo ft h ec r a i l l ( s h a r ，t h e 酉a v i t yo ft h ec o o r d i n a t em e c h a i l i s m ，衔c t i o na j l di n e n i af o r c ec h a n g e da ta n yt i m e ，t h a t i n n u e n c et h ep o l i s h i n gp r o c e s s ，a j l dt h a tm a yr e s u l ts t r e s so ft h ec r 砌( s h a rc r a n k p i n u n e v e n ，a tt h es 锄et i m ep 0 1 i s h i n gt i m ew i l la 日e c tt h es u r f a c er o u g h n e s s ，s om a tw i l l c a u s et h es u r f a c er o u g h n e s so ft h ec r a i l l ( s h a rc r a n k p i nu n e v e n i no r d e rt or e a l i z et h e c o n s t a i l tp r e s s u r ep o l i s h i n g ，n e e dt oa 1 1 a l y z em e p 0 1 i s h i n gp r o c e s s ， t h i sp 印e rm a i nw o r k sa i l dc o n c l u s i o na r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h em o t i o nm o d e lo fc o o r d i n a t ep 0 1 i s h i n gc r a r 止s h a rc r a r 山p i nw i t ha _ b r a s i v e b e l tw a se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h em a i np r o p e n i e so fm ea b r a s i v eb e l tc o o r d i n a t e l y p 0 1 i s h i n gc r a n k s h a rc r a n k p i n a n du n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ec r a n k s h a f tw a sp o l i s h e d i nt h ec o n s t a n tr o t a t i n gs p e e d ，i t sm o v e m e n ts c h e m a t i cd i a 铲锄a n dt h ec u eo f a b r a s i v et r a je c t o ww e r ea n a l y z e d u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ec r a l l k s h a nc r 鲫1 1 ( p i nw a s p o l i s h e di nm ec o n s t a mp r e s s u r e ，m ec r a n k s h a rv 撕a b l es p e e dr o t a t i n gw a sa n a l y z e d ， n a m e l yt h es i n 酉ea b r a s i v ec o n s t a n tm o v e do nt h es u r f a c eo ft h ec r a n k s h a rc r m k p i n w h e ni tp o l i s h e sm ec r a j l k s h a rc r a l l l ( p i n ；a tt h es 锄et i m e ，t h ec r a j l k s h a rc r a i l l ( p i n p o l i s h i n gf o r c ea n dm ec o o r d i n a t em e c h a j l i s mf o r c ew e r ea i l a l y z e d ，i no r d e rt om a l ( e c r a n k s