三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機氣缸數(shù)控磨削加工模型研究

李啟光，韓秋實，彭寶營，王紅軍

(1.機械科學研究總院，北京 100044；2.北京信息科技大學 機電工程學院，北京 100192)

0 引言

三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機因其轉(zhuǎn)速高、高速性能好、結(jié)構簡單、體積小，是一種有良好發(fā)展前景的原動機[1]。國外對三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機的研究十分重視,已有各種類型的產(chǎn)品面世。三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機的氣缸理論型線多采用外旋輪線，國內(nèi)也開始在其型線數(shù)學生成方法，密封等方面開展研究[2～5]。

在氣缸型腔磨削工藝階段，現(xiàn)有方式多采用靠模或?qū)Ｓ脵C構創(chuàng)成控制砂輪運動軌跡，實現(xiàn)砂輪與工件外旋輪線內(nèi)壁相對位置要求。創(chuàng)成法磨削只能加工特定規(guī)格型腔，缺乏靈活性；靠模法需先加工出靠模，且二者隨加工磨損，運動軌跡精度逐漸降低、且難以補償，對工件的加工精度和表面質(zhì)量產(chǎn)生不良的影響。

因此，有必要尋求一種新的外旋輪線內(nèi)腔磨削成形數(shù)控加工軌跡生成方法，使砂輪在工件內(nèi)腔內(nèi)往復直線，同時工件回轉(zhuǎn)，兩運動軸聯(lián)動、動態(tài)控制砂輪與內(nèi)凸輪工件的相對位置，以保證砂輪與輪廓始終內(nèi)切，包絡形成外旋輪線內(nèi)腔輪廓。立式磨床具有臥式回轉(zhuǎn)工作臺即C軸可帶動氣缸工件旋轉(zhuǎn)，同時，往復式垂直砂輪架使砂輪即X軸能便利地置于氣缸空腔內(nèi)側(cè)，沿直線隨動跟蹤，X、C軸根據(jù)指令精確同步運動并包絡出外旋輪線內(nèi)輪廓。本文根據(jù)砂輪磨削包絡等距的原理，推導數(shù)控磨削軌跡生產(chǎn)方法，并進行了加工試磨，驗證了模型的正確性，為獲得更好的外旋輪線內(nèi)輪廓加工精度和表面質(zhì)量提高技術基礎。

1 非圓磨削加工軌跡數(shù)學模型

非圓型線磨削過程實際是砂輪圍繞工件型線做滾動的運動過程，且要求砂輪與目標型線處處相切，因此砂輪中心軌跡就是目標型線的等距線。

1.1 型線等距曲線方程

設已知型線方程L，在固定型線坐標系下其矢量形式是：

設K偏移距離，則內(nèi)外等距曲線方程如式(4)所示[6]。

1.2 非圓輪廓磨削X-C聯(lián)動坐標模型

磨削型線時，由式(4)可得固定直角坐標系下砂輪中心軌跡坐標（）如式(5)所示。

其中，砂輪半徑為Rw。若實際加工時采用型線零件回轉(zhuǎn)、砂輪往復直線運動方式，則可得磨削內(nèi)外型線時在機床坐標系下砂輪與凸輪聯(lián)動坐標如式(6)所示。其中，LX為砂輪位移，C為氣缸轉(zhuǎn)角，式(6)適用于各種X-C聯(lián)動的凸輪和非圓型線加工。

2 三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機氣缸磨削模型構造

2.1 三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機氣缸實際輪廓數(shù)學模型

三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機氣缸多采用雙弧長短幅外旋輪線作為理論型線[7]，其型線方程為：

其中，創(chuàng)成半徑為R, 偏心距e，偏心軸轉(zhuǎn)角α。考慮到密封片安裝，當徑向密封片的頂部圓弧半徑為a時，氣缸實際型線應該是理論型線的上的點為圓心，以徑向密封片圓弧半徑a為半徑所形成各小圓的包絡曲線，即平移距為a的等距線，而不是創(chuàng)成半徑為r+a的理論型線（外旋輪線），否則氣缸徑向密封片將產(chǎn)生竄動，加速磨損，減少了三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機的壽命[4]。將式(7)帶入式(5)得實際廓形輪廓如式(8)所示。

2.2 氣缸實際型線X-C聯(lián)動磨削加工公式

轉(zhuǎn)子發(fā)動動氣缸X-C聯(lián)動磨削關系圖如圖1所示。磨削成形的內(nèi)腔型線由砂輪包絡形成，由于砂輪半徑RW因素，砂輪中心軌跡和內(nèi)輪廓形狀并不相同，砂輪中心軌跡只是廓形的法向等距線關系，且砂輪處于腔內(nèi)。由將式(8)帶入式(5)得砂輪中心軌跡坐標如式(9)所示。

圖1 轉(zhuǎn)子發(fā)動機氣缸X-C聯(lián)動磨削關系圖

在內(nèi)腔型線磨削過程中，采用切點法向逼近逐層磨削原則，以目標廓形上的點為基準點，確定加工過程中X-C聯(lián)動坐標需先根據(jù)規(guī)劃的法向偏離量計算過渡磨削廓形。由式(9)得到有加工余量δ的砂輪中心軌跡坐標如式(10)所示。

如采用立式磨床X-C聯(lián)動, 由式(5)和式(10)，整理得磨削缸體的砂輪直線_工件回轉(zhuǎn)運動軌跡如式(11)所示。

3 三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機氣缸的磨削仿真與加工實驗

3.1 三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機氣缸磨削仿真

利用MATLAB，按照式(1)～式(11)，對三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機氣缸磨削過程進行仿真。其中，創(chuàng)成半徑為R=69.72mm, 偏心距e=11.62mm，頂部圓弧半徑a=1.75mm；砂輪半徑Rw=25mm。

仿真結(jié)果如圖2所示，可見砂輪切點可包絡形成氣缸輪廓軌跡。

圖2 氣缸實際輪廓仿真加工包絡軌跡

3.2 三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機氣缸磨削加工實驗

采用MGK28數(shù)控立式萬能磨床，按照上述三角轉(zhuǎn)子氣缸參數(shù)，對氣缸磨削模型做進一步驗證。工作條件為，主軸轉(zhuǎn)速4000rpm，進給量0.01mm/圈，矢量磨削速度F2500，加工過程圖如圖3所示。

圖3 三角轉(zhuǎn)子氣缸磨削加工過程

采用三坐標測量機，對三角轉(zhuǎn)子氣缸試件進行檢測，檢測結(jié)果如圖4所示，廓形誤差在±20μm以內(nèi)。

圖4 三角轉(zhuǎn)子氣缸磨削檢測結(jié)果

加工結(jié)果出現(xiàn)一定誤差，主要是加工過程存在大量的干擾因素，特別是砂輪桿剛度處于懸臂狀態(tài)，剛度較低，砂輪桿的變形量嚴重影響到了磨削精度，比較明顯的是磨削長短軸時砂輪桿受力包角狀態(tài)不同，導致刀桿變形量波動，引起廓形偏差。

4 結(jié)論

通過仿真與實驗磨削加工，證明采用等距方法獲得氣缸實際型線方程以及砂輪磨削X-C聯(lián)動模型是正確的，僅存在少量加工誤差。同時該模型可進一步擴展，對其它非圓復雜型線零件磨削加工提供借鑒。

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