影響凸輪非圓磨削精度的主要因素分析

摘 要:凸輪加工精度對發動機和柴油機性能起決定性的作用，所以其加工質量和加工效率將直接影響到汽車工業和船舶行業的發展。本文主要對于影響凸輪非圓磨削精度的主要因素進行探討，對下一步進行凸輪加工設計具有一定幫助。

關鍵詞:凸輪 非圓磨削 升程誤差

中圖分類號:TG580文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(a)-0092-01

隨著科學技術的進步和相關領域的發展，各種新的磨削原理與方法層數不窮，磨削在提高加工效率和精度，拓展其加工應用的范圍等方面也取得了長足的進步[1，2]。本文則主要對于影響凸輪非圓磨削精度的主要因素進行探討。

1 機床特性對磨削精度的影響

1.1 砂輪架的不平衡分析

高速隨動磨床砂輪架系統的不平衡主要有兩個來源:一是主軸，主軸在設計上一般都使它相對于旋轉軸線是軸對稱的，但是由于工藝上的一系列因素，最后裝配完畢的轉子總是不能做到質量上的完全對稱，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，且主軸的偏心質量往往是分布在若干個不同的回轉平面內，將會形成慣性力偶，因此對主軸需要進行靜平衡和動平衡。二是砂輪的不平衡，磨削會改變砂輪的平衡，砂輪的不平衡是隨著工作的進行而不斷變化的，需要隨時調節砂輪的不平衡以降低其對加工系統的影響。那么有必要對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行研究。

(1)主軸的不平衡分析。高速磨削時，磨床各運動部件之間作速度很高的相對運動，運動副接合面之間將發生急劇的摩擦和發熱，高的運動加速度也會對磨床產生巨大的動載荷。雖然高速機床的“主軸單元”動態性能好，回轉精度一般可以做小于1μm，但高速旋轉狀態下所產生的慣性力卻很大，遠遠大于磨削加工時作用在主軸軸承上的磨削力。通過數據比較，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，因此高速磨床的結構，與傳統磨床相比，應具有更高的靜態、動態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組織體。砂輪系統的重心總是偏離主軸中心。高速旋轉時，必然引起砂輪系統乃至整個機床的振動。在此情況下修整出的砂輪．難以加工高精度的零件，加工中還將導致工件表面產生振紋，并影響機床使用壽命。因此，必須對砂輪進行靜平衡。靜平衡只解決了使偏心重量產生的慣性力之和為零的問題。由于轉子在高速旋轉時，各偏心重量所產生的離心慣性力不在同一回轉平面內，而形成慣性力偶，這樣轉子仍是不平衡的，所以就必須進行動平衡，使各偏心重量產生的慣性力和慣性力偶矩同時得以平衡。砂輪必須進行動平衡。

一般的砂輪動平衡裝置，是用傳感器測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，加平衡塊或移動平衡塊，反復進行，逐步減小振動，從而達到平衡。隨著近幾年磨床自動化，已普遍采用自動平衡裝置。目前常用的砂輪自動平衡技術有加水平衡式自動平衡裝置、氟利昂平衡式自動平衡裝置、Dittel重塊平衡式自動平衡裝置以及光信號砂輪自動平衡裝置。綜合比較各種平衡裝置后，Dittel平衡系統是最為可靠的，適用于一般或精密磨削場合。

1.2 伺服跟蹤滯后對磨削精度的影響

伺服系統是數控磨床的重要組成部分。伺服系統的性能，如最高移動速度、跟蹤精度、定位精度等動態和靜態性能等，在很大程度上決定了數控磨床的加工精度、加工表面質量和生產效率。我們將對伺服系統的位置跟蹤誤差所造成的凸輪精度誤差進行分析。

在凸輪非圓磨削中，為了保證X、C兩坐標軸聯動能夠加工出合格的凸輪輪廓，需要X、C兩坐標軸瞬時啟停、變向或改變速度。這就要求控制系統除了有較高的定位精度外，還要有良好的動態響應特性，能同時精確控制各坐標軸運動的位置、速度乃至加速度，穩定而靈活地跟隨指令信號，即要求系統具有高的輪廓跟隨精度。但是由于系統的穩態和動態特性，要求電機完全準確跟蹤運動指令非常困難，這必將影響X、C兩坐標軸的協調運動和位置精確性，并最終導致凸輪的形狀誤差。

2 磨削力對凸輪精度的影響

磨削時由于砂輪的切削刀和工件材料的接觸而產生磨削力。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的動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量有關，故可作為控制磨削過程的一個主要參數。

凸輪輪廓法向磨削力是隨時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定的，而凸輪磨削時，除基圓部分外，磨削條件都在不斷變化，被磨削點瞬時速度變化很大，從而導致磨削力的劇烈變化，因此很容易產生輪廓精度誤差。

一般由于速度的影響，凸輪兩側往往會出現較大的正誤差，即俗稱“偏胖”。在生產實踐中我們發現，即使凸輪兩側升程完全一樣，磨削后發現其誤差狀況并不相同，而是有規律的使降程面比升程面更胖。

3 砂輪半徑變化對凸輪精度的影響

磨削工件時，為了提高工件的表面質量，一般要時常修整砂輪，或者更換新砂輪。因此，磨削一段時間后，砂輪半徑就會有較大的變化。加工凸輪零件時，由于磨削點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凸輪升程磨削有影響，并且比較復雜，必須對之進行細致分析研究。

3.1 砂輪半徑變化對凸圓弧精度的影響

磨削新零件時，先要“對刀”，即讓砂輪與凸輪基圓剛好相接觸。設接觸點為A，顯然，要使磨出的基圓直徑相同，不論標準砂輪還是實際砂輪都將與凸輪基圓相切于A點，故兩砂輪在A點相內切。砂輪直徑的變化，造成了磨削點的移動，既改變了升程轉角，也改變了此升程轉角下的升程值，產生了系統誤差。

3.2 砂輪半徑變化對凹圓弧精度的影響

設某一時刻磨削到圖示凹圓弧位置，砂輪本應磨削P點，由于實際砂輪半徑比理論砂輪小，故實際只磨削到P’點，且升程轉角由θ變成了θ’，這樣，測量D點的升程時，便產生了的升程誤差。其中頂圓部分和基圓部分升程為零，相當于普通外圓磨削，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 零點標定誤差對凸輪精度的影響

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來標定零點。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，所以人工對該凸輪進行零點標定和毛坯余量預估計的精度和效率比較低。

當零點標定超前于理論零點時，升程部分將變肥，降程部分將變瘦;而當零點標定滯后于理論零點時，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 結語

總結了影響凸輪磨削精度的一些因素，分析了這些因素對加工誤差的影響程度及變化規律，為應用誤差補償技術提供了一定的依據。

參考文獻

[1]鄧朝暉，王娟，曹德芳，等.凸輪軸磨削加工過程的動態優化和仿真[J].湖南大學學報(自然科學版)，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控制研究[J].燕山大學學報，2009，33(1).