h a rc r a n k p i n o n l yc l 锄p e df o r c eb yp o l i s h i n gs h o e s e c o n d l y u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ec 啪k s h a rc r a n k p i nw a sp 0 1 i s h e di nm e c o n s t a l l tp r e s s u r e ，a 1 1 di t si n n u e n c eo nt h ee 1 1 r o rp r o c e s s i n gp r e c i s i o nn e c kc o 肋e c t i n g r o dt h ep r o c e s s i n ge o ri n f l u e n c e dm a c h i n i n ga c c u r a c yo ft h ec r a r 山s h a rc r a n k p i n w h i c hw a sa n a l y z e d 1 ) b e c a u s eo fm ei m p a c to fm a c h i n ea s s e m b l ye r r o r s ，t h ee h 0 r e x i s t sb e t w e e nt h ec e n t e rh e i g h to fm ec o o r d i n a t ea n dt h er o t a r yc e n t e rh e i 曲to ft h e c r a i l k s h a r ；2 ) m el a ge r r o ro ft h ec r a n k s h a rv a r i a b l es p e e dr o t a t i n g ；3 ) m ew e a re r r o ro f t h ep 0 1 i s h i n gs h o e a c c o r d i n gt ot h o s ee 1 1 r o r sa n a l y z e d ，a n dm ec o r r e s p o n d i n ge r r o r i i i c o m p e n s a t i o nm o d e l w e r ei n t r o d u c e d a f i e rt h a tm e 酣n d i n gs y s t e mw a sd e s i 鳃e da n da n a l y z e d 。f 。rm e c h a n i c a lp 耐， t h e r em a i n l yd e s i g n e dp 。l i s h i n gs h 。e ；f o r e l e c t r i c a lp a r t ，t h e r em a i n l yd e s i g n e d e l e c t r i c a lc 。n t r o lp 血c i p l ea 1 1 ds e l e c t e d r e l e v a n te l e c t r i cc 。m p 。n e n t s ；f 。rt h ec 。n t r 。l p a n ，t h e r em a i n l ya 1 1 a l y z e dm e o v e r a l l c r a n k s h a rv a r i a b l es p e e dr o t a t i n g w o r kn o wa n dt h ei n t e 叩0 1 a t i o nm e o r ya b o u tm e f i n “l y ，m e r ew e r em er o u t i n ee x p e r i m e n ta n dm ec r a n k s h a rc r a n k p i np 0 1 i s h e d e x d 耐m e n ti nm ec o n s t a n tp r e s s u r e ，m et w og r o u p s o ft h ep o l i s h i n ge x p e n m e n t a l r e s u l t sc o n t r a s t e da 1 1 da n a l y z e d ，a r e rt h e c r a n k s h mc r a n k p i nw a sp 0 1 i s h e di n h e c 。