基于三軸聯動的曲軸連桿頸切點跟蹤磨削法研究

徐志揚 黃興紅

浙江機電職業技術學院,杭州,310053

基于三軸聯動的曲軸連桿頸切點跟蹤磨削法研究

徐志揚 黃興紅

浙江機電職業技術學院,杭州,310053

通過分析目前的基于兩軸聯動的曲軸連桿頸切點跟蹤磨削法存在的各種不足,提出了基于三軸聯動的曲軸連桿頸切點跟蹤磨削法,砂輪可以在X軸和Y軸兩個方向進行插補;對該磨削法的運動模型進行了研究。結果表明,采用這種磨削方法可以實現磨削點的恒線速度磨削,多次實驗后的數據顯示,連桿頸的圓柱度可以達到2μm,表面粗糙度Ra達到0.4μm,為獲得較高的曲軸加工精度和表面質量提供了有效的方法。

曲軸;切點跟蹤;磨削;恒線速度

0 引言

曲軸是發動機的關鍵零件之一,零件本身結構復雜,生產批量大,精度要求高。傳統的曲軸磨削分兩道工序在兩臺不同的磨床上分別對主軸頸和連桿頸進行磨削加工,需要兩次定位,因而存在定位誤差大、加工效率低等缺陷。切點跟蹤磨削法是隨著磨削技術和數控技術的發展而出現的一種新型的工序集中式磨削加工方法。國外對切點跟蹤磨削法的研究比較早,20世紀90年代初就形成了商業化的產品。美國納克索斯(Naxos-Union)公司、德國肖特(Schaudt)公司、日本TOYODA MACH INEWORKS公司和美國蘭迪斯(LANDIS)公司等均在切點跟蹤磨削法的研究方面做了大量工作,并且有商業化的產品推向市場,但其價格昂貴,且其核心技術并不公開,幾乎沒有實質性公開論文或資料[1-2]。國內雖有部分大學和機構進行了一些理論研究[3-6],但到目前為止,還僅止于理論和實驗摸索中。同時,國外的曲軸磨削技術也還處于發展之中,加工精度(圓柱度3～4μm)還遠達不到外圓磨削的同等精度(圓柱度1μm)[3]。目前的基于兩軸聯動的曲軸連桿頸切點跟蹤磨削法存在磨削點磨削時間不均和磨削速度不斷變化等缺陷。為此,本文提出了基于三軸聯動的曲軸連桿頸切點跟蹤磨削法,砂輪可以在X軸和Y軸兩個方向進行插補,對該磨削法的運動模型進行了研究,并進行了實驗,取得了良好的效果。

1 切點跟蹤磨削法的原理

1.1 基于兩軸聯動的切點跟蹤磨削法

圖1是基于兩軸聯動的切點跟蹤磨削法的示意圖,其工作原理是通過控制工件的旋轉運動和砂輪的橫向進給運動,使砂輪外圓與工件被加工表面輪廓始終相切,從而實現曲軸連桿頸表面的加工。切點跟蹤磨削法克服了傳統的曲軸類零件磨削方式的缺點,一次裝夾就能完成對曲軸主軸頸和各連桿頸的磨削,消除了因工件兩次裝夾而產生的定位誤差,保證了加工精度,顯著縮短了輔助時間,對設備、廠房的投資也可顯著減少。

圖1 基于兩軸聯動的切點跟蹤磨削法的示意圖

然而,基于兩軸聯動的切點跟蹤磨削法在曲軸恒速轉動的情況下,會出現以下問題[6]:

(1)砂輪在連桿頸上各接觸點(磨削點)處的磨削時間不同。從圖1可見,當曲軸繞回轉中心從0°轉到90°時,所磨削的弧段 AB的長度與從90°轉到180°時磨削的弧段BC的長度顯然是不相等的,因此,砂輪在連桿頸上各磨削點處的磨削時間是不同的。

(2)連桿頸上各磨削點處的相對磨削速度不同。連桿頸上磨削點的速度與砂輪上磨削點的速度在曲軸轉角處于0°時,方向相反,處于180°時,方向相同,處于其他轉角時,成一定角度。可見,各磨削點的相對磨削速度是不斷變化的。

