高速精密磨削非圆零件轮廓的探索与研究

乔培平

高速精密磨削非圆零件轮廓的探索与研究

乔培平

（陕西工业职业技术学院机械工程系 陕西咸阳712000）

介绍了非圆零件加工的工艺特点，通过对传统的机械靠模仿型磨削方法和工艺存在问题的分析，提出了四点恒线速磨削方法和工艺磨削凸轮零件的设计方案和实现方法。试验证明，只要把凸轮基圆、顶圆和两侧敏感点这四处的速度变化控制在一定范围内，即实现四点恒线速磨削，磨削力的突变情况可大为改善，磨削质量得以提高。该方法在原理上是正确的，在工程上是可行的。

非圆轮廓零件 工艺特点 四点恒线速磨削 凸轮零件

许多零件都有非圆截面轮廓存在，例如，内燃机活塞轮廓、抽水泵的轴、冲模、凸轮、非圆轴承的内轮等。尽管这些均可以通过仿形加工、磨削加工等工艺方法获取零件轮廓，但是，随着产品的市场全球化，企业面临着越来越大的产品竞争压力，这就需要产品生产企业不但要生产出高质量的产品，而且产品的更新换代时间、设计制造周期也要进一步缩短，以快速响应市场的变化，满足用户的要求，并且还需要大大提高其生产率。所以，为了适应这种科学技术的进步以及满足企业参与竞争的要求，非圆截面零件的加工不但需要实现生产制造的高精度，而且还需要实现生产制造的高效率，从而对非圆截面零件的加工工艺也提出了更高的要求。

1 非圆零件加工的工艺特点

1.1 轮廓型面复杂

非圆零件轮廓型面一般具有多段高次曲线型面，它的升程转角与砂轮半径之间存在非线性关系。如汽车凸轮轴是由基圆段、缓冲段、加（减）速段、顶圆段等几部分组成，如图1所示。在基圆段，其磨削条件与普通外圆磨削基本相同，但在其他区段，磨削时的情况与普通外圆磨削就有很大差异。由于凸轮轮廓曲线形状的特殊性，它在磨削时各磨削点的移动速度有很大的变化，尤其是在加（减）速段，磨削速度可达到磨基圆时的几倍，甚至十几倍。随着汽车对废气排放要求的提高，出现了一些轮廓更特殊的凸轮轴，如带有二次升程的凸轮轴和在外凸轮廓段中带一小段内凹轮廓的凸轮轴，都出现在新近开发的汽车发动机中，这种异形轮廓对传统机床提出了极大的挑战，促使人们去研究开发高柔性的数控凸轮轴磨床[1]。

图1 凸轮轮廓的组成

1.2 加工精度要求越来越高

随着汽车工业的迅速发展，节能和环保日益成为人们关注的焦点，新的凸轮轴设计标准对加工设备提出了更高的要求，凸轮轴加工精度的高低直接影响到发动机的质量、寿命、废气排放和节能。因而，对发动机的关键零件凸轮轴的制造精度的要求也越来越高。如原解放牌汽车凸轮轴轮廓精度要求为±0.1 mm，改进后的解放牌汽车凸轮轴提高到±0.05 mm，而目前引进的汽车发动机凸轮轴精度为±0.03 mm，国内很多凸轮轴生产厂家甚至要求产品轮廓精度达到±0.02 mm，其几何精度提高几倍[2]。同时，对磨削表面粗糙度，原先要求a0.63~0.8 µm，然后采用砂轮带抛光，而现在很多生产线直接要求磨至a0.2~0.4 µm，省略抛光工艺。

1.3 表面容易产生波纹

由于凸轮轴属细长轴类零件，变化的磨削力容易引起磨削振动，加上凸轮轴本身刚性差则会使这种情况越加严重，其后果则是在磨削表面产生直线纹理，甚至达到肉眼就可发现的程度。

1.4 容易发生磨削烧伤

磨削加工时大部分磨粒是以负前角方式进行磨削，对材料的挤压作用明显，随着磨削速度的提高，磨削表面层会有很高的温升，磨削区的瞬时温度有时可达1 000℃以上，从而产生磨削烧伤。在凸轮轴磨削时，由于两侧加（减）速段磨削速度最高、材料硬度又最硬，且由于该区段加工时凸轮轮廓形状原因导致磨削液不容易进入磨削区，因此最容易发生磨削烧伤，轻微的磨削烧伤经探伤可发现细微裂纹，严重的肉眼就能发现表面颜色变化和产生的开裂现象等，严重影响了零件质量。

2 机械靠模仿形磨削方法存在的问题

传统的凸轮轴磨削是采用机械靠模仿形磨削法。设计人员按凸轮轮廓计算出凸轮上每一点的升程值，工艺人员根据此升程值设计制作标准凸轮，然后利用标准凸轮在凸轮轴磨床上采用反靠法磨制一套靠模样板。磨削时靠模样板紧靠在一个滚轮上，通过摇摆架使被加工凸轮和靠模样板同步摆动、同轴旋转，由此磨出和靠模样板升程形状相一致的凸轮轮廓，其工作原理如图2所示。

这种结构的凸轮轴磨床存在的主要问题为[3]：

（1）磨削凸轮轮廓精度难以保证，产生误差的因素多。

（2）容易产生升程误差，大大地缩短了砂轮的使用寿命，零件精度也难以提高。

（3）砂轮线速度低，修整工具和工艺落后，机床生产率低。

（4）生产准备周期长，制造柔性差。

图2 凸轮轴磨床工作原理图

3 四点恒线速磨削方法和工艺

在普通凸轮轴磨床中凸轮工件是以恒转速旋转，而凸轮上各点的磨削速度相差很大，达几倍甚至十几倍，容易造成许多磨削缺陷如振动、烧伤和轮廓形状误差等。

理论上讲，在数控凸轮轴磨床中，采用交流伺服电动机可以使每一点的磨削速度都保证同一数值。但实际上，由于伺服电动机在升、降转速时也有匀变速过程，难以做到瞬间达到预定转速。而且试验证明，只要把凸轮基圆、顶圆和两侧敏感点这四处的速度变化控制在一定范围内，即实现“四点恒线速”，磨削效果就相当不错了[4]。

为了避免复杂的编程过程，使操作者使用起来更方便，把凸轮升程处90°范围内分成9个转速区，分别为2、3、4……10转速区，而把基圆外作为1转速区，把基圆区处角速度定为W，把2~10转速区的转速系数（可在0.1~1.5范围内选择）一输入数控系统相应的参数表中，则磨削时各转速区的角速度便可依照操作者的意图相对于W降速或升速，从而达到恒线速磨削的目的。各转速区交界处的角速度由计算机控制会均匀变速过渡，不会出现角速度突变现象，如图3所示。

图3 凸轮转速区域分隔图

从理论上讲，把5、6转速区设成0.1W最为理想，但实际上，只要设到0.3W，磨削效果就相当不错了。若瞬时速度变化太大，有时反而会出现激振。如图4是用“四点恒线速”磨削法时测得的磨削力曲线图，由图中可看出，经过这种改进，磨削力突变情况大为改善，磨削质量得以提高。

图4 四点恒线速磨削力曲线图

[1] 盛晓敏等.超高速磨削技术[M].北京:机械工业出版社,2010.

[2] 胡惜时.高效磨削与磨床[M].长沙:国防科技大学出版社,2009.

[3] 李伯明,赵波.现代磨削技术[M].北京:机械工业出版社,2003.

[4] 盛晓敏,毕海清,陈涛等.汽车凸轮轴的高速精密磨削加工关键技术[J].新技术新工艺,2006(8):61-64.