n s t a n tp r e s s u r e ，s u r f a c er 。u g h n e s si s a b 。v e0 2 “ma n di t ss u r f a c er 。u g h n e s s 。fm e c o n s i s t e n c yi sm e b e t t e r k e v w o r d s ：c o o r d i n a t ep 0 1 i s h i n g ，c r 础：s h a rc r a i 岬i n ，e 0 rc o m p e n s a t i 叽，m o v e m e n m o d e l ，c o n s t a n tp r e s s u r ec o n t l 0 1 i v 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 砂带磨削作为一门新的机械加工技术，冈其加工效率高、适应性强、应用范 围广、使用成本低、操作安全方便等优点，广受现代制造业各领域的青睐。目前 已得到广泛应用，发展非常迅速，并成为与传统车削、铣削、砂轮磨削同等重要 的加工手段。同时由于砂带磨削几乎遍及所有领域和其应用形式之多样，范围之 广泛是其它任何一种加工方法所不能比的，所以在国外有“万能磨削”之称【1 。随 着砂带质量的提高、品种的发展和砂带磨床生产水平的提高，砂带磨削已跨入精 密和超精密加工行列，最高精度已达到0 1 m 。高效率、重负荷、高精度、机械化 乃至伞数控智能化的各种砂带磨削技术和设备已在航天、航空、舰船、交通运输 机械、冶金、化工及能源等行业得到广泛应用，并在核电、风电、水电、石油管 线、重化工等重大装备制造业的关键零部件加工过程中发挥着巨大的作用。 中国现在可以称得上为造船大国，但还称不上造船强国，其中重要的原因就 是船舶配套能力低下，存在着“高端短缺、低端过剩”的情况。在船舶配套产品 中，船舶低速柴油机的核心部件曲轴长期必须依赖进口，很大程度上制约了 我国船舶产业的健康发展。同时船用曲轴是直接用于柴油发动机与螺旋桨联接而 传递推进力的工具，被誉为大型船舶“心脏”( 柴油发动机) 的“心脏”【2 j ；并且 它形状复杂，刚度差，易变形，质量要求高。同时由于磨削较一般的切削加工更 易保证工件的加工精度，从而获得良好的表面质量和相对更紧密的公差带，因此 通常都将磨削作为曲轴零件最终加工工序，精磨后的精度一般作为曲轴的最终工 作精度，所以，曲轴的磨削加工是保证曲轴质量的关键步骤之一。由于磨削相对 其他加工来说价格高，且加工效率相对较低，因此，磨削加工效率的提高也很大 程度上决定了整个曲轴的加工成本和效率。因此通常将砂带研磨作为曲轴零件最 终加工工序，研磨后的精度一般作为曲轴的最终工作精度，国外称其为“f i n a lt o u c h ” 【3 10 1 。 砂带随动研磨技术是针对曲轴、凸轮轴、偏心轴等复杂曲面零部件的研磨而 提出的。在随动研磨曲轴中，由于曲轴的特性结构，在加工连杆颈的过程，随动 机构的重力和摩擦力的影响，会导致在磨削过程中，连杆颈的受力不均匀，从而 影响连杆颈的圆度、圆柱度；同时磨削时间的长短，会影响表面粗糙度，所以会 导致连杆颈表面质量的不均匀。所以需对随动研磨过程进行受力分析，以实现恒 压研磨。 曲轴、凸轮轴等复杂曲面的砂带随动研磨在国外已进入实际生产应用，虽然 重庆人学硕士学位论文 有现成的产品，但价格昂贵，且核心技术并不公开，有关砂带随动研磨曲轴的实 际控制技术都是各生产企业的绝密技术，几乎没有实质性公开论文或资料；国内 虽有部分大学和机构进行了一些理论研究 1 1 1 5 ，而且也有相关设备进入生产，但 是现在国内的产品从可靠性和稳定性上都很难满足生产要求，我们要使用该技术， 只能高价购买国外设备。同时，砂带随动研磨技术在国外也还处于发展之中，其 技术的应用也只有数年时间，因此不论从加工精度还是机构优化都具有较大的发 展空间1 6 j9 1 。 综上所述，本文关于“砂带随动研磨曲轴恒压控制”的研究，在理论上，可 促进我国砂带随动研磨曲轴控制理论研究水平的提高；在技术上，可进一步改进 我国砂带随动研磨曲轴机床，在数控磨削技术方面缩短、甚至赶上国外先进水平， 促进数控磨削技术在我国的研究与发展；在经济上，通过砂带随动研磨曲轴恒压 控制的研究，能促进砂带随动研磨曲轴磨床的成功研制，这样不仅可节约大量购 买设备的外汇，而且利用我国的生产价格优势可出口创汇。同时砂带随动技术也 可以广泛应用于其他非圆磨削中，可以提高相关企业的竞争能力。 1 2 国内外砂带随动研磨船用曲轴发展概述 1 2 1 国外砂带随动研磨曲轴发展概况 从文献检索情况看，虽然砂带随动研磨在国外已经产业化，但国外对砂带研 磨曲轴及其控制方面的研究比较少，主要原因是该技术还处于保密状态，而且公 开发表的文献非常少。 