(3)曲軸位于不同轉角時,磨削點處磨削速度的大小和方向均不一樣,所以磨削力也不一樣。

(4)曲軸轉動時,磨削力的方向、曲軸的受力狀態均是變化的,加之工藝系統剛度的變化,導致了曲軸在不同轉角處產生的彈性變形量也不一樣。

通過分析可見,連桿頸表面各點的磨削速度、磨削時間與受力狀態是不同的,從而影響了曲軸的加工精度和表面質量,為此,提出了基于三軸聯動的切點跟蹤磨削法。

1.2 基于三軸聯動的切點跟蹤磨削法

圖2 基于三軸聯動的曲軸連桿頸切點跟蹤磨削法的示意圖

圖2為基于三軸聯動的曲軸連桿頸切點跟蹤磨削法的示意圖,曲軸繞主軸中心O順時針旋轉,砂輪自身順時針旋轉的同時,可以在X軸和Y軸兩個方向上進行插補運動。這樣,當曲軸的連桿頸處于不同位置時,砂輪與連桿頸的中心點始終處于同一水平線上,接觸點(磨削點)始終位于水平的砂輪與連桿頸的連心線上。當連桿頸中心處于最高點時,此時的磨削點為A,曲軸順時針旋轉90°以后,磨削點移動到了點B,連桿頸磨削過的弧段為AB,如圖2中陰影所示。當連桿頸中心處于最低點時,磨削點為C,連桿頸磨削過的弧段為AC,再次順時針旋轉90°以后,此時的磨削點為D,連桿頸磨削過的弧段為AD。這樣,曲軸旋轉一周,連桿頸正好完成一周的磨削。本實驗中,機床采用西門子公司數控系統和直流伺服驅動裝置,實現磨削循環中工作臺的自動跳擋,砂輪架的自動切入和粗、精、微進給轉換間隔停留以及砂輪修正器的自動修整循環。

2 基于三軸聯動的切點跟蹤磨削法的運動模型分析

如圖3所示,O為曲軸主軸頸中心,以O為坐標原點建立坐標系,O′為砂輪中心點,O″為連桿頸中心點,連桿頸半徑為r w,砂輪半徑為r s,曲軸偏心距為L。當曲軸從連桿頸中心最高點順時針轉過角度α時,此時的磨削點為M,所磨削過的弧段為AM。此時磨削點M的坐標為

圖3 磨削點軌跡分析圖

如圖4所示,以砂輪與連桿頸的接觸點M(磨削點)為坐標原點,建立相對坐標系。當曲軸連桿頸中心處于最高點時,此時的磨削點為A,曲軸順時針轉過角度α后,此時的磨削點移動到了點M,點A繞連桿頸中心順時針轉過了角度β,幾何分析可知,α=β,兩邊同時對時間 t求導,可得到 ω0=ω1,其中 ω0為曲軸主軸頸旋轉的角速度,ω1為連桿頸上磨削點繞連桿頸中心O″旋轉的角速度。由于曲軸主軸的旋轉是勻速的,所以磨削點繞連桿頸中心O″的旋轉也是勻速的,可見,連桿頸上的每一點被磨削時,其磨削的時間是均勻的,即磨削點在連桿頸上勻速運動。連桿頸的半徑可近似看作是恒定的,因此磨削點M繞O″旋轉的速度vw也是恒定的。

圖4 磨削點速度分析圖

對連桿頸上磨削點M處的速度進行分析,vO為磨削點M相對于坐標原點O的絕對運動速度,其方向垂直于OM,可以把vO看成兩個運動速度的合成速度,其一為磨削點M繞連桿頸中心O″旋轉的速度v w,其方向始終垂直于X′軸,其二為連桿頸中心O″繞坐標原點O旋轉的速度vO″,其方向垂直于OO″,將其平移至磨削點M處。v w的大小和方向是確定的,vO和vO″的方向是確定的,根據速度合成的平行四邊形法則,從圖4中可以看出v w與vO″的合成速度即為vO。

在相對坐標系中,砂輪在磨削點M處的速度v s是恒定的,其方向始終垂直于X′軸。磨削點M繞O″旋轉的速度v w與砂輪在磨削點M處的速度v s的合成速度即為相對磨削速度,由此可見,連桿頸上的每一點被磨削時,其相對磨削速度也是恒定的。

