MKQ8312數控凸輪軸磨床動態性能分析及結構改進研究

摘 要:數控凸輪軸磨床作為汽車、摩托車等零部件的工作母機，要求具有合理的結構和動態性能。MKQ8312數控凸輪軸磨床是專為汽車、摩托車、內燃機、發動機、油泵等生產廠家設計制造的專用設備，MKQ8312數控凸輪軸磨床動態性能分析及改進，對于新機床結構動態性能的改善、加工精度的提高、開發周期的縮短和開發成本的降低無疑是十分重要的。

關鍵詞:數控凸輪軸磨床動態特性結構改進

中圖分類號:TG659文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(b)-0102-02

1 國內外數控凸輪軸磨床研制現狀

在各種金屬切削機床中，磨床的NC、CNC化進展最慢，80年代初歐美及日本先后開發CNC控制的無靠模凸輪軸磨床，90年代初開始形成商品化。國外較典型的機型有:德國Schaudt公司CF5型CNC磨床，Fortuna、Werke公司FN3CNC磨床，英國Butler Newall公司Camtronic型CNC磨床，日本日平3LCNC磨床等等。國外，機床結構的動力學修改和動態優化設計等方面的研究發展很快，普遍采用有限元法對機床部件及整機進行動態特性分析，并已用于高速機床的開發和研究中如:西班牙的M.Zatarain用有限元方法對立柱移動式銑床進行模態分析;韓國科學技術高級學院JungDoSuh和DaiHilLee用有限元方法分析高速機;M.A.Elbestawi分析了高速銑削和磨削相結合的加工方法;Chi-Wei Lin等利用有限元模型與動態試驗相結合的方法等。床的主軸外殼的阻尼特性，并用有限元法對高速銑床的滑塊結構進行分析。相比之下，國內數控凸輪軸磨床起步較晚，投入不足，因而發展較慢，但也取得了一些可喜的成績。如湖南大學國家高效磨削技術工程研究中心經過幾十年艱苦努力，研制了一代比一代先進的凸輪軸磨床。由于湖南大學磨削理論與實踐一直處于國內領先地位，因此，從其凸輪軸磨床研制發展歷史可看出我國凸輪軸磨削技術發展的歷程。

2 MKQ8312數控凸輪軸磨床簡介

MKQ8312數控凸輪軸磨床特點:該機床是專為汽車、摩托車、內燃機、發動機、油泵等生產廠家設計制造的專用設備，它采用西門子公司802S三軸數控系統，控制砂輪架，修正器和工作臺的運動。本機床具有單循環磨削、雙循環磨削、自動跳檔、自動修整砂輪并自動補償尺寸等功能，砂輪主軸采用動靜壓軸承，砂輪線速度最高為60m/s，機床采用封閉型防護罩、外型美觀、結構合理、加工精度高、生產效率高，是凸輪軸的理想加工設備。其應用范圍:摩托車、油泵等行業凸輪軸生產企業，也可用于小排量轎車發動機凸輪軸生產。

3 MKQ8312凸輪軸磨床主要零部件動態特性分析及改進

3.1 工作臺動態特性分析及結構改進

UG建立工作臺的三維模型

MKQ8312數控凸輪軸磨床的工作臺為長條矩形薄壁結構，其長為1800mm，寬為335mm，高為55mm。長度遠大于寬度，為了配合頭架的安裝，其中有一部分寬度增加118mm，且中間有一矩形空腔，右半部分有一小凸臺，用于安裝尾架的支座，右半部分工作臺面為傾斜狀，此為流水面，用于回流冷卻液，厚度從10mm遞增到45mm，工作臺面下面是一個平導軌和一個V形導軌，與工作臺面整體鑄造而成，為了減輕工作臺重量而又使其具有足夠剛度，工作臺底面設有橫豎相間的筋板，筋板普遍厚度為20mm，僅有兩塊為40mm。

采用UG建立工作臺的三維模型時，工作臺面可以采用基本矩形命令直接生成，傾斜面可以采用掃描切除，兩個導軌采用二維草圖拉伸為三維實體，橫豎相間的筋板可以采用挖空兩筋板相間的矩形腔方式生成。

首先，改變筋板參數

1)增高筋板高度(即減薄工作臺面厚度)