国外部分高校对其进行了一定的研究：不莱美大学( b r e m e n ) 的l g u o 等对 凸轮轴磨削非线性适应控制进行了研究。o k a y 锄a 大学的f u j i w a r a 等分析研究了 凸轮和曲轴c n c 磨削的机械原理【2 0 】。汉诺威( h a l u l o v e r ) 大学的t 0 e n s h o f r h a n sk u r t 等在随动磨削的力适应控制方面进行了深入的研究 2 。日本冈山( o k a y 锄a ) 大 学的f u j i w a r a 等在文献【2 2 j 中提出了随动磨削的运动模型。但总的来说在砂带随动 研磨曲轴及其控制方面，国外的文献没有实质性的内容。 同时国外也有很多公司在砂带随动磨削及控制方面也做了大量工作，并且有 商业化的产品推向市场。 日本丰田工机 该公司生产的曲轴砂带随动研磨机被国内广泛应用于汽车发动机曲轴的研磨 加工，采用最新的直线电机和高速c n c 控制，实现曲轴的轴向振动，以及自动上 下料等技术，具有加工效率高、表面质量好等优点，其随动研磨技术的应用趋于 领先地位。该公司开发的曲轴磨床( g f 3 2 ) 内存容量大，可自动编程，同时采用最 新的直线电机和高速c n c 控制单元，能适应各种工件的加工 2 3 之4 1 。 l 绪论 同本n a c h i 公司 2 5 日本n a c h i 公司在2 0 0 7 年1 0 月份推出了曲轴砂带研磨磨床m f 6 5 0 ，如图 1 1 所示。 图1 1m f 6 5 0 曲轴砂带随动研磨机 f i g 1 1f 0 1 f i n ac r a n k s h a ro fm f 6 5 0 该磨床内存容量大，可自动编程，采用最新的直线电机和高速c n c 控制单元， 能适应各种工件的加工。其表面粗糙度可以达到o 0 4 m ，圆度可以达到1 5 “m 。 该机床的加工工件长度为3 5 0 6 5 0 m m ，最大直径为9 5 m m ，同时该机床的占地面 积最小仅为5 6 m 2 ( 一般情况下占地1 0 2 m 2 ) ，其重量减少了4 0 ，仅为4 吨。 德国s u p f i n a 公司 2 0 0 9 年1 0 月在沃尔法赫召开的国际会议上，德国s u p f i n a 公司展出了 s u p f i n ab a s e f l e x1 3 0 0 、s u p f i n ap l a n e tv 、s u p f i n am u l t i t o o l 等各类型砂带研磨磨床， 如图1 2 所示为s u p 6 n ab a s e f l e x1 3 0 0 ，该磨床在运用砂带随动研磨曲轴加工技术 的同时加上了模块化的思想，只要更改其相应的模块就能对各种型号的曲轴或者 凸轮轴进行研磨加工。同时该磨床采用c n c 控制，x 轴的精度可控制在0 0 0 0 1 m m ， 一次装夹可依次研磨凸轮轴主轴颈和桃形凸轮，以及曲轴的主轴颈和连杆颈。其 表面粗糙度可达0 1 p m ，圆度为1 4 m ，每根曲轴的研磨时间为4 2 s 【2 6 | 。 重庆大学硕士学位论文 图1 2s u p f i n ab a s e f l e x1 3 0 0 曲轴砂带随动研磨磨床 f i g 1 2f o l f i n ac r a n k s h a f to fs u p 6 n ab a s e f l e x13 0 0 美国i m p c o 公司【2 7 j 美国i m p c 0 公司是最早从事砂带随动研磨技术研究的单位，到目前为止已有 7 0 余年的历史，该公司拥有各类型的砂带随动研磨磨床，其中发展最为成熟的就 是1 5 4 0 1 6 4 0 曲轴砂带随动研磨机，如图1 3 所示。该机床采用g b q s c ( g e n e r a t i n g b e 撕n gq u a l i t yi n p r o c e s ss i z ec o n t r 0 1 ) 技术以及模块化设计方案，可以根据需要自 动更换相关模块以适应各种型号的曲轴加工，同时由于在线测量技术的运用，能 更好地保证曲轴加工精度。 图1 3i m p c o1 6 4 0 1 5 4 0 曲轴砂带随动研磨磨床 f i g 1 3f 0 1 f i n ac r a n k s h a no fi m p c ol6 4 0 15 4 0 美国q p a c 公司 2 8 美国q p a c 公司运用砂带随动研磨技术研制出了各种型号的曲轴研磨磨头， 4 1 绪论 可以根据需要将曲轴研磨磨头安装在一般车床或者磨床上对曲轴进行研磨加工， 灵活性较强。