基于三軸聯(lián)動的曲軸連桿頸切點(diǎn)跟蹤磨削法研究

徐志揚(yáng) 黃興紅

浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,杭州,310053

基于三軸聯(lián)動的曲軸連桿頸切點(diǎn)跟蹤磨削法研究

徐志揚(yáng) 黃興紅

浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,杭州,310053

通過分析目前的基于兩軸聯(lián)動的曲軸連桿頸切點(diǎn)跟蹤磨削法存在的各種不足,提出了基于三軸聯(lián)動的曲軸連桿頸切點(diǎn)跟蹤磨削法,砂輪可以在X軸和Y軸兩個(gè)方向進(jìn)行插補(bǔ);對該磨削法的運(yùn)動模型進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,采用這種磨削方法可以實(shí)現(xiàn)磨削點(diǎn)的恒線速度磨削,多次實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)顯示,連桿頸的圓柱度可以達(dá)到2μm,表面粗糙度Ra達(dá)到0.4μm,為獲得較高的曲軸加工精度和表面質(zhì)量提供了有效的方法。

曲軸;切點(diǎn)跟蹤;磨削;恒線速度

0 引言

曲軸是發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零件之一,零件本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜,生產(chǎn)批量大,精度要求高。傳統(tǒng)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(jìn)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(diǎn)跟蹤磨削法是隨著磨削技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型的工序集中式磨削加工方法。國外對切點(diǎn)跟蹤磨削法的研究比較早,20世紀(jì)90年代初就形成了商業(yè)化的產(chǎn)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(diǎn)跟蹤磨削法的研究方面做了大量工作,并且有商業(yè)化的產(chǎn)品推向市場,但其價(jià)格昂貴,且其核心技術(shù)并不公開,幾乎沒有實(shí)質(zhì)性公開論文或資料[1-2]。國內(nèi)雖有部分大學(xué)和機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一些理論研究[3-6],但到目前為止,還僅止于理論和實(shí)驗(yàn)摸索中。同時(shí),國外的曲軸磨削技術(shù)也還處于發(fā)展之中,加工精度(圓柱度3～4μm)還遠(yuǎn)達(dá)不到外圓磨削的同等精度(圓柱度1μm)[3]。目前的基于兩軸聯(lián)動的曲軸連桿頸切點(diǎn)跟蹤磨削法存在磨削點(diǎn)磨削時(shí)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(lián)動的曲軸連桿頸切點(diǎn)跟蹤磨削法,砂輪可以在X軸和Y軸兩個(gè)方向進(jìn)行插補(bǔ),對該磨削法的運(yùn)動模型進(jìn)行了研究,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),取得了良好的效果。

1 切點(diǎn)跟蹤磨削法的原理

1.1 基于兩軸聯(lián)動的切點(diǎn)跟蹤磨削法

圖1是基于兩軸聯(lián)動的切點(diǎn)跟蹤磨削法的示意圖,其工作原理是通過控制工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和砂輪的橫向進(jìn)給運(yùn)動,使砂輪外圓與工件被加工表面輪廓始終相切,從而實(shí)現(xiàn)曲軸連桿頸表面的加工。切點(diǎn)跟蹤磨削法克服了傳統(tǒng)的曲軸類零件磨削方式的缺點(diǎn),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(chǎn)生的定位誤差,保證了加工精度,顯著縮短了輔助時(shí)間,對設(shè)備、廠房的投資也可顯著減少。

圖1 基于兩軸聯(lián)動的切點(diǎn)跟蹤磨削法的示意圖

然而,基于兩軸聯(lián)動的切點(diǎn)跟蹤磨削法在曲軸恒速轉(zhuǎn)動的情況下,會出現(xiàn)以下問題[6]:

(1)砂輪在連桿頸上各接觸點(diǎn)(磨削點(diǎn))處的磨削時(shí)間不同。從圖1可見,當(dāng)曲軸繞回轉(zhuǎn)中心從0°轉(zhuǎn)到90°時(shí),所磨削的弧段 AB的長度與從90°轉(zhuǎn)到180°時(shí)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(diǎn)處的磨削時(shí)間是不同的。

