影響凸輪非圓磨削精度的主要因素分析

摘 要:凸輪加工精度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)性能起決定性的作用，所以其加工質(zhì)量和加工效率將直接影響到汽車工業(yè)和船舶行業(yè)的發(fā)展。本文主要對(duì)于影響凸輪非圓磨削精度的主要因素進(jìn)行探討，對(duì)下一步進(jìn)行凸輪加工設(shè)計(jì)具有一定幫助。

關(guān)鍵詞:凸輪 非圓磨削 升程誤差

中圖分類號(hào):TG580文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)04(a)-0092-01

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，各種新的磨削原理與方法層數(shù)不窮，磨削在提高加工效率和精度，拓展其加工應(yīng)用的范圍等方面也取得了長足的進(jìn)步[1，2]。本文則主要對(duì)于影響凸輪非圓磨削精度的主要因素進(jìn)行探討。

1 機(jī)床特性對(duì)磨削精度的影響

1.1 砂輪架的不平衡分析

高速隨動(dòng)磨床砂輪架系統(tǒng)的不平衡主要有兩個(gè)來源:一是主軸，主軸在設(shè)計(jì)上一般都使它相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線是軸對(duì)稱的，但是由于工藝上的一系列因素，最后裝配完畢的轉(zhuǎn)子總是不能做到質(zhì)量上的完全對(duì)稱，也就是存在一定的不平衡量，這種不平衡通常稱之為原始不平衡，且主軸的偏心質(zhì)量往往是分布在若干個(gè)不同的回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，將會(huì)形成慣性力偶，因此對(duì)主軸需要進(jìn)行靜平衡和動(dòng)平衡。二是砂輪的不平衡，磨削會(huì)改變砂輪的平衡，砂輪的不平衡是隨著工作的進(jìn)行而不斷變化的，需要隨時(shí)調(diào)節(jié)砂輪的不平衡以降低其對(duì)加工系統(tǒng)的影響。那么有必要對(duì)主軸不平衡在高速磨削中的影響以及砂輪的不平衡在高速磨削中影響分別進(jìn)行研究。

(1)主軸的不平衡分析。高速磨削時(shí)，磨床各運(yùn)動(dòng)部件之間作速度很高的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)副接合面之間將發(fā)生急劇的摩擦和發(fā)熱，高的運(yùn)動(dòng)加速度也會(huì)對(duì)磨床產(chǎn)生巨大的動(dòng)載荷。雖然高速機(jī)床的“主軸單元”動(dòng)態(tài)性能好，回轉(zhuǎn)精度一般可以做小于1μm，但高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下所產(chǎn)生的慣性力卻很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磨削加工時(shí)作用在主軸軸承上的磨削力。通過數(shù)據(jù)比較，可以看出高速磨床因不平衡引起的慣性力是普通磨床的10倍左右，因此高速磨床的結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)磨床相比，應(yīng)具有更高的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)剛度和更高的抗振性。

(2)砂輪的不平衡分析。由于砂輪并非是均質(zhì)組織體。砂輪系統(tǒng)的重心總是偏離主軸中心。高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，必然引起砂輪系統(tǒng)乃至整個(gè)機(jī)床的振動(dòng)。在此情況下修整出的砂輪．難以加工高精度的零件，加工中還將導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生振紋，并影響機(jī)床使用壽命。因此，必須對(duì)砂輪進(jìn)行靜平衡。靜平衡只解決了使偏心重量產(chǎn)生的慣性力之和為零的問題。由于轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，各偏心重量所產(chǎn)生的離心慣性力不在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，而形成慣性力偶，這樣轉(zhuǎn)子仍是不平衡的，所以就必須進(jìn)行動(dòng)平衡，使各偏心重量產(chǎn)生的慣性力和慣性力偶矩同時(shí)得以平衡。砂輪必須進(jìn)行動(dòng)平衡。

一般的砂輪動(dòng)平衡裝置，是用傳感器測(cè)出不平衡量的大小及方位，停車后在砂輪法蘭盤的相反方位，加平衡塊或移動(dòng)平衡塊，反復(fù)進(jìn)行，逐步減小振動(dòng)，從而達(dá)到平衡。隨著近幾年磨床自動(dòng)化，已普遍采用自動(dòng)平衡裝置。目前常用的砂輪自動(dòng)平衡技術(shù)有加水平衡式自動(dòng)平衡裝置、氟利昂平衡式自動(dòng)平衡裝置、Dittel重塊平衡式自動(dòng)平衡裝置以及光信號(hào)砂輪自動(dòng)平衡裝置。綜合比較各種平衡裝置后，Dittel平衡系統(tǒng)是最為可靠的，適用于一般或精密磨削場(chǎng)合。

1.2 伺服跟蹤滯后對(duì)磨削精度的影響

伺服系統(tǒng)是數(shù)控磨床的重要組成部分。伺服系統(tǒng)的性能，如最高移動(dòng)速度、跟蹤精度、定位精度等動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能等，在很大程度上決定了數(shù)控磨床的加工精度、加工表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。我們將對(duì)伺服系統(tǒng)的位置跟蹤誤差所造成的凸輪精度誤差進(jìn)行分析。

