机车发动机用凸轮轴磨削新工艺.pdf

第 8期 2 0 1 3年 8月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M od ula r M a c h ine To o l Au t o m a t ic M a nu f a c t ur ing Te c h niq ue NO 8 Aug 2 0 1 3 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 3 0 8 0 0 9 5 0 4 机车发动机用凸轮轴磨削新工艺 王歆令 李 静 沈 南燕 何永 义 1 上 海 市机械 自动化及 机器 人 重 点实验 室 上海 2 0 0 0 7 2 2 上 海 大学 机 电工 程 与 自动化 学 院 上 海2 0 0 0 7 2 摘 要 针 对 机 车发动 机 用 凸轮 轴 几何 特 征 分 析 了传 统磨 削工 艺 中磨 削全 程使 用一 种 型 号 的砂 轮 对 凸轮 轮廓 的 凹弧段 进 行加 工 的难 点和 弊端 提 出了大 小砂 轮 配 合磨 削 凸轮 轴 的 新 工 艺 实施过 程 中 为 了保证 大砂轮 避 开 凸轮 轮 廓 的凹弧 段且 加 工过程 无振 动 冲 击 完成 了凸轮 凹 弧段 轮廓 重 构 以及 砂 轮架速度优化 磨削实验结果表明 采用该新 工艺能提 高凸轮轴磨削的精度和效率 具有很 高的可 行 性 关 键词 凸轮 轴 磨 削新 工 艺 轮廓 重构 速 度优 化 中图分 类 号 T H1 6 T G 6 5 文 献标 识码 A Th e Ne w Gr i ndi ng Pr o c e s s f o r Ca m s ha f t in Loco m o t i ve En g ine W ANG Xi n lin g LI J in g SHEN Na n y a n HE Yo ng y i 1 S h a n g h a i K e y L a b o r a t o r y o f Me ch a n ica l A u t o m a t io n a n d R o b o t i cs S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2 C h in a 2 S ch o o l o f Me ch a t r o n ic E n g in e e r in g a n d Au t o ma t i o n S h a n g h a i Un iv e r s it y S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2 C h in a Abs t r a c t Acc o r di n g t o t he g e o me t r ic cha r a c t e r is t ic s o f ca ms ha f t in lo c o mo t iv e e n gi ne t his pa p e r a na ly z e d t h e d i f f ic u lt ie s a nd dis a d v a n t a ge s o f t r a d it io n a l g r in d in g p r o c e s s t h a t t h e c o n c a v e a r c o f ca m is m a chi ne d b y s in g le t y p e g r i nd in g wh e e l t h us a n e w g r in di ng p r oce s s t h a t c a ms h a f t is ma c h in e d b y la r g e s iz e a nd s ma ll s i z e g r in d ing wh e e ls wa s p r o p o s e d To a v o id t he co nca v e a r c wh e