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

(3)曲軸位于不同轉(zhuǎn)角時(shí),磨削點(diǎn)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(zhuǎn)動時(shí),磨削力的方向、曲軸的受力狀態(tài)均是變化的,加之工藝系統(tǒng)剛度的變化,導(dǎo)致了曲軸在不同轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生的彈性變形量也不一樣。

通過分析可見,連桿頸表面各點(diǎn)的磨削速度、磨削時(shí)間與受力狀態(tài)是不同的,從而影響了曲軸的加工精度和表面質(zhì)量,為此,提出了基于三軸聯(lián)動的切點(diǎn)跟蹤磨削法。

1.2 基于三軸聯(lián)動的切點(diǎn)跟蹤磨削法

圖2 基于三軸聯(lián)動的曲軸連桿頸切點(diǎn)跟蹤磨削法的示意圖

圖2為基于三軸聯(lián)動的曲軸連桿頸切點(diǎn)跟蹤磨削法的示意圖,曲軸繞主軸中心O順時(shí)針旋轉(zhuǎn),砂輪自身順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí),可以在X軸和Y軸兩個(gè)方向上進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動。這樣,當(dāng)曲軸的連桿頸處于不同位置時(shí),砂輪與連桿頸的中心點(diǎn)始終處于同一水平線上,接觸點(diǎn)(磨削點(diǎn))始終位于水平的砂輪與連桿頸的連心線上。當(dāng)連桿頸中心處于最高點(diǎn)時(shí),此時(shí)的磨削點(diǎn)為A,曲軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°以后,磨削點(diǎn)移動到了點(diǎn)B,連桿頸磨削過的弧段為AB,如圖2中陰影所示。當(dāng)連桿頸中心處于最低點(diǎn)時(shí),磨削點(diǎn)為C,連桿頸磨削過的弧段為AC,再次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°以后,此時(shí)的磨削點(diǎn)為D,連桿頸磨削過的弧段為AD。這樣,曲軸旋轉(zhuǎn)一周,連桿頸正好完成一周的磨削。本實(shí)驗(yàn)中,機(jī)床采用西門子公司數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服驅(qū)動裝置,實(shí)現(xiàn)磨削循環(huán)中工作臺的自動跳擋,砂輪架的自動切入和粗、精、微進(jìn)給轉(zhuǎn)換間隔停留以及砂輪修正器的自動修整循環(huán)。

2 基于三軸聯(lián)動的切點(diǎn)跟蹤磨削法的運(yùn)動模型分析

如圖3所示,O為曲軸主軸頸中心,以O(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系,O′為砂輪中心點(diǎn),O″為連桿頸中心點(diǎn),連桿頸半徑為r w,砂輪半徑為r s,曲軸偏心距為L。當(dāng)曲軸從連桿頸中心最高點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)過角度α?xí)r,此時(shí)的磨削點(diǎn)為M,所磨削過的弧段為AM。此時(shí)磨削點(diǎn)M的坐標(biāo)為

圖3 磨削點(diǎn)軌跡分析圖

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

圖4 磨削點(diǎn)速度分析圖

對連桿頸上磨削點(diǎn)M處的速度進(jìn)行分析,vO為磨削點(diǎn)M相對于坐標(biāo)原點(diǎn)O的絕對運(yùn)動速度,其方向垂直于OM,可以把vO看成兩個(gè)運(yùn)動速度的合成速度,其一為磨削點(diǎn)M繞連桿頸中心O″旋轉(zhuǎn)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(biāo)原點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)的速度vO″,其方向垂直于OO″,將其平移至磨削點(diǎn)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(jù)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(biāo)系中,砂輪在磨削點(diǎn)M處的速度v s是恒定的,其方向始終垂直于X′軸。磨削點(diǎn)M繞O″旋轉(zhuǎn)的速度v w與砂輪在磨削點(diǎn)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(diǎn)被磨削時(shí),其相對磨削速度也是恒定的。

根據(jù)磨削基本原理可知,當(dāng)量磨削厚度h eq是控制磨削質(zhì)量的基本參數(shù)[7],對外圓磨削有

式中,a為徑向進(jìn)給量。

磨削力是磨床設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),也是磨削研究的主要因素,磨削力的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式[8]為

