凸轮轴高速磨削加工质量影响因素分析及关键技术研究

耿召辉

摘 要：汽车发动机中采用的关键零部件包括凸轮轴，其质量稳定性和精度影响到发动机使用寿命和提升质量，对于废气排放和节能来说也是尤为重要的。提升凸轮轴加工效率和质量，采用高性能凸轮轴数控机床作为关键设备行高效精密磨削加工，在减少弹性退让、提升消磨稳定性、运用关键技术等方面需要加以论证。本文对凸轮轴原始生成数据拟合优化、优化误差补偿等方面进行分析，提出当前采用凸轮轴磨削加工工艺提升的方式，将误差、磨削振动等问题加以规避。从凸轮轴、磨削加工工艺特征出发，提出薄弱环节的优化措施，对凸轮轴数控磨削工艺基础理论进行实践验证。

关键词：凸轮轴;磨削工艺;加工工艺

0 前言

随着加工方式的要求越来越高，传统凸轮轴工艺较为复杂已经不能适应当前加工需求，如采用靠模进行凸轮轴加工虽然结构简单加工成本较低，但是互换性较差，目前采用两周联动切点跟踪法进行控制加工，模拟生成加工程序之后在加工精度上不断提升。其工艺采用头架旋转运动和砂轮横向运动的方式联动，形成拖轮，轮廓加以磨削。

1 凸轮轴高速磨削加工工艺

凸轮轴的轮廓形线和多段曲线一般存在非线性关系。工艺实施过程传统磨削加工、移动速度等都已经发生了变化。随着汽车的燃机对燃油经济性要求的提高，凸轮轴的二次生成已经逐渐采用数控加工方式加以提升。

采用数控系统控制凸轮轴、磨削加工方法结构较为简单，通过设定的不同参数进行不同形状的托轮加工，改变传统的靠磨磨削技术，具有良好的柔性，能够针对复杂的曲面和曲线进行精确加工。整个过程采用补偿软件、数控系统加以操控，而且能够进行自动监控和报警，相对传统机床来说，能够提升托轮轴零件加工的质量。工艺特点为：

（1）凸轮轴轮廓特征清晰。在实际生产中，对于处理后的拖轮生成的离散数据根据实验的方法，将加工、运输、使用和测量功能中存在的误差加以去除。例如对于噪声数据可以通过生成数据进行砂轮架的进给速度和加速度的模拟，将加工表面产生的棱线形象误差和波纹与其显示，利用生成数据，优化拟合的方式，采用最小二乘法、N次谐波逼近法等方法，将离散的生成指展开形成有现象。这一方法能够通过数值积分的方法求出近似解，规避出现产生较大的误差，进行拖轮机构的运动，规律的分析，能够防止磨损、冲击、振动等带来的加工工艺的误差，在拖轮机构进行运作时连续性机构的传动对精度影响较大。运用加速度曲线一定程度的反应，极速运动的连续性和平稳性促使机构运动趋于平稳。

（2）对凸轮轮廓分析一般采用MATLAB软件，对凸轮机构运动规律曲线加以描述，得出曲径半径变化数值，要求运作连续性满足工作动态特性需求，进行轮廓的重构。

2 凸轮轴数控磨削质量影响因素

当前普遍采用两种耦合联动数字控制技术，实现对轮廓的模效，其加工工艺为：首先进行准备工作，启动机床之后读入生成数据，编制加工程序，读取拖轮参数、砂轮参数等，通过机床内置的编程模块直接编译工件加工代码，根据数据生成拖轮的联动坐标值，得出相关的转速曲线关系，机床内置的OEM加工界面模块，能够方便操作者直接设置转速、圈数、磨削量等。在工艺实施过程中，砂轮高速运转形成气流。为了提升磨削的精确度，根据磨削加工特点，对包含误差的原始图伦生成数据，进行回弹法优化，拟合生成模拟过程数学模型计算出凸轮，工件主轴转速方程。

3 凸轮轴高速磨削加工关键技术

（1）高速磨削砂轮应具有高刚度良、高耐磨性和机械强度、高动平衡精度和良好的导热性等。目前借助化学粘接力把持磨粒的方法，其结合剂抗拉强度获得更大的磨粒和更理想的砂轮形貌。高温钎焊突出高度，单层电镀超硬磨料砂轮和（高溫）钎焊超硬磨料砂轮无需修整且使用寿命长。磨粒在磨削加工中微刃能发生自锐，材料去除率提高的同时减少了砂轮磨损以及修整间隔时间。高速磨削工艺在削回火钢的试验中材料去除速度可以达到125 m/s，对机床没有特殊的要求，砂轮结构和形状在超高速运转条件下得到质量保证。

（2）超高速精密轴承。主轴系统最高转速在10000r/mm以上，用电主轴回转精度高、空转功耗低、温升小、主轴系统刚性好。磁浮轴承存在的主要问题是负荷容量低，最高转速为40000r/min传。高速主轴元基本驱动功率40kw，实用高速电主轴三年制可以达到更高，标准化程度也更高，更方便维护，上述优点都是超高速主轴能兼有的。随着新型磁性材料的出现及控制、超导、传感技术的应用，超高速主轴轴承油迎来更创新的发展，实现液体动静压轴承具有径向和轴向跳动，动态特性好、误差小，能在全转速范围内拥有更强大的承载能力。

（3）砂轮修整技术。超硬磨料砂轮的修整也有很好的发展前景。技术借助传感系统控制砂轮和修整工具（一般为修整滚轮）的接触，通过进给系统保证超精密加工，完成微米级进给，得到理想的砂轮形貌。

（4）磨削液供给系统。超高速磨削中，为防止接触区高温得不到有效的抑制，常用冷却液注入方法砂屏蔽轮极高速旋转形成的气流，减少砂轮磨损，这需要优化设计供液系统参数，包括磨削液喷注位置、喷嘴结构、流量及尺寸等和高效率油气分离和吸排风单元设计。

（5）超高速磨削进给系统。目前数控机床采用直线伺服电机、直线电机结合数字控制技术，获得高精度的高速移动的同时也避免了传统的滚珠丝杠传动中的摩擦变形、间隙弹性等问题，稳定性极好。

4 结束语

凸轮轴数控加工方式易因联动磨削产生较大加速度，影响磨削伺服系统性能。针对此问题，构建数控凸轮轴高速磨削数学模型，分析凸轮轴工件磨削动力学机理，得出工件进给最大加速度，分析加速度超过限值时工件转速变化趋势，以此验证传统方法的不足。

参考文献：

[1]范培珍，何其宝.数控凸轮轴高速磨削性能研究及其优化改进[J].成都工业学院学报，2018，021（001）：11-13.

[2]范培珍，何其宝.数控凸轮轴高速磨削性能研究及其优化改进[J].成都工业学院学报，2018，21（01）：11-13，26.