徐志揚(yáng) 黃興紅

浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,杭州,310053

基于三軸聯(lián)動(dòng)的曲軸連桿頸切點(diǎn)跟蹤磨削法研究

徐志揚(yáng) 黃興紅

浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,杭州,310053

通過(guò)分析目前的基于兩軸聯(lián)動(dòng)的曲軸連桿頸切點(diǎn)跟蹤磨削法存在的各種不足,提出了基于三軸聯(lián)動(dòng)的曲軸連桿頸切點(diǎn)跟蹤磨削法,砂輪可以在X軸和Y軸兩個(gè)方向進(jìn)行插補(bǔ);對(duì)該磨削法的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,采用這種磨削方法可以實(shí)現(xiàn)磨削點(diǎn)的恒線速度磨削,多次實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)顯示,連桿頸的圓柱度可以達(dá)到2μm,表面粗糙度Ra達(dá)到0.4μm,為獲得較高的曲軸加工精度和表面質(zhì)量提供了有效的方法。

曲軸;切點(diǎn)跟蹤;磨削;恒線速度

0 引言

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一,零件本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜,生產(chǎn)批量大,精度要求高。傳統(tǒng)的曲軸磨削分兩道工序在兩臺(tái)不同的磨床上分別對(duì)主軸頸和連桿頸進(jìn)行磨削加工,需要兩次定位,因而存在定位誤差大、加工效率低等缺陷。切點(diǎn)跟蹤磨削法是隨著磨削技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型的工序集中式磨削加工方法。國(guó)外對(duì)切點(diǎn)跟蹤磨削法的研究比較早,20世紀(jì)90年代初就形成了商業(yè)化的產(chǎn)品。美國(guó)納克索斯(Naxos-Union)公司、德國(guó)肖特(Schaudt)公司、日本TOYODA MACH INEWORKS公司和美國(guó)蘭迪斯(LANDIS)公司等均在切點(diǎn)跟蹤磨削法的研究方面做了大量工作,并且有商業(yè)化的產(chǎn)品推向市場(chǎng),但其價(jià)格昂貴,且其核心技術(shù)并不公開(kāi),幾乎沒(méi)有實(shí)質(zhì)性公開(kāi)論文或資料[1-2]。國(guó)內(nèi)雖有部分大學(xué)和機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一些理論研究[3-6],但到目前為止,還僅止于理論和實(shí)驗(yàn)摸索中。同時(shí),國(guó)外的曲軸磨削技術(shù)也還處于發(fā)展之中,加工精度(圓柱度3～4μm)還遠(yuǎn)達(dá)不到外圓磨削的同等精度(圓柱度1μm)[3]。目前的基于兩軸聯(lián)動(dòng)的曲軸連桿頸切點(diǎn)跟蹤磨削法存在磨削點(diǎn)磨削時(shí)間不均和磨削速度不斷變化等缺陷。為此,本文提出了基于三軸聯(lián)動(dòng)的曲軸連桿頸切點(diǎn)跟蹤磨削法,砂輪可以在X軸和Y軸兩個(gè)方向進(jìn)行插補(bǔ),對(duì)該磨削法的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行了研究,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),取得了良好的效果。

1 切點(diǎn)跟蹤磨削法的原理

1.1 基于兩軸聯(lián)動(dòng)的切點(diǎn)跟蹤磨削法

圖1是基于兩軸聯(lián)動(dòng)的切點(diǎn)跟蹤磨削法的示意圖,其工作原理是通過(guò)控制工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和砂輪的橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng),使砂輪外圓與工件被加工表面輪廓始終相切,從而實(shí)現(xiàn)曲軸連桿頸表面的加工。切點(diǎn)跟蹤磨削法克服了傳統(tǒng)的曲軸類零件磨削方式的缺點(diǎn),一次裝夾就能完成對(duì)曲軸主軸頸和各連桿頸的磨削,消除了因工件兩次裝夾而產(chǎn)生的定位誤差,保證了加工精度,顯著縮短了輔助時(shí)間,對(duì)設(shè)備、廠房的投資也可顯著減少。

圖1 基于兩軸聯(lián)動(dòng)的切點(diǎn)跟蹤磨削法的示意圖

然而,基于兩軸聯(lián)動(dòng)的切點(diǎn)跟蹤磨削法在曲軸恒速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下,會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題[6]:

(1)砂輪在連桿頸上各接觸點(diǎn)(磨削點(diǎn))處的磨削時(shí)間不同。從圖1可見(jiàn),當(dāng)曲軸繞回轉(zhuǎn)中心從0°轉(zhuǎn)到90°時(shí),所磨削的弧段 AB的長(zhǎng)度與從90°轉(zhuǎn)到180°時(shí)磨削的弧段BC的長(zhǎng)度顯然是不相等的,因此,砂輪在連桿頸上各磨削點(diǎn)處的磨削時(shí)間是不同的。

(2)連桿頸上各磨削點(diǎn)處的相對(duì)磨削速度不同。連桿頸上磨削點(diǎn)的速度與砂輪上磨削點(diǎn)的速度在曲軸轉(zhuǎn)角處于0°時(shí),方向相反,處于180°時(shí),方向相同,處于其他轉(zhuǎn)角時(shí),成一定角度?？梢?jiàn),各磨削點(diǎn)的相對(duì)磨削速度是不斷變化的。

(3)曲軸位于不同轉(zhuǎn)角時(shí),磨削點(diǎn)處磨削速度的大小和方向均不一樣,所以磨削力也不一樣。

(4)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),磨削力的方向、曲軸的受力狀態(tài)均是變化的,加之工藝系統(tǒng)剛度的變化,導(dǎo)致了曲軸在不同轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生的彈性變形量也不一樣。

通過(guò)分析可見(jiàn),連桿頸表面各點(diǎn)的磨削速度、磨削時(shí)間與受力狀態(tài)是不同的,從而影響了曲軸的加工精度和表面質(zhì)量,為此,提出了基于三軸聯(lián)動(dòng)的切點(diǎn)跟蹤磨削法。

1.2 基于三軸聯(lián)動(dòng)的切點(diǎn)跟蹤磨削法

圖2 基于三軸聯(lián)動(dòng)的曲軸連桿頸切點(diǎn)跟蹤磨削法的示意圖

圖2為基于三軸聯(lián)動(dòng)的曲軸連桿頸切點(diǎn)跟蹤磨削法的示意圖,曲軸繞主軸中心O順時(shí)針旋轉(zhuǎn),砂輪自身順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí),可以在X軸和Y軸兩個(gè)方向上進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。這樣,當(dāng)曲軸的連桿頸處于不同位置時(shí),砂輪與連桿頸的中心點(diǎn)始終處于同一水平線上,接觸點(diǎn)(磨削點(diǎn))始終位于水平的砂輪與連桿頸的連心線上。當(dāng)連桿頸中心處于最高點(diǎn)時(shí),此時(shí)的磨削點(diǎn)為A,曲軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°以后,磨削點(diǎn)移動(dòng)到了點(diǎn)B,連桿頸磨削過(guò)的弧段為AB,如圖2中陰影所示。當(dāng)連桿頸中心處于最低點(diǎn)時(shí),磨削點(diǎn)為C,連桿頸磨削過(guò)的弧段為AC,再次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°以后,此時(shí)的磨削點(diǎn)為D,連桿頸磨削過(guò)的弧段為AD。這樣,曲軸旋轉(zhuǎn)一周,連桿頸正好完成一周的磨削。本實(shí)驗(yàn)中,機(jī)床采用西門(mén)子公司數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置,實(shí)現(xiàn)磨削循環(huán)中工作臺(tái)的自動(dòng)跳擋,砂輪架的自動(dòng)切入和粗、精、微進(jìn)給轉(zhuǎn)換間隔停留以及砂輪修正器的自動(dòng)修整循環(huán)。

2 基于三軸聯(lián)動(dòng)的切點(diǎn)跟蹤磨削法的運(yùn)動(dòng)模型分析

如圖3所示,O為曲軸主軸頸中心,以O(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系,O′為砂輪中心點(diǎn),O″為連桿頸中心點(diǎn),連桿頸半徑為r w,砂輪半徑為r s,曲軸偏心距為L(zhǎng)。當(dāng)曲軸從連桿頸中心最高點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)角度α?xí)r,此時(shí)的磨削點(diǎn)為M,所磨削過(guò)的弧段為AM。此時(shí)磨削點(diǎn)M的坐標(biāo)為