该公司开发的q 1 9 8 1 0 8 6 磨床主要应用于船用、火车用等大型曲轴 的加工，自动化程度以及加工效率等方面还不足，但是与传统大型曲轴的研磨加 工相比其生产效率以及曲轴表面精度都有较大提高。与汽车发动机曲轴加工相比， 在线监测以及多磨头随动研磨是大型曲轴加工的发展趋势。 在针对大型船用曲轴的随动磨削加工中，一定要提的是n a x o s u n i o n 公司 2 呐，它曾享誉过“磨削高手”的美名。其主要原因是该公司研发的新磨床使用“随 动磨削”技术可以加工出形状和表面粗糙度最好的曲轴。它的最新产品p m 4 6 0 型 磨床是专门为大型曲轴设计的新型磨床，如图1 4 所示。该磨床能加工的曲轴最大 重量为6 t ，长度为6 m 。 n a x o s u n i o n 将“随动磨削”技术完全集成到该曲轴磨床内，使新磨床的 柔性大大提高，增加了可加工的曲轴品种；同时连杆轴颈的偏心磨削可通过砂带 随动来实现，即当连杆颈由于旋转从中心面远离砂轮时，砂轮会作“跟随曲轴运 动”；并且随动磨削靠大量的数据来支持，要求数据传送速度快，而且需要大量的 n c 轴，依靠c n c 技术来实现。p m4 6 0 型磨床采用直线驱动系统、配置测量系统 和模块化结构，并且配置了3 套灵敏度很高的测量系统，其中1 个测头测量工件 的挠曲，1 个测头用于轴颈的轴向和径向定位，另外1 个测头一直在移动，对正 在加工的轴颈直径进行在线测量，c n c 通过该测头的测量值来控制砂轮的磨削。 同时，该机还配置了精密的控制系统。 图1 4 p m 4 6 0 型磨床 f i g 1 4f o l f i n ac r a n k s h a ro fp m4 6 0 1 2 2 国内砂带随动研磨曲轴发展概况 近年来，国内一些高等院校相继对曲轴磨削做了一定探索，但主要是砂轮对 其曲轴进行磨削。 重庆大学硕士学位论文 其中主要包括： 湖南大学的许第红、周志雄等提出了切点跟踪磨削的理论【3 0 。3 1 j ，并认为曲轴 非圆磨削的运动模型是按照切点沿连杆颈表面恒线速度运动并按照恒磨除率进行 修正，湖南大学周志雄教授对切点跟踪磨削刚度误差等进行了分析【3 2 1 。 华中科技大学在曲轴及凸轮轴等非圆柱回转体零件的磨削加工方面做了大量 研究工作 3 3 。3 6 1 ，针对切点跟踪磨削时砂轮架的高精度大行程跟踪控制问题设计了 白适应跟踪算法，提出了开放式磨削c n c 系统的体系结构。 上海大学的吴钢华等提出了恒当量磨削厚度方法【37 1 ，对曲轴非圆磨削轨迹控 制方面进行了研刭3 8 。3 圳。 重庆大学的黄云等提出砂带随动研磨曲轴 4 0 。4 4 1 ，并与重庆三磨海达磨床有限 公司联合研制了船用柴油机曲轴砂带随动研磨磨床。 在国内研究砂带随动研磨曲轴的相关公司比较少，其中包括常柴股份有限公 司 4 5 1 、湖北汽车工业学酣4 6 1 、北京第二机床厂m 等。在该领域处于领先地位的是 北京第二机床厂，其加工的表面粗糙度基本满足生产需要。 北京第二机床厂运用砂带研磨曲轴加工技术在1 9 9 2 年研发了b 2 一0 9 2 曲轴砂 带研磨磨床，在国内具有一定的代表性，采用p l c 工业控制器控制，具有自动装 卡工件、自动抛光曲轴主轴颈和连杆颈的功能。新型抛光机曲轴b 2 6 0 0 8 ，它也具 有抛光曲轴主轴颈和连杆颈的功能，可提高和改善工作的精度和粗糙度；对于控 制部分，抛光头前进、后退采用液压驱动，床头转动和轴向振动采用无级调速， 由操作面板按钮控制机床运动。不足之处是仅采用p l c 控制，未对抛光过程中的 运动和受力进行分析。 经调研发现，现在很多公司还采用传统的砂带磨削曲轴。如南车资阳机车厂， 由两道工序完成。同时也出现了用人来握住随动研磨机构，对主轴颈和连杆颈进 行抛光研磨。在此过程中，由于人为因素很难控制，从而不能使轴瓦均匀地包裹 杂轴颈上，会导致轴颈有些地方过抛，有些地方没有抛到，从而严重影响连杆轴 颈的圆度，甚至会出现一定的锥度，这种加工方法已被淘汰。目前针对连杆颈的 研磨，主要还是采用偏心装夹曲轴，然后用已经绷好砂带的机构，在工人的手的 扶持下缓慢靠近工件进行研磨，同时使其向一个方向缓慢移动，其研磨过程如图 1 5 所示。 通过对文献的分析总结可知，由于国外对随动研磨曲轴机床的关键技术进行 封锁，因此国内对砂带随动研磨曲轴的随动恒压控制方面的研究比较少，目前国 内在砂带随动研磨曲轴的研究方面主要存在以下缺点和不足： 缺少砂带随动研磨曲轴机构的运动分析，包括对其运动模型和受力模型的 研究，以及由于运动模型和受力模型而带来的误差分析。 