凸輪軸高速磨削加工質(zhì)量影響因素分析及關(guān)鍵技術(shù)研究

耿召輝

摘 要：汽車發(fā)動機中采用的關(guān)鍵零部件包括凸輪軸，其質(zhì)量穩(wěn)定性和精度影響到發(fā)動機使用壽命和提升質(zhì)量，對于廢氣排放和節(jié)能來說也是尤為重要的。提升凸輪軸加工效率和質(zhì)量，采用高性能凸輪軸數(shù)控機床作為關(guān)鍵設(shè)備行高效精密磨削加工，在減少彈性退讓、提升消磨穩(wěn)定性、運用關(guān)鍵技術(shù)等方面需要加以論證。本文對凸輪軸原始生成數(shù)據(jù)擬合優(yōu)化、優(yōu)化誤差補償?shù)确矫孢M行分析，提出當前采用凸輪軸磨削加工工藝提升的方式，將誤差、磨削振動等問題加以規(guī)避。從凸輪軸、磨削加工工藝特征出發(fā)，提出薄弱環(huán)節(jié)的優(yōu)化措施，對凸輪軸數(shù)控磨削工藝基礎(chǔ)理論進行實踐驗證。

關(guān)鍵詞：凸輪軸;磨削工藝;加工工藝

0 前言

隨著加工方式的要求越來越高，傳統(tǒng)凸輪軸工藝較為復(fù)雜已經(jīng)不能適應(yīng)當前加工需求，如采用靠模進行凸輪軸加工雖然結(jié)構(gòu)簡單加工成本較低，但是互換性較差，目前采用兩周聯(lián)動切點跟蹤法進行控制加工，模擬生成加工程序之后在加工精度上不斷提升。其工藝采用頭架旋轉(zhuǎn)運動和砂輪橫向運動的方式聯(lián)動，形成拖輪，輪廓加以磨削。

1 凸輪軸高速磨削加工工藝

凸輪軸的輪廓形線和多段曲線一般存在非線性關(guān)系。工藝實施過程傳統(tǒng)磨削加工、移動速度等都已經(jīng)發(fā)生了變化。隨著汽車的燃機對燃油經(jīng)濟性要求的提高，凸輪軸的二次生成已經(jīng)逐漸采用數(shù)控加工方式加以提升。

采用數(shù)控系統(tǒng)控制凸輪軸、磨削加工方法結(jié)構(gòu)較為簡單，通過設(shè)定的不同參數(shù)進行不同形狀的托輪加工，改變傳統(tǒng)的靠磨磨削技術(shù)，具有良好的柔性，能夠針對復(fù)雜的曲面和曲線進行精確加工。整個過程采用補償軟件、數(shù)控系統(tǒng)加以操控，而且能夠進行自動監(jiān)控和報警，相對傳統(tǒng)機床來說，能夠提升托輪軸零件加工的質(zhì)量。工藝特點為：

（1）凸輪軸輪廓特征清晰。在實際生產(chǎn)中，對于處理后的拖輪生成的離散數(shù)據(jù)根據(jù)實驗的方法，將加工、運輸、使用和測量功能中存在的誤差加以去除。例如對于噪聲數(shù)據(jù)可以通過生成數(shù)據(jù)進行砂輪架的進給速度和加速度的模擬，將加工表面產(chǎn)生的棱線形象誤差和波紋與其顯示，利用生成數(shù)據(jù)，優(yōu)化擬合的方式，采用最小二乘法、N次諧波逼近法等方法，將離散的生成指展開形成有現(xiàn)象。這一方法能夠通過數(shù)值積分的方法求出近似解，規(guī)避出現(xiàn)產(chǎn)生較大的誤差，進行拖輪機構(gòu)的運動，規(guī)律的分析，能夠防止磨損、沖擊、振動等帶來的加工工藝的誤差，在拖輪機構(gòu)進行運作時連續(xù)性機構(gòu)的傳動對精度影響較大。運用加速度曲線一定程度的反應(yīng)，極速運動的連續(xù)性和平穩(wěn)性促使機構(gòu)運動趨于平穩(wěn)。

（2）對凸輪輪廓分析一般采用MATLAB軟件，對凸輪機構(gòu)運動規(guī)律曲線加以描述，得出曲徑半徑變化數(shù)值，要求運作連續(xù)性滿足工作動態(tài)特性需求，進行輪廓的重構(gòu)。