n m a chin i ng b y la r g e s iz e g r i nd in g whe e l a nd g u a r a n t e e no v ib r a t io n a n d impa c t t h e r e c o n s t r u c t io n o f c o n c a v e a r c a n d o pt imiz a t i on o f g r in d ing c a ia g e v e lo cit y we r e co mple t e d The e x pe r ime n t a l r e s u l t s o f g r in d in g s ho w t ha t g r i nd in g a c c u r a cy a n d e f f icie n cy we r e imp r o v e d by t his n e w p r o ce s s wh ic h d e mo ns t r a t e s i t s f e a s ib ilit y Ke y wo r d s c a ms ha f t ne w g r in d in g p r o ces s c o n t o u r r e c o ns t r uct io n v e lo c i t y o p t imiz a t io n O 引 言 凸轮轴 是 机 车 发 动 机 关 键 零 部 件 之 一 主 要 的 作用 是 控制 机 车 气 门 的 开 启 和 闭合 与 发 动 机 的 功 率 扭矩输出以及运转的平顺性有很直接的关系 因 此 凸 轮轴 加 工 质量 的高低 很 大 程 度上 影 响 着发 动 机 性 能 的优劣 机车发动机用凸轮轴具有重量 大 体积大 型线 复杂 多相位等特点 特别是部分轮廓 可能 因为性能 或控制需求设计为凹弧线 该段 型线曲率为负 在 实 际加 工 中会 引 起 砂 轮 干 涉 及 表 面 烧 伤 等 问题 大 大增 加 了加 工 难 度 因此 通 常 采 用 半 径 较 小 的 砂 轮 进行 整周 磨 削 的 传 统 工 艺 但 是 加 工 的效 率 和 精 度均受到影响 为了实现机车发动机用 凸轮轴的高 效高精度加工 与上海机床 厂有限公 司合作共 同开 发 MK 8 3 4 0 1 5 0 0凸轮 轴数控 切 点跟踪 磨 床 本 文 将 从凸轮随动磨 削机理及运 动模型 出发 结 合机车发 动 机用 凸轮 轴 的几 何 特 征 详 细分 析 了带 有 凹 弧 线 段凸轮轴的加 工难 点 提 出凸轮凹弧段 轮廓重构方 法 及大 小砂 轮配 合磨 削新 工艺 1 凸轮凹弧段加工难点 1 1 机 车发 动 机用 凸轮轴 描述 本 文加 工对 象是 两 根 长度 不 一 的机 车发 动 机 用 凸轮轴 长 轴 型 号 为 青 岛 淄 柴 博 洋 8 N 3 3 0 长 度 为 9 0 1 5 ram 基 圆半 径 为 7 0 mm 短 轴 型 号 为 青 岛 淄 柴 博 洋 6 N 3 3 0 长 度 为 4 5 9 4 m m 基 圆 半 径 为 7 3 mm 每 根 凸轮轴 上 均 按顺 序 配 有 进 气 凸轮 排 气 凸 轮 以 及 油泵 凸轮 长短轴 上 各 凸轮 凹弧 段 轮 廓对 应 角 度 范 围及 该 范 围 内最 小 曲率半 径如 表 1 所 示 收稿 日期 2 0 1 2 1 2 0 7 修 回 日期 2 0 1 3 0 1 0 3 基金 项目 上 海市科 学技术委员会科 研计 划项 目 1 1 5 1 0 5 0 0 4 0 0 作者简介 王歆令 1 9 8 8 一 男 上海人 上海 大学上海市 机械 自动化及机 器人重点 实验室 硕士研究 生 研究方 向为数 控技术 E ma i l s e v i li n w a n g 1 2 6 t o m 通讯 作者 李静 1 9 8 2 一 女 上海大学机电工程 与 自动化 学院讲师 博 士 研 究方 向数控 技术 E ma i l ia n b e s t