1 绪论 在砂带随动研磨曲轴的控制方面，与国外相比还有很大的差距。国外已使 用了数控对其进行随动恒压控制，国内还处于纯机械或简单的p l c 控制阶段，未 对其恒压研磨曲轴方面进行考虑。 国内砂带随动研磨曲轴后，曲轴所达到的表面质量、控制的可靠性以及稳 定性与国外还有一定的差距。 图1 5 砂带研磨连杆颈图 f i g 1 5a b r a s i v eb e l tp o l i s h i n gc r a n k s h a rc r a n k p i n 1 3 课题来源、主要研究内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于重庆大学、重庆三磨海达磨床有限公司和重庆市材料表面精密 加工及成套装备工程技术中心共同承担的重庆市科技攻关计划项目 ( c s t c 2 0 0 8 a b 3 0 5 7 ) “汽车发动机曲轴的全自动研磨方法及装备的应用研究”。 1 3 2 研究内容 本文主要开展“砂带随动研磨曲轴恒压控制”的研究，主要研究内容如下： 砂带随动研磨曲轴运动模型和受力模型的研究； 砂带随动研磨曲轴的误差分析； 研磨系统的总体设计； 砂带随动研磨曲轴磨削试验与分析。 本文的章节安排及相应研究内容如下： 第1 章介绍本课题的意义和背景；介绍国内外砂带随动研磨船用曲轴的发 展概况。 第2 章根据曲轴随动研磨曲轴连杆颈的磨削特点，分析砂带随动研磨曲轴 重庆大学硕士学位论文 连杆颈的运动模型，建立实现砂带随动研磨曲轴连杆颈的恒压控制条件下的运动 模型，并对如何保证砂带的恒压研磨进行分析。 第3 章在随动恒压研磨连杆颈条件下，对影响连杆颈加工精度误差进行分 析。其中包括机床装配误差、曲轴旋转滞后误差和研磨块磨损误差。根据其误差 分析，并提出了相应的误差补偿模型。 第4 章研磨系统的设计，主要包括机械部分的设计、电气的设计和控制系 统的设计。对于机械部分，主要设计了随动机构和研磨块；对于电气部分，主要 包括设计电气控制原理和相关电气元件的选择；对于控制系统的设计，在砂带随 动恒压研磨曲轴的过程中，先对整个随动恒压研磨的控制流程图进行分析；然后 对整个随动恒压研磨的控制流程图进行分析，最后是对曲轴变速旋转的插补原理 进行分析，而在这里采用时间分割法插补法。 第5 章在对试验装置进行选择设计的同时，对磨削试验的相关参数进行优 化：在两组对比的试验中，分别进行了砂带随动研磨曲轴连杆颈试验( 常规试验) 和随动恒压的研磨试验，并分别记录和分析研磨后工件的表面粗糙度值，然后对 两种数据进行对比分析，同时也对其粗糙度和轮廓测试图进行分析，最后得出采 用砂带随动恒压研磨后的曲轴连杆颈的表面粗糙度一致性非常好，粗糙度值也满 足最终的要求。 最后，对课题项目和论文进行总结论述，并展望砂带随动研磨曲轴的恒压控 制有更深层次的研究内容。 2 砂带随动研磨曲轴数学模型研究 2 砂带随动研磨曲轴数学模型研究 砂带随动研磨连杆颈时，首先要建立恰当的数学模型，通过对数学模型的分 析发现，在随动研磨连杆颈的过程，随动机构的重力、摩擦力和随时变化的惯性 力的影响，会导致在研磨过程中，连杆颈并非只受研磨块的夹紧力，因此会对连 杆颈的表面质量产生影响。因此，本章主要是对如何保证砂带的恒压研磨进行分 析研究。 2 1 曲轴砂带随动研磨磨床简介 在砂带随动研磨曲轴连杆颈的过程中，工件以主轴颈中心定位并绕其回转， 在一次装夹中，可以依次完成曲轴主轴颈和连杆颈的研磨加工。曲轴砂带随动研 磨磨床( t h e 酣n d i n gm a c h i n eo fc o o r d i n a t ep o l i s h i n gc r a n k s h a rw i t ha b r a s i v eb e l t ) 如图2 1 所示，该磨床为重庆三磨海达磨床有限公司和重庆大学针对四缸船用柴油 机曲轴所设计的曲轴砂带随动研磨磨床。其工作原理是通过伺服驱动控制工件的 变速旋转运动( c 轴) ；根据曲轴连杆颈的旋转角度的数学模型生成相应的数控加 工代码，控制的水平移动气缸和摆动气缸力的变化，促使随动机构跟随曲轴的运 动而运动；并且使工件与砂带的接触始终保持除了夹紧气缸的夹紧力而无其它外 应力的作用，从而实现曲轴连杆颈的恒压研磨。 l 一变速箱；2 砂带；3 一主轴颈研磨磨头；4 一连杆颈研磨磨头；5 摆动气缸；6 一水平气 缸：7 一夹紧气缸；8 一尾座；卜导轨；l 旺曲轴；1 1 研磨块；1 2 一床身；1 3 一平衡块。 