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

由此可知當(dāng)量磨削厚度和磨削力均與工件速度和砂輪速度有關(guān)?？梢?采用基于三軸聯(lián)動的切點(diǎn)跟蹤磨削法可以實(shí)現(xiàn)恒定的磨削力,通過對砂輪的徑向進(jìn)給量進(jìn)行控制,亦可實(shí)現(xiàn)恒定的當(dāng)量磨削厚度,從而提高了連桿頸的加工精度和表面質(zhì)量。

3 檢測補(bǔ)償

采用切點(diǎn)跟蹤磨削法磨削曲軸連桿頸時(shí),由于運(yùn)動過程中各參數(shù)相互關(guān)聯(lián),故磨削過程是復(fù)雜的運(yùn)動過程,曲軸回轉(zhuǎn)軸與砂輪軸的聯(lián)動誤差、曲軸在磨削力的作用下沿磨削點(diǎn)法向的彈性位移、砂輪實(shí)際半徑與砂輪理論計(jì)算半徑的差值、磨削力對曲軸回轉(zhuǎn)中心的力矩隨曲軸轉(zhuǎn)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(shí)將大余量磨削掉,在磨削過程中允許產(chǎn)生的圓柱度誤差為6～8μm。粗磨后進(jìn)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(jī)械手將測試探頭接觸曲軸頸,轉(zhuǎn)動幾周,得到圓柱度誤差信息,并計(jì)算出不同角度范圍內(nèi)的誤差值,對跟蹤的兩個(gè)坐標(biāo)進(jìn)行脈沖補(bǔ)償(由控制系統(tǒng)自動進(jìn)行補(bǔ)償),補(bǔ)償過程在精磨過程中進(jìn)行,多次實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)顯示,這樣加工后的連桿頸表面粗糙度Ra可以達(dá)到0.4μm,圓柱度達(dá)到2μm。

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

圖5 補(bǔ)償前的磨削輪廓曲線

圖6 補(bǔ)償后的磨削輪廓曲線

4 結(jié)論

與基于兩軸聯(lián)動的曲軸連桿頸切點(diǎn)跟蹤磨削法相比較,采用基于三軸聯(lián)動的曲軸連桿頸切點(diǎn)跟蹤磨削法主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):

(1)連桿頸與砂輪的各接觸點(diǎn)(磨削點(diǎn))處的磨削時(shí)間相同。

(2)曲軸位于不同轉(zhuǎn)角時(shí),連桿頸上各磨削點(diǎn)處的磨削速度的大小和方向均不變,從原理上實(shí)現(xiàn)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(dá)到2μm,表面粗糙度Ra達(dá)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(lián)動的切點(diǎn)跟蹤磨削法相比,大大提高了加工的精度和表面質(zhì)量,具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1] Fu jiwara T,Tsukamoto S,M iyagawa M.Analysis of the Grinding Mechanism w ith Wheel H ead Oscillating Type CNCCrankshaft Pin G rinding[J].Key Engineering Materials,2005,291/292:163-168.

[2] Fujiw ara T,Tsukamoto S.Analysis of the Cam G rinding Mechanism with a CNC Cam G rinder[J].Key Engineering Materials,2004,257/258:81-86.

[3] 吳鋼華.曲軸非圓磨削軌跡控制關(guān)鍵技術(shù)研究[D].上海:上海大學(xué),2006.

[4] 許第洪.切點(diǎn)跟蹤磨削法核心技術(shù)的研究[D].長沙:湖南大學(xué),2005.

[5] 周志雄,羅紅平,宓海清,等.切點(diǎn)跟蹤磨削法磨削曲軸零件的若干問題探討[J].中國機(jī)械工程,2002,13(23):2004-2007.

[6] 許第洪,孫宗禹,周志雄,等.切點(diǎn)跟蹤磨削法運(yùn)動模型的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2002,38(8):68-73.

[7] 鄭善良.磨削基礎(chǔ)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1988.

[8] 王德泉.砂輪特性與磨削加工[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001.

[9] 沈南燕.曲軸非圓磨削中的誤差分析及補(bǔ)償方法研究[D].上海:上海大學(xué),2007.

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(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2008A A042504)

(編輯 袁興玲)

徐志揚(yáng),男,1959年生。浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代制造研究所副教授。主要研究方向?yàn)槟＞咴O(shè)計(jì)與制造和CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用。發(fā)表論文2篇。黃興紅,男,1955年生。浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電實(shí)訓(xùn)中心高級講師。