改進e1型:將所有筋板高度均增加5mm，即將工作臺面厚度減少5mm

改進e2型:將所有筋板高度均增加10mm，即將工作臺面厚度減少10mm

2)改變筋板厚度

改進f1型:將所有筋板厚度由20mm增為40mm

改進f2型:將所有筋板厚度由20mm增為30mm

改進f3型:將所有筋板厚度由20mm減為15m

3)加長筋板長度

改進g1型:將工作臺橫向筋板長度由220mm增為225mm

改進g2型:將工作臺橫向筋板長度由220mm增為230mm

其次，改變筋板位置

改進h1型:調整筋板位置使其各個筋板之間間隔相等，即使其均勻分布

改進h2型:將長臺面兩邊筋板移向中間，然后筋板均勻分布

27MKQ8312數控高速輕型凸輪軸磨床動態性能分析及結構改進研究

改進h3型:將長臺面的兩塊40mm的筋板分別移向兩邊

改進h4型:將每個40mm厚的筋板改為兩塊20mm厚的筋板，然后筋板均勻布置。

3.2 墊板動態特性分析及結構改進

墊板也是MKQ8312數控凸輪軸磨床的一個重要部件，起著定位與導向的作用。并且其下與床身相連，其上與砂輪底座及砂輪架相連，故墊板的振動特性一方面影響床身，另一方面又影響著砂輪架，這樣直接影響著加工精度。因此其動態特性的研究不容忽視。其振型主要表現為突出部分的擺動及兩條導軌的扭轉，因此墊板的突出部分及兩個導軌是結構的薄弱環節，要提高墊板剛度需從這兩部分改進入手。同時改進時要充分考慮墊板的裝配及整體外形尺寸不變，否則改進是沒意義的。

對于突出部分加不同型式的筋板(包括加橫向，縱向，“十”字筋板，“X”型筋板，“W”型筋板，“V”型筋板，“米”型筋板)對提高墊板固有頻率作用不大，與原墊板相比，加筋板反而使其固有頻率有所降低，加縱向筋板、“十”字筋板、“W”字筋板、“V”型筋板雖然第一階頻率稍微有所提高，但后幾階頻率都降低，綜合考慮MKQ8312數控高速輕型凸輪軸磨床動態性能分析及結構改進研究，突出部分加筋板不但增加墊板質量，而且固有頻率反而降低，故此種改進方法不可取。由此得出一結論:盲目加筋板并不一定就能提高零部件剛度，還與其它因素有關，并不是筋板數目越多，頻率就越高。

3.3 頭架動態特性分析及改進

頭架是固定工件主軸和擺軸的重要支撐件，同時也是導輪軸及閥體的支撐件，因此頭架的振動特性直接影響工件的加工精度，頭架振動越強，加工過程中工件偏離主軸越大，因此很有必要對頭架進行動態特性分析。

(1)原頭架的有限元結果及分析

對頭架進行模態分析的前5階模態變形圖如圖所示。

從仿真分析結果(模態變形圖)可以看出，頭架振型主要表現為彎曲扭轉，其中尤其是開口處部分彎曲扭轉較為明顯，初步斷定頭架采用空腔體以及各個側面開口大大降低了頭架的性能，使得其彎曲扭轉極為嚴重。但根據實際裝配情況，完全采用實體箱是不可能的，在考慮頭架的裝配及整體外形尺寸不變的情況下對頭架做如下改進，使其彌補開口及空腔帶來的不利影響。

(2)改進方式

改進一:從改變壁厚及凸臺厚度入手。考慮到壁厚及凸臺厚度增加會使頭架質量增加，頭架過重會給工作臺等支撐件帶來壓力，而且過重會給裝配帶來困難。因此在改進過程中，將其壁厚質量控制在5mm內。分析結果表明，壁厚增加，頭架的固有頻率稍微有所增加，效果不明顯。改進二:改變頭架內部支撐圓柱形體的筋板參數。通過將筋板的厚度和長度增大或縮小5mm，然后對其進行分析。結果表明改變筋板參數后，頭架的固有頻率幾何沒改變，因此此方法不可取。改進三:增加一條支撐圓柱形的筋板。改進中在原頭架筋板基礎上，分別從增加一條水平筋板;一條斜向筋板;改變斜向筋板的傾向度及傾斜方向入手，對其固有頻率進行能夠了比較。與原頭架相比，固有頻率提高均不到3HZ;其中增加斜向筋板比橫向筋板固有頻率稍微大些，傾斜度越大，固有頻率越高。總的來說，對頭架剛度提高不大。

4 結語

本文針對MKQ8312數控凸輪軸磨床關鍵零部件，包括頭架主軸、工作臺、墊板等進行動態性能分析。在此基礎上，進行了結構改進研究。研究表明:頭架主軸的強度符合設計要求;開口大小是影響零部件剛度的重要因素;改善筋板的位置和形狀是提高結構固有頻率的關鍵，其意義比單純增加筋板厚度或數目更為重大;部件改進應結合具體的邊界條件以及某些部位的特殊作用，不能盲目任意的改進，否則改進后的部件沒有多大的實際意義。

參考文獻

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