图2 1 曲轴砂带随动研磨磨床 f i g 2 1t h eg r i n d i n gm a c h i n eo fc o o r d i n a t ep o l i s h i n gc r a n k s h a rw i m a b m s i v eb e l t 重庆大学硕士学位论文 综上所述，随动研磨法克服了现有曲轴类零件研磨方式的缺点，而且能大大 减少辅助时间，可极大程度地提高曲轴加工效率。随动研磨法具有高精度、高柔 性和高效率的优点，是曲轴和凸轮轴研磨加工方法的发展方向。 2 2 砂带随动研磨曲轴运动模型建立 砂带随动研磨连杆颈的过程是随动机构运动与曲轴回转运动合成磨削运动的 过程。在研磨连杆颈的过程中，随动研磨机构始终跟随曲轴连杆颈旋转而不停地 上下摆动和往复水平移动，同时在这个运动过程中，通过水平气缸力和摆动气缸 力的变化，使其连杆颈只受研磨块的夹紧力，因此其砂带随动研磨连杆颈的随动 装置的基本结构如图2 2 所示。 图2 2 随动装置的基本结构 f i g 2 2t l i eb a s i cs 仃u c m r eo fm ec o o r d i n a t em e c h a n i s m 根据随动机构的基本结构和其运动特点，建立砂带随动研磨连杆颈的运动模 型如图2 - 3 所示。 2 砂带随动研磨曲轴数学模型研究 t 广 穴 二一。 _ i蒯锄fl 疡疡易弼一 o ， ? 一x 0 曲轴主轴中心位置；d 。砂带中心位置；吃连杆颈中心位置；，曲轴主 轴半径( m m ) ；k 曲轴连杆颈半径( m m ) ；随动研磨机构摆动中心到连杆颈中心 位置的距离( m m ) ；a 连杆颈上磨削点转过的弧段所对应的角度；磨削过程中曲 轴所转过的角度；x 随动研磨机构摆动中心的x 坐标。 图2 3 砂带随动研磨连杆颈运动模型 f i g 2 3t h em o t i o nm o d e lo fc o o r d i n a t ep o l i s h i n gc r a n k s h a rc r a n k p i nw i m a b r a s i v eb e l t 从图2 3 可以看出，砂带包裹在连杆颈上，参与连杆颈研磨的磨粒很多，而且 砂带磨削过程是包括诸多不同形状磨粒的切刃对工件表面产生的综合磨削。在曲 轴旋转一周时，各磨粒的研磨路径相同，并且都重复前一个磨粒的运动。所以为 了便于分析和观察磨粒在连杆颈研磨过程，假定点以为一个磨粒。 2 3 曲轴恒转速研磨条件下数学模型分析 2 3 1 机构的示意图分析 当曲轴匀速旋转一周时，磨粒以随动研磨连杆颈的示意图如图2 4 所示： 挺 a 繁 。铡c ( a )扩n a ( a ) 、e 卜卜 一觞 。l 彰劳黝 、 拶潦 - 图2 4 随动研磨连杆颈的示意图 f i g 2 4t h es c h e m a t i cd i a g r 锄o fc o o r d i n a t ep 0 1 i s h i n gc r a n k p i n 重庆大学硕士学位论文 由图2 4 可见，当曲轴绕回转中心从o 转到7 2 时，磨粒以研磨了连杆颈 上的弧段a b ；从万2 转到刀时，研磨了连杆颈上的弧段b c 。显然，弧段a b 和 弧段b c 的长度是不相等的，因此，磨粒以在连杆颈上各磨削点的研磨时间是不同 的。曲轴转角处于o 时，连杆颈上磨削点的速度与磨粒的速度方向相反；曲轴 转角处于乃时，连杆颈上磨削点的速度与砂带上磨削点的速度的方向相同；连杆处 于其他转角时，连杆颈上磨削点的速度与砂带上磨削点的速度的方向成一角度。 由此可知，在整个研磨过程中，各磨削点的研磨速度大小和方向是不相等的。当 曲轴匀速旋转一周时，磨粒以除了受研磨块的夹紧力外，还受到随动机构的重力、 摩擦力和随时变化惯性力的影响。 磨粒研磨不同磨削点时间的不同及研磨速度大小的变化都会影响连杆颈的表 面质量，使连杆颈的表面质量不均匀。因此，对连杆颈进行随动研磨的前提条件 是：磨粒在各个磨削点的研磨速度大小相同，同时也要使单颗磨粒在研磨连杆颈 时的研磨压力恒定，即实现曲轴的随动恒压研磨。 2 3 2 曲轴恒转速磨削条件下单颗磨粒运动轨迹 对图1 所示的砂带随动研磨连杆颈的运动模型进行分析。 当曲轴匀速旋转一周时，磨粒以也在连杆轴颈研磨了一圈。在朋】，坐标系中， 曲轴旋转角为时对应a 点的坐标( x 。、艺) 为： x 。= r c o s + c o s p 艺= r s i n 一s i n 乡( 2 1 ) 臼：a r c s i n 塑璺壁 名 曲轴的尺寸参数取值如下：，= 1 3 7 m m ，= 2 1 0 m m ，= 7 5 3 m m ，则根据式 2 1 ，可以绘出磨粒以的运动轨迹曲线图，如图2 5 所示，磨粒沿着椭圆的轨迹对连 杆颈进行研磨，这也和在资阳南车进行调研中，发现把磨成椭圆的连杆颈相一致。 