喬培平

高速精密磨削非圓零件輪廓的探索與研究

喬培平

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系 陜西咸陽(yáng)712000）

介紹了非圓零件加工的工藝特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械靠模仿型磨削方法和工藝存在問(wèn)題的分析，提出了四點(diǎn)恒線速磨削方法和工藝磨削凸輪零件的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)方法。試驗(yàn)證明，只要把凸輪基圓、頂圓和兩側(cè)敏感點(diǎn)這四處的速度變化控制在一定范圍內(nèi)，即實(shí)現(xiàn)四點(diǎn)恒線速磨削，磨削力的突變情況可大為改善，磨削質(zhì)量得以提高。該方法在原理上是正確的，在工程上是可行的。

非圓輪廓零件 工藝特點(diǎn) 四點(diǎn)恒線速磨削 凸輪零件

許多零件都有非圓截面輪廓存在，例如，內(nèi)燃機(jī)活塞輪廓、抽水泵的軸、沖模、凸輪、非圓軸承的內(nèi)輪等。盡管這些均可以通過(guò)仿形加工、磨削加工等工藝方法獲取零件輪廓，但是，隨著產(chǎn)品的市場(chǎng)全球化，企業(yè)面臨著越來(lái)越大的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)壓力，這就需要產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)不但要生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，而且產(chǎn)品的更新?lián)Q代時(shí)間、設(shè)計(jì)制造周期也要進(jìn)一步縮短，以快速響應(yīng)市場(chǎng)的變化，滿足用戶的要求，并且還需要大大提高其生產(chǎn)率。所以，為了適應(yīng)這種科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及滿足企業(yè)參與競(jìng)爭(zhēng)的要求，非圓截面零件的加工不但需要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造的高精度，而且還需要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造的高效率，從而對(duì)非圓截面零件的加工工藝也提出了更高的要求。

1 非圓零件加工的工藝特點(diǎn)

1.1 輪廓型面復(fù)雜

非圓零件輪廓型面一般具有多段高次曲線型面，它的升程轉(zhuǎn)角與砂輪半徑之間存在非線性關(guān)系。如汽車凸輪軸是由基圓段、緩沖段、加（減）速段、頂圓段等幾部分組成，如圖1所示。在基圓段，其磨削條件與普通外圓磨削基本相同，但在其他區(qū)段，磨削時(shí)的情況與普通外圓磨削就有很大差異。由于凸輪輪廓曲線形狀的特殊性，它在磨削時(shí)各磨削點(diǎn)的移動(dòng)速度有很大的變化，尤其是在加（減）速段，磨削速度可達(dá)到磨基圓時(shí)的幾倍，甚至十幾倍。隨著汽車對(duì)廢氣排放要求的提高，出現(xiàn)了一些輪廓更特殊的凸輪軸，如帶有二次升程的凸輪軸和在外凸輪廓段中帶一小段內(nèi)凹輪廓的凸輪軸，都出現(xiàn)在新近開(kāi)發(fā)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，這種異形輪廓對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床提出了極大的挑戰(zhàn)，促使人們?nèi)パ芯块_(kāi)發(fā)高柔性的數(shù)控凸輪軸磨床[1]。

圖1 凸輪輪廓的組成

1.2 加工精度要求越來(lái)越高

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，節(jié)能和環(huán)保日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，新的凸輪軸設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)加工設(shè)備提出了更高的要求，凸輪軸加工精度的高低直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量、壽命、廢氣排放和節(jié)能。因而，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件凸輪軸的制造精度的要求也越來(lái)越高。如原解放牌汽車凸輪軸輪廓精度要求為±0.1 mm，改進(jìn)后的解放牌汽車凸輪軸提高到±0.05 mm，而目前引進(jìn)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸精度為±0.03 mm，國(guó)內(nèi)很多凸輪軸生產(chǎn)廠家甚至要求產(chǎn)品輪廓精度達(dá)到±0.02 mm，其幾何精度提高幾倍[2]。同時(shí)，對(duì)磨削表面粗糙度，原先要求a0.63~0.8 μm，然后采用砂輪帶拋光，而現(xiàn)在很多生產(chǎn)線直接要求磨至a0.2~0.4 μm，省略拋光工藝。

1.3 表面容易產(chǎn)生波紋

由于凸輪軸屬細(xì)長(zhǎng)軸類零件，變化的磨削力容易引起磨削振動(dòng)，加上凸輪軸本身剛性差則會(huì)使這種情況越加嚴(yán)重，其后果則是在磨削表面產(chǎn)生直線紋理，甚至達(dá)到肉眼就可發(fā)現(xiàn)的程度。