根據磨削基本原理可知,當量磨削厚度h eq是控制磨削質量的基本參數[7],對外圓磨削有

式中,a為徑向進給量。

磨削力是磨床設計的基礎,也是磨削研究的主要因素,磨削力的計算經驗公式[8]為

式中,K0、K1、K2、K3、λ均為系數;Ft、Fn分別為切向和法向磨削力。

由此可知當量磨削厚度和磨削力均與工件速度和砂輪速度有關。可見,采用基于三軸聯動的切點跟蹤磨削法可以實現恒定的磨削力,通過對砂輪的徑向進給量進行控制,亦可實現恒定的當量磨削厚度,從而提高了連桿頸的加工精度和表面質量。

3 檢測補償

采用切點跟蹤磨削法磨削曲軸連桿頸時,由于運動過程中各參數相互關聯,故磨削過程是復雜的運動過程,曲軸回轉軸與砂輪軸的聯動誤差、曲軸在磨削力的作用下沿磨削點法向的彈性位移、砂輪實際半徑與砂輪理論計算半徑的差值、磨削力對曲軸回轉中心的力矩隨曲軸轉角的變化等因素,都會為磨削加工后的連桿頸帶來誤差[9]。為此,在加工過程中,采用了在線測量裝置,把磨削工藝分為粗磨和精磨,粗磨時將大余量磨削掉,在磨削過程中允許產生的圓柱度誤差為6～8μm。粗磨后進行在線檢測,采用意大利MARPOSS測量儀(含軸徑測量、軸向定位、在線自動平衡、消空程、防碰撞等功能),機械手將測試探頭接觸曲軸頸,轉動幾周,得到圓柱度誤差信息,并計算出不同角度范圍內的誤差值,對跟蹤的兩個坐標進行脈沖補償(由控制系統自動進行補償),補償過程在精磨過程中進行,多次實驗后的數據顯示,這樣加工后的連桿頸表面粗糙度Ra可以達到0.4μm,圓柱度達到2μm。

圖5和圖6所示分別為采用圓度儀定標確定基圓,MARPOSS測量儀動態檢測記錄得到的補償前后曲軸連桿頸的磨削輪廓曲線,可以看出,檢測補償在基于三軸聯動的切點跟蹤磨削原理基礎上,提高了連桿頸的加工精度和表面質量。

圖5 補償前的磨削輪廓曲線

圖6 補償后的磨削輪廓曲線

4 結論

與基于兩軸聯動的曲軸連桿頸切點跟蹤磨削法相比較,采用基于三軸聯動的曲軸連桿頸切點跟蹤磨削法主要有兩個優點:

(1)連桿頸與砂輪的各接觸點(磨削點)處的磨削時間相同。

(2)曲軸位于不同轉角時,連桿頸上各磨削點處的磨削速度的大小和方向均不變,從原理上實現了曲軸連桿頸的恒線速度磨削。

再輔以在線測量裝置,可以使加工后的連桿頸圓柱度達到2μm,表面粗糙度Ra達到0.4μm,從而提高曲軸的使用壽命,改善潤滑條件。與基于兩軸聯動的切點跟蹤磨削法相比,大大提高了加工的精度和表面質量,具有重要的實際應用價值。

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Research on Crankshaft Tangential Point Tracking Grinding M ethod Based on Three-axis

Xu Zhiyang Huang Xinghong
Zhejiang Instiute o f Mechanical&Electrical Engineering,H angzhou,310053

By analyzing the deficiency o f current crankshaft tangential point tracking grinding method based on tw o-axis,crankshaft tangential point tracking grinding method based on three-axisw as p roposed.The grinding w heel can move in X and Y axis direction.Their motion m odels were studied.The results show that thisgrindingmethod can achieve constant speed grinding.A fter experiments,the crankshaft pin can bem achined w ith the cy lindricity of2μm and the surface roughness Ra of 0.4μm.And it providesan effectivemethod to obtain high machining accuracy and surface quality of the crankshaft pin.

crankshaft;tangential point tracking;grinding;constant velocity

TG580.1

1004—132X(2011)05—0518—04

2010—04—30

國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2008A A042504)

(編輯 袁興玲)

徐志揚,男,1959年生。浙江機電職業技術學院現代制造研究所副教授。主要研究方向為模具設計與制造和CAD/CAM技術應用。發表論文2篇。黃興紅,男,1955年生。浙江機電職業技術學院機電實訓中心高級講師。