在凸輪非圓磨削中，為了保證X、C兩坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)能夠加工出合格的凸輪輪廓，需要X、C兩坐標(biāo)軸瞬時(shí)啟停、變向或改變速度。這就要求控制系統(tǒng)除了有較高的定位精度外，還要有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，能同時(shí)精確控制各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的位置、速度乃至加速度，穩(wěn)定而靈活地跟隨指令信號(hào)，即要求系統(tǒng)具有高的輪廓跟隨精度。但是由于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，要求電機(jī)完全準(zhǔn)確跟蹤運(yùn)動(dòng)指令非常困難，這必將影響X、C兩坐標(biāo)軸的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)和位置精確性，并最終導(dǎo)致凸輪的形狀誤差。

2 磨削力對(duì)凸輪精度的影響

磨削時(shí)由于砂輪的切削刀和工件材料的接觸而產(chǎn)生磨削力。磨削力由切向磨削分力和法向磨削分力所合成。切向磨削分力主要影響磨削時(shí)的動(dòng)力消耗和磨粒的磨損，而法向磨削力與砂輪和工件之間的接觸變形和加工質(zhì)量有關(guān)，故可作為控制磨削過程的一個(gè)主要參數(shù)。

凸輪輪廓法向磨削力是隨時(shí)間和頭架角速度變化的，這是凸輪磨削與一般外圓磨削的根本區(qū)別。一般外圓磨削，除砂輪表面狀況變化外，磨削條件基本上是穩(wěn)定的，而凸輪磨削時(shí)，除基圓部分外，磨削條件都在不斷變化，被磨削點(diǎn)瞬時(shí)速度變化很大，從而導(dǎo)致磨削力的劇烈變化，因此很容易產(chǎn)生輪廓精度誤差。

一般由于速度的影響，凸輪兩側(cè)往往會(huì)出現(xiàn)較大的正誤差，即俗稱“偏胖”。在生產(chǎn)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，即使凸輪兩側(cè)升程完全一樣，磨削后發(fā)現(xiàn)其誤差狀況并不相同，而是有規(guī)律的使降程面比升程面更胖。

3 砂輪半徑變化對(duì)凸輪精度的影響

磨削工件時(shí)，為了提高工件的表面質(zhì)量，一般要時(shí)常修整砂輪，或者更換新砂輪。因此，磨削一段時(shí)間后，砂輪半徑就會(huì)有較大的變化。加工凸輪零件時(shí)，由于磨削點(diǎn)并不始終在砂輪中心與凸輪中心的連線上，所以砂輪半徑的變化對(duì)凸輪升程磨削有影響，并且比較復(fù)雜，必須對(duì)之進(jìn)行細(xì)致分析研究。

3.1 砂輪半徑變化對(duì)凸圓弧精度的影響

磨削新零件時(shí)，先要“對(duì)刀”，即讓砂輪與凸輪基圓剛好相接觸。設(shè)接觸點(diǎn)為A，顯然，要使磨出的基圓直徑相同，不論標(biāo)準(zhǔn)砂輪還是實(shí)際砂輪都將與凸輪基圓相切于A點(diǎn)，故兩砂輪在A點(diǎn)相內(nèi)切。砂輪直徑的變化，造成了磨削點(diǎn)的移動(dòng)，既改變了升程轉(zhuǎn)角，也改變了此升程轉(zhuǎn)角下的升程值，產(chǎn)生了系統(tǒng)誤差。

3.2 砂輪半徑變化對(duì)凹圓弧精度的影響

設(shè)某一時(shí)刻磨削到圖示凹圓弧位置，砂輪本應(yīng)磨削P點(diǎn)，由于實(shí)際砂輪半徑比理論砂輪小，故實(shí)際只磨削到P’點(diǎn)，且升程轉(zhuǎn)角由θ變成了θ’，這樣，測(cè)量D點(diǎn)的升程時(shí)，便產(chǎn)生了的升程誤差。其中頂圓部分和基圓部分升程為零，相當(dāng)于普通外圓磨削，故不受砂輪半徑變化的影響。過渡圓弧曲率半徑、曲率中心與基圓接近，受砂輪半徑變化的影響很小，可不做考慮。

4 零點(diǎn)標(biāo)定誤差對(duì)凸輪精度的影響

凸輪的加工過程中，通常借助凸輪端面的鍵槽或者定位孔來作為基準(zhǔn)來標(biāo)定零點(diǎn)。而本文所研究的大型凸輪片體積和重量都非常大且沒有鍵槽或定位孔作為基準(zhǔn)，所以人工對(duì)該凸輪進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定和毛坯余量預(yù)估計(jì)的精度和效率比較低。

當(dāng)零點(diǎn)標(biāo)定超前于理論零點(diǎn)時(shí)，升程部分將變肥，降程部分將變瘦;而當(dāng)零點(diǎn)標(biāo)定滯后于理論零點(diǎn)時(shí)，升程部分將變瘦，降程部分則變肥，升降程部分無論是變肥還是變瘦都將造成凸輪的輪廓誤差。

5 結(jié)語

總結(jié)了影響凸輪磨削精度的一些因素，分析了這些因素對(duì)加工誤差的影響程度及變化規(guī)律，為應(yīng)用誤差補(bǔ)償技術(shù)提供了一定的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧朝暉，王娟，曹德芳，等.凸輪軸磨削加工過程的動(dòng)態(tài)優(yōu)化和仿真[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，36(5).

[2]白大鵬，解明利，王竹葉.平面凸輪磨削過程磨削力的適應(yīng)控制研究[J].燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，33(1).