m m l 图2 5 磨粒的运动轨迹曲线图 f i g 2 5t h ec u r v eo fa b r a s i v et r a j e c t o r y 2 砂带随动研磨曲轴数学模型研究 2 4 连杆颈恒压研磨条件下数学模型分析 由于曲轴的特殊结构，在加工连杆颈的过程，随动机构的重力、摩擦力和随 时变化的惯性力的影响，会导致在研磨过程中，连杆颈并非只受研磨块的夹紧力， 从而影响连杆颈的表面质量和圆度。同时研磨时问的长短，会影响工件的表面质 量。因此，在对砂带恒压随动研磨连杆颈进行分析时，也需同时确保单颗磨粒的 恒线速度研磨各个磨削点。 2 4 1 单颗磨粒切刃切除材料的理论模型 砂带磨削过程是包括诸多不同形状磨粒的切刃对工件表面产生的综合切削， 所以单颗磨粒切刃切除材料理论模型的建立有助于解释磨粒与材料表面的切除过 程和交互机理。为了研究方便，故作如下假设： 磨粒是切刃顶角为2 臼的锥体，且轴线指向接触轮回转中心； 磨粒在砂带基材上是近似均匀分布的； 接触轮对切刃密度分布的影响忽略不计。 磨削过程中单个磨粒切刃作用在被加工表面可视为一个很硬的锥体与较软的 平面相接触，其单颗磨粒切刃切除材料示意图，如图2 6 所示。根据b o w d e n 和t a b o r 的试验研裂4 引，当两个面接触时，单颗磨粒法向接触压力c 。和实际接触面积4 满 足如下关系： 肛每 亿2 ， 仃 吒，= 脚矿 ( 2 3 ) 式中仃。材料的流动压力； h 矿材料的维氏硬度； 尼磨粒与工件相互作用影响因子，通常尼= 1 0 8 。 图2 6 单颗磨粒切刃切除材料示意图 f i g 2 6r e m o v a lm a t e r i a ld i a g r a mo fs i i l 9 1 ea b r a s i v ec u 仕i n ge d g e 如图2 6 所示，磨粒切刃顶角是2 目，参与磨削后其端部将出现小平面。由几 重庆火学硕士学位论文 何关系可推出磨痕的断面面积为： 4 ，= ( 4 4 ) ( 2 4 ) 式中么。单颗磨粒作用在材料表面的磨痕断面面积； 么i 磨粒端部小平面面积。 由于砂带接触轮具有弹性大和接触压力小的双重特点，通过对接触轮与硬材 料表面接触状态的分析发现，磨粒切刃与工件是弹性接触，且在接触长度方向压 力值呈抛物线分布。根据上述分析得到磨粒切刃法向接触压力e 。为： 。( x ) ：警( 1 一乏) ( 2 5 ) 式中m 接触区切刃密度； x 磨粒在竖直方向的位置量； 以接触长度，并且( 一以x 以) 。 对式( 2 5 ) 求导，令f 。( x ) = 0 ，当x = 0 时，磨粒切刃法向接触压力取最大 值是： e 。( x ) 。= ( 2 6 ) 将式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 6 ) 代入式( 2 4 ) ，磨粒切刃在材料表面的平均最大磨 痕断面面积得： 4 m ( x ) m x2 赤( 赢荔一彳z ) ( 2 7 ) 刀t a n z ，咒圮h 由几何关系可得出磨痕断面最大谷底高度： 耻( 淼一挣c o t 臼 ( 2 8 ) 由式( 2 8 ) 可知，磨痕断面最大谷底高度同法向接触j 玉力、有效切刃密度、 磨粒锥顶角值、被加工材料维氏硬度有关，在这些因素中，易于控制的是法向接 触压力；磨痕断面最大谷底高度同法向接触压力呈幂函数关系，压力越大最大谷 底高度也越大，切除材料的体积也越大，但接触压力不能无限制地增大，否则会 出现砂带快速磨损，砂带打滑和工件烧伤等不良后果。从几何角度分析，又可以 得出磨痕断面规格是由谷底最大高度和锥角确定，而轮廓最大谷底高度又间接反 映了表面粗糙度数值。因此，在精磨和抛光加工中，减小磨痕断面最大谷底高度 和切刃顶角可以提高表面粗糙度，现实条件下可以通过选择较小的法向压力和细 粒度砂带来实现，同时通过保证单颗磨粒的恒定法向磨削力来实现对磨削后的表 面质量的一致性，最终可以通过连杆颈的恒压研磨来实现 2 4 2 连杆颈恒压研磨条件下的运动模型 对图2 3 所示的砂带随动研磨连杆颈的运动模型的进行分析。 1 4 2 砂带随动研磨曲轴数学模型研究 曲轴变速转动的运动规律 当曲轴旋转一周时，磨粒口也在连杆轴颈研磨了一圈，从恒压研磨来考虑，则 要求磨粒口在连杆轴颈表面恒角速度研磨，故磨粒口在连杆颈表面上研磨的角速度 为2 万，z 6 0 ( 曲轴平均转速为，z = 6 咿i i i l l ) ，则： a = 2 刀胛f 6 0 = 2 万f ( 2 9 ) 如图2 3 所示，在三角形d d 。d ，