s h u e d u cn 9 6 组 合机 床与 自动 化加 工技 术 第 8期 表 1长短轴各 凸轮 内凹型线轮廓对应角 度范 围及该范 围内最小 曲率半径 长 轴 短 轴 进气 排气 油泵 进气 排气 油泵 凸轮 凸 轮 凸 轮 凸轮 凸 轮 凸 轮 内 凹 弧 段 6 2 0 7 6 8 1 1 5一l2 9 l0 7 1 2 l 轮廓对应 2 3 2 2 4 3 2 3 9 5 2 5 0 5 角度范围 8 7 9 4 9 6 最小曲 率 半 径 2 4 O 1 3 9 1 3 9 1 3 7 I n If1 由表 1可 知 长 轴 上 的 油 泵 凸 轮 与 短 轴 上 三 片 凸轮 均存 在 凸弧段 和 凹弧段 1 2运动 干 涉 本 文凸 轮轴 加 工 采 用 切 点 跟 踪 磨 削法 它 通 过 数控磨床头架驱动工件旋转 砂轮架根据头架位 置 随 动跟踪 进 行 磨 削 现 以短 轴 上 油 泵 凸 轮 为 例 根 据切 点 跟踪 磨削 运动 模 型 在 头 架匀 角 速 度 旋转 的情 况 下 分 别 求 出 使 用 大 小 砂 轮 加 工 时砂 轮 中 心 的位 移 凸轮转 角在 0 3 6 0 区间上 取等 间 隔的 3 6 0 1 个点 O 1 2 3 6 0 1 求出各点对应砂轮 中心位移 i 1 2 3 6 0 1 后 将 相 邻 两 个 凸 轮 转角点对应的砂轮中心位移相减 得到一组差值 仿 真 结果 如 图 1和 图 2所 示 圃 圃 l 一 一一 图 1 大砂 轮加工时砂轮 中心位移差值 曲线 1升程期 一 程段1 一 n 1 n I 0 j 扔 一 扔 勘 X i i i 图 2小砂轮 加工时砂轮中心位移差值 曲线 比较 图 1和 图 2可 知 小 砂轮 磨削 油泵 凸轮 升程 段期间 相邻两点砂轮 中心位移差值始终为正 表示 砂 轮 架始终 向 远 离 凸 轮 的方 向运 动 符 合 切 点 跟 踪 磨 削 规律 而大 砂 轮磨 削油 泵 凸轮 升 程 段期 间 在 凸 轮 转 角为 6 8 9 6 时 油 泵 凸 轮 凹弧段 轮 廓 处 相 邻 两 点砂 轮 中 心 位 移 差 值 为 负 表 示 砂 轮 架 突然 出 现 向靠 近 凸 轮 方 向 运 动 的状 况 此 时 砂 轮 将 与 油 泵 凸轮 发生 干 涉 因此 无 法 利 用 大 砂 轮 按 照 切 点 跟 踪磨 削方 法完成 该 凹弧段 轮廓 的加工 1 3表 面烧 伤 在实 际磨 削 加 工 中 针 对 凸轮 这类 非 圆 零 件 而 言 其 各磨 削点 的接触 弧 长不 尽相 同 式 1 是 凸轮 磨削 时砂轮 与工 件 的运动 接触弧 长公 式 其 中 为磨 削点 的运 动接触 弧 长 R 为砂 轮半 径 为工件 的速度 V 为 砂 轮 的线 速 度 a 为 磨 削 深 度 P为磨 削点 的 曲率 半 径 当 P 0时 为 凹 弧段 的 曲率 半径 P R 由式 1 可得 在磨 削点位 置 相 同且 砂轮 线速 度 及 磨 削 深 度 一 定 的 情 况 下 与 磨 削 凸 弧 段 时相 比 磨 削 凹弧 段 时 的运 动 接 触 弧 长 较 长 若 凹弧 段上 磨 削 点 曲 率 半 径 与 砂 轮 半 径 越 接 近 则 运 动接 触弧 长越 长 因 此使 用 大砂 轮 磨削 凸轮 凹弧 段 时 接触 区域 增 大 砂 轮 与 凸 轮 凹 弧 段 之 间 空 隙减 小 冷却液不易流入 热量不易散发 局部温升过高 最终 将导 致 凸轮表 面烧 伤 1 4效 率与精 度 虽然 使用 小砂 轮磨 削 带有 凹弧段 的 凸轮 可 以避 免 运 动 干涉 但 是 其 运 动 接触 长 度 较 小 进 给 量 小 导致 磨削 时 间长 加 工效 率低 此外 小 砂 轮 为 了达 到较 高 的线 速 度 转 速 需 要 提 高 因此 加 速 了砂 轮 的磨 损 长 时间 大进 给量磨 削时 加工精 度无 法保 证 2 凸轮轴磨削新工艺 2 1大 小砂轮 配合 磨削 新工 艺 在磨 削加 工 带 有 凹弧 段 的 凸轮 时 单 独 使 用 