1.4 容易發(fā)生磨削燒傷

磨削加工時(shí)大部分磨粒是以負(fù)前角方式進(jìn)行磨削，對(duì)材料的擠壓作用明顯，隨著磨削速度的提高，磨削表面層會(huì)有很高的溫升，磨削區(qū)的瞬時(shí)溫度有時(shí)可達(dá)1 000℃以上，從而產(chǎn)生磨削燒傷。在凸輪軸磨削時(shí)，由于兩側(cè)加（減）速段磨削速度最高、材料硬度又最硬，且由于該區(qū)段加工時(shí)凸輪輪廓形狀原因?qū)е履ハ饕翰蝗菀走M(jìn)入磨削區(qū)，因此最容易發(fā)生磨削燒傷，輕微的磨削燒傷經(jīng)探傷可發(fā)現(xiàn)細(xì)微裂紋，嚴(yán)重的肉眼就能發(fā)現(xiàn)表面顏色變化和產(chǎn)生的開(kāi)裂現(xiàn)象等，嚴(yán)重影響了零件質(zhì)量。

2 機(jī)械靠模仿形磨削方法存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)的凸輪軸磨削是采用機(jī)械靠模仿形磨削法。設(shè)計(jì)人員按凸輪輪廓計(jì)算出凸輪上每一點(diǎn)的升程值，工藝人員根據(jù)此升程值設(shè)計(jì)制作標(biāo)準(zhǔn)凸輪，然后利用標(biāo)準(zhǔn)凸輪在凸輪軸磨床上采用反靠法磨制一套靠模樣板。磨削時(shí)靠模樣板緊靠在一個(gè)滾輪上，通過(guò)搖擺架使被加工凸輪和靠模樣板同步擺動(dòng)、同軸旋轉(zhuǎn)，由此磨出和靠模樣板升程形狀相一致的凸輪輪廓，其工作原理如圖2所示。

這種結(jié)構(gòu)的凸輪軸磨床存在的主要問(wèn)題為[3]：

（1）磨削凸輪輪廓精度難以保證，產(chǎn)生誤差的因素多。

（2）容易產(chǎn)生升程誤差，大大地縮短了砂輪的使用壽命，零件精度也難以提高。

（3）砂輪線速度低，修整工具和工藝落后，機(jī)床生產(chǎn)率低。

（4）生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，制造柔性差。

圖2 凸輪軸磨床工作原理圖

3 四點(diǎn)恒線速磨削方法和工藝

在普通凸輪軸磨床中凸輪工件是以恒轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，而凸輪上各點(diǎn)的磨削速度相差很大，達(dá)幾倍甚至十幾倍，容易造成許多磨削缺陷如振動(dòng)、燒傷和輪廓形狀誤差等。

理論上講，在數(shù)控凸輪軸磨床中，采用交流伺服電動(dòng)機(jī)可以使每一點(diǎn)的磨削速度都保證同一數(shù)值。但實(shí)際上，由于伺服電動(dòng)機(jī)在升、降轉(zhuǎn)速時(shí)也有勻變速過(guò)程，難以做到瞬間達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速。而且試驗(yàn)證明，只要把凸輪基圓、頂圓和兩側(cè)敏感點(diǎn)這四處的速度變化控制在一定范圍內(nèi)，即實(shí)現(xiàn)“四點(diǎn)恒線速”，磨削效果就相當(dāng)不錯(cuò)了[4]。

為了避免復(fù)雜的編程過(guò)程，使操作者使用起來(lái)更方便，把凸輪升程處90°范圍內(nèi)分成9個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)，分別為2、3、4……10轉(zhuǎn)速區(qū)，而把基圓外作為1轉(zhuǎn)速區(qū)，把基圓區(qū)處角速度定為W，把2~10轉(zhuǎn)速區(qū)的轉(zhuǎn)速系數(shù)（可在0.1~1.5范圍內(nèi)選擇）一輸入數(shù)控系統(tǒng)相應(yīng)的參數(shù)表中，則磨削時(shí)各轉(zhuǎn)速區(qū)的角速度便可依照操作者的意圖相對(duì)于W降速或升速，從而達(dá)到恒線速磨削的目的。各轉(zhuǎn)速區(qū)交界處的角速度由計(jì)算機(jī)控制會(huì)均勻變速過(guò)渡，不會(huì)出現(xiàn)角速度突變現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 凸輪轉(zhuǎn)速區(qū)域分隔圖

從理論上講，把5、6轉(zhuǎn)速區(qū)設(shè)成0.1W最為理想，但實(shí)際上，只要設(shè)到0.3W，磨削效果就相當(dāng)不錯(cuò)了。若瞬時(shí)速度變化太大，有時(shí)反而會(huì)出現(xiàn)激振。如圖4是用“四點(diǎn)恒線速”磨削法時(shí)測(cè)得的磨削力曲線圖，由圖中可看出，經(jīng)過(guò)這種改進(jìn)，磨削力突變情況大為改善，磨削質(zhì)量得以提高。

圖4 四點(diǎn)恒線速磨削力曲線圖

[1] 盛曉敏等.超高速磨削技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[2] 胡惜時(shí).高效磨削與磨床[M].長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社,2009.

[3] 李伯明,趙波.現(xiàn)代磨削技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[4] 盛曉敏,畢海清,陳濤等.汽車凸輪軸的高速精密磨削加工關(guān)鍵技術(shù)[J].新技術(shù)新工藝,2006(8):61-64.