2 凸輪軸數(shù)控磨削質(zhì)量影響因素

當前普遍采用兩種耦合聯(lián)動數(shù)字控制技術(shù)，實現(xiàn)對輪廓的模效，其加工工藝為：首先進行準備工作，啟動機床之后讀入生成數(shù)據(jù)，編制加工程序，讀取拖輪參數(shù)、砂輪參數(shù)等，通過機床內(nèi)置的編程模塊直接編譯工件加工代碼，根據(jù)數(shù)據(jù)生成拖輪的聯(lián)動坐標值，得出相關(guān)的轉(zhuǎn)速曲線關(guān)系，機床內(nèi)置的OEM加工界面模塊，能夠方便操作者直接設(shè)置轉(zhuǎn)速、圈數(shù)、磨削量等。在工藝實施過程中，砂輪高速運轉(zhuǎn)形成氣流。為了提升磨削的精確度，根據(jù)磨削加工特點，對包含誤差的原始圖倫生成數(shù)據(jù)，進行回彈法優(yōu)化，擬合生成模擬過程數(shù)學模型計算出凸輪，工件主軸轉(zhuǎn)速方程。

3 凸輪軸高速磨削加工關(guān)鍵技術(shù)

（1）高速磨削砂輪應(yīng)具有高剛度良、高耐磨性和機械強度、高動平衡精度和良好的導熱性等。目前借助化學粘接力把持磨粒的方法，其結(jié)合劑抗拉強度獲得更大的磨粒和更理想的砂輪形貌。高溫釬焊突出高度，單層電鍍超硬磨料砂輪和（高溫）釬焊超硬磨料砂輪無需修整且使用壽命長。磨粒在磨削加工中微刃能發(fā)生自銳，材料去除率提高的同時減少了砂輪磨損以及修整間隔時間。高速磨削工藝在削回火鋼的試驗中材料去除速度可以達到125 m/s，對機床沒有特殊的要求，砂輪結(jié)構(gòu)和形狀在超高速運轉(zhuǎn)條件下得到質(zhì)量保證。

（2）超高速精密軸承。主軸系統(tǒng)最高轉(zhuǎn)速在10000r/mm以上，用電主軸回轉(zhuǎn)精度高、空轉(zhuǎn)功耗低、溫升小、主軸系統(tǒng)剛性好。磁浮軸承存在的主要問題是負荷容量低，最高轉(zhuǎn)速為40000r/min傳。高速主軸元基本驅(qū)動功率40kw，實用高速電主軸三年制可以達到更高，標準化程度也更高，更方便維護，上述優(yōu)點都是超高速主軸能兼有的。隨著新型磁性材料的出現(xiàn)及控制、超導、傳感技術(shù)的應(yīng)用，超高速主軸軸承油迎來更創(chuàng)新的發(fā)展，實現(xiàn)液體動靜壓軸承具有徑向和軸向跳動，動態(tài)特性好、誤差小，能在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)擁有更強大的承載能力。

（3）砂輪修整技術(shù)。超硬磨料砂輪的修整也有很好的發(fā)展前景。技術(shù)借助傳感系統(tǒng)控制砂輪和修整工具（一般為修整滾輪）的接觸，通過進給系統(tǒng)保證超精密加工，完成微米級進給，得到理想的砂輪形貌。

（4）磨削液供給系統(tǒng)。超高速磨削中，為防止接觸區(qū)高溫得不到有效的抑制，常用冷卻液注入方法砂屏蔽輪極高速旋轉(zhuǎn)形成的氣流，減少砂輪磨損，這需要優(yōu)化設(shè)計供液系統(tǒng)參數(shù)，包括磨削液噴注位置、噴嘴結(jié)構(gòu)、流量及尺寸等和高效率油氣分離和吸排風單元設(shè)計。

（5）超高速磨削進給系統(tǒng)。目前數(shù)控機床采用直線伺服電機、直線電機結(jié)合數(shù)字控制技術(shù)，獲得高精度的高速移動的同時也避免了傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動中的摩擦變形、間隙彈性等問題，穩(wěn)定性極好。

4 結(jié)束語

凸輪軸數(shù)控加工方式易因聯(lián)動磨削產(chǎn)生較大加速度，影響磨削伺服系統(tǒng)性能。針對此問題，構(gòu)建數(shù)控凸輪軸高速磨削數(shù)學模型，分析凸輪軸工件磨削動力學機理，得出工件進給最大加速度，分析加速度超過限值時工件轉(zhuǎn)速變化趨勢，以此驗證傳統(tǒng)方法的不足。

參考文獻：

[1]范培珍，何其寶.數(shù)控凸輪軸高速磨削性能研究及其優(yōu)化改進[J].成都工業(yè)學院學報，2018，021（001）：11-13.

[2]范培珍，何其寶.數(shù)控凸輪軸高速磨削性能研究及其優(yōu)化改進[J].成都工業(yè)學院學報，2018，21（01）：11-13，26.