大 砂轮可能带来运动干涉和表面烧伤问题 而单 独使 用小 砂轮 则会 对加 工 效 率 和精 度产 生 影 响 为 了避 免这 些 问题 本 文 提 出大 小砂 轮 配合 磨 削 的新 工 艺 即加 工前 期 使 用 大 砂 轮 进 行 粗 磨 和 半 粗 磨 当 运 动 到 凸轮 凹弧段 时按 照 新 的轨 迹 走刀 避 开 该 凹弧段 将大部分工件余量磨完之后使用小砂轮进行 凸轮整 周 的精磨 和光 磨 期 间 磨 完 未 加 工 的 凹弧 段 该 工 艺充 分利 用 了 大 小 砂 轮 磨 削 的 优 点 可 同 时保 证 加 工精 度和 效率 凸轮 凹弧 段 轮 廓 重 构 是 该 磨 削 l 丁 艺 实 施 的 重 点 既要保 证砂 轮走 刀 过程 中不 磨 削到 凸 轮 凹 弧段 又要使砂轮进给过程中尽可能平稳 无振动冲击 2 2 凸轮 凹弧段 轮廓 重构 方法 为 了充分 利 用 大 砂 轮 磨 削 的优 点 将 凸 轮 凹弧 段轮廓 重新 构 建 成 凸 弧 然 后 根 据 新 的轮 廓 给 出一 组新 的升 程值 并 求 得 新 的加 工 轨迹 使 得 大 砂 轮磨 削加 工时 避 开 凹弧 区域 如 图 3所 示 首 先 在 凸 轮 轮廓上选取 曰两个点以确定重构 的范围 选 取的 两点要 满 足 以下 三点 要求 2 0 1 3年 8月 王 歆令 等 机 车发 动机 用 凸轮 轴磨 削新 工 艺 9 7 1 轮廓 上 两点 A B所 圈定 的 区域 必 须 包 含 凸 轮 完整 的 凹弧线 段 2 为保证重构以后 凹弧段向外凸 要求 A B两 点的切线交点在凸轮轮廓外 3 日 两 点 切 线 形 成 的 夹 角 应 尽 可 能 接 近 1 8 0 使 砂 轮运 动轨 迹长 度缩 小 一 图 3 凸 轮 凹弧 段 轮 廓 重 构 示 意 图 构建 曲线 的 数 学 表 达 式 常 采 用 多 项 式 其 特 点 是运 算速 度 快 曲 线 形 状 易 于 控 制 适 合 于 工 程 运 用 若多 项 式 的 阶数 过 低 则 很 难 保 证 曲 线 在 连 接 点上 的连 续性 然 而 采 用过 高 阶数 的 多项 式 则 很 难 控制 曲线 的 形 状 因此 本 文 采 用 三 次 多 项 式 进 行 凹弧 段轮 廓 重 构 既 能 保 证 曲线 在 连 接 点 上 的连 续 性又 能容 易使 曲线 保 持外 凸 的形状 2 2 1 基于三次多项式 的凸轮凹弧段轮廓重构 为了实现重新构建的凸弧段与其余 凸轮轮廓段 在连 接点 上 连续 且 光 滑 过 渡 就 需 要 满 足 两 段 曲线 在连 接 点处 的 坐标 及 一 阶 导 数 均相 同 由一 般 数学 知识 可 知 一 个 三 次 多 项 式 根 据 这 四个 条 件 可 确定 三 次 多项式 方 程如 公式 2 所 示 y C o C l C 2 戈 C 3 2 首先 根 据 提 供 的 凸 轮 角 度 升程 值 表 推 出 凸轮 轮廓点的极坐标 0 P 然后将这些点转换成直角 坐标 Y 并 进行 三 次样 条 曲线 拟 合 求 出 连接 点 A B的斜 率 k 将 其 代 入如 下 公 式 即可 求 出 三次 多项 式 的系 数 1 1 口 0 1 0 1 XB 日 2 3 2x B 3 C0 Cl C2 C3 y k k 日 3 最后 根 据三 次 多项 式 可求 得 新 的凸 轮 轮 廓 和 升 程值 进 而求 出新 的 大砂 轮 加 工 轨迹 以 短轴 油 泵 凸轮 为例 其 重 构 范 围 为 5 8 1 0 2 重 构 前 后 的 凹弧段 轮廓 如 图 4所 示 圃 一 图 4重构前后 的凸轮 凹弧段 轮廓 2 2 2 凸轮 重构 段砂 轮架 速度 优化 凸轮轮 廓 的改 变将 直 接影 响头 架 的速 度 和 加 速 度 从 而 导 致 砂 轮 架 的 速 度 和 加 速 度 也 发 生 变 化 本 文在 恒线 速 度 规 律 控 制 下 进 行 仿 真 基 圆 转 速 为 lO r m in 根 据 切点 跟 踪磨 削运 动 模 型 以及 短 轴 油 泵 凸轮 升程 值 计 算 得 到 头架 转 速 和砂 轮 架 的位 移 并分别对其进行求导处理后最终得到砂轮架进给速 度 加 速度 和头架 的加速 度 图 5和 图 6为 头架 的转 速 加速 度 曲线 图 7和图 8分 别为 砂轮 架 的速度 加 速 度 曲线 譬 盘 一 水 旦 制 刘 量 最 剖 岔 j 磨削时间 f S 图 5头 架 转 速 曲线 吨虱 圄一 1 l 图 6头 架加 速 度 曲线 1 重构段 图 7砂 轮 架进 给 速 度 曲 线 痢 图 8砂 轮 架 进 给 加 速 度 曲线 从 图 中可 以 看 出 在 重 构 范 围 内 的砂 轮 架 进 给 加 速度 最 大可 达 到 1 5 2 0 mm s 由 于机 车 用 凸 轮 轴 体 积和 重量 都较 大 因此 在实 际磨 削 中 受 到机 床 伺 服 系统 性能 和本 身 惯 性 的 制 约 砂 轮架 加 速度 过 大 会使 得 轴有较 大 的滞后 跟 踪 误 差 变大 同时 产 生 机 床振 动 影 响 凸轮 磨 削 表 面质 量 由此 可 见 利用 三 次多 项式 进行 凸 轮 凹弧 段 轮廓 重 构 可 能会 影 响砂 4 2 2 8 6 4 2 8 6 4 2 2 l l 1 l O O O m p 一 李 毒 球冰 9 8 组 合机床 与 自动化 加 工技术 第 8期 轮 架 的运动 性 能 由于在 凸轮 重构 段 头 架 与砂 轮 架 的速 度 变 化 趋 势 一致 本 文提 出通 过 降低 头 架 的 加速 度 减 小 砂 轮 架 加速 度 以此 优 化 砂 轮 架 速 度 的方 法 具 体 实 施 过 程为 在 凸轮 重构 范 围 内 确 定 头 架 转速 曲线 上 与 砂 轮架 过大 加 速 度 相 对 应 的 区 域 构 造 三 次 多 项 式 曲线替 代原 有 区域 上 的转 速 曲 线 首 尾 连 接 点 要 求 连续且平滑过渡 新的转速曲线趋势要求更为平缓 可 达到 降低 该段 头架 加速 度 的 目的 图 9为 局部 优化 前 后 的头 架 转 速 曲线 图 l0和 图 1 1 分 别为 局部 优化 后 的头 架加 速 度 砂 轮 架 进 给 加 速度 曲 线 由 图可 知 头 架 在 重 构 段 上 的加 速 度 减 小 砂 轮 架 的 进 给 加 速 度 也 从 原 来 的 1 5 2 0 m m s 降 到 了 6 5 4 m m s 因 此 从仿 真结 果 看 出该 方 法 能 达到降低该段砂轮架加速度的目的 皇 一 水 0 重掏显f 2 2 2 I 优化后l 8 6 4 2 1 I优化 蒯 8 6 一 1 昌 一 赵 一 泳 一 1 1 磨削时间 S 图 9局 部 优 化 前 后 的 头架 转 速 曲线 J j重构段 I 几 磨削时间 s 图 1 0头 架 加 速 度 曲线 l 磨削时间 S 图 ll砂 轮 架 进 给 加 速 度 曲线 3 凸轮轴磨 削新工艺实验 凸轮 轴磨 削新 工 艺 实验 在 与 上 海机 床 厂 有 限公 司合 作共 同 开发 MK 8 3 4 0 1 5 0 0凸轮轴 数控 切点 跟踪 磨床 上进 行 该机 床 配有发 那科 3 1 0 i M O D E L A数控 系统 采用 双 砂轮 回转结 构 通 过 发 那科 高 速 磨 削循 环 和进给 叠加 实 现 凸轮 轴 的磨 削 加 工 图 1 2为 凸轮 加工 实验 环境 实验 对象 为 短 凸 轮 轴 上 的 油 泵 凸轮 主 要 工 艺 参 数 如 下 基 圆半 径 r 7 3 m m 大 砂 轮 半 径 R 1 7 5 m m 小 砂 轮 半 径 R 9 5 ra m 砂 轮 线 速 度 8 0 m s 基 圆 转 速 n lO r m in 粗 磨 进 给 量 a 2 0 i m r 半粗 磨进 给量 2 精磨进 给 量 a 5 z m r 磨 削 过程采 用恒 线速 规律 控制 图 1 2 凸 轮 加 工 实 验 环境 磨削加工后通过 A D C O L E检测仪检测 出的凸轮 升 程误 差 曲 线 如 图 l3所 示 凸 轮 升