圖3 磨削點(diǎn)軌跡分析圖

如圖4所示,以砂輪與連桿頸的接觸點(diǎn)M(磨削點(diǎn))為坐標(biāo)原點(diǎn),建立相對(duì)坐標(biāo)系。當(dāng)曲軸連桿頸中心處于最高點(diǎn)時(shí),此時(shí)的磨削點(diǎn)為A,曲軸順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)角度α后,此時(shí)的磨削點(diǎn)移動(dòng)到了點(diǎn)M,點(diǎn)A繞連桿頸中心順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)了角度β,幾何分析可知,α=β,兩邊同時(shí)對(duì)時(shí)間 t求導(dǎo),可得到 ω0=ω1,其中 ω0為曲軸主軸頸旋轉(zhuǎn)的角速度,ω1為連桿頸上磨削點(diǎn)繞連桿頸中心O″旋轉(zhuǎn)的角速度。由于曲軸主軸的旋轉(zhuǎn)是勻速的,所以磨削點(diǎn)繞連桿頸中心O″的旋轉(zhuǎn)也是勻速的,可見(jiàn),連桿頸上的每一點(diǎn)被磨削時(shí),其磨削的時(shí)間是均勻的,即磨削點(diǎn)在連桿頸上勻速運(yùn)動(dòng)。連桿頸的半徑可近似看作是恒定的,因此磨削點(diǎn)M繞O″旋轉(zhuǎn)的速度vw也是恒定的。

圖4 磨削點(diǎn)速度分析圖

對(duì)連桿頸上磨削點(diǎn)M處的速度進(jìn)行分析,vO為磨削點(diǎn)M相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)O的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度,其方向垂直于OM,可以把vO看成兩個(gè)運(yùn)動(dòng)速度的合成速度,其一為磨削點(diǎn)M繞連桿頸中心O″旋轉(zhuǎn)的速度v w,其方向始終垂直于X′軸,其二為連桿頸中心O″繞坐標(biāo)原點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)的速度vO″,其方向垂直于OO″,將其平移至磨削點(diǎn)M處。v w的大小和方向是確定的,vO和vO″的方向是確定的,根據(jù)速度合成的平行四邊形法則,從圖4中可以看出v w與vO″的合成速度即為vO。

在相對(duì)坐標(biāo)系中,砂輪在磨削點(diǎn)M處的速度v s是恒定的,其方向始終垂直于X′軸。磨削點(diǎn)M繞O″旋轉(zhuǎn)的速度v w與砂輪在磨削點(diǎn)M處的速度v s的合成速度即為相對(duì)磨削速度,由此可見(jiàn),連桿頸上的每一點(diǎn)被磨削時(shí),其相對(duì)磨削速度也是恒定的。

根據(jù)磨削基本原理可知,當(dāng)量磨削厚度h eq是控制磨削質(zhì)量的基本參數(shù)[7],對(duì)外圓磨削有

式中,a為徑向進(jìn)給量。

磨削力是磨床設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),也是磨削研究的主要因素,磨削力的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式[8]為

式中,K0、K1、K2、K3、λ均為系數(shù);Ft、Fn分別為切向和法向磨削力。

由此可知當(dāng)量磨削厚度和磨削力均與工件速度和砂輪速度有關(guān)?？梢?jiàn),采用基于三軸聯(lián)動(dòng)的切點(diǎn)跟蹤磨削法可以實(shí)現(xiàn)恒定的磨削力,通過(guò)對(duì)砂輪的徑向進(jìn)給量進(jìn)行控制,亦可實(shí)現(xiàn)恒定的當(dāng)量磨削厚度,從而提高了連桿頸的加工精度和表面質(zhì)量。

3 檢測(cè)補(bǔ)償

采用切點(diǎn)跟蹤磨削法磨削曲軸連桿頸時(shí),由于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各參數(shù)相互關(guān)聯(lián),故磨削過(guò)程是復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,曲軸回轉(zhuǎn)軸與砂輪軸的聯(lián)動(dòng)誤差、曲軸在磨削力的作用下沿磨削點(diǎn)法向的彈性位移、砂輪實(shí)際半徑與砂輪理論計(jì)算半徑的差值、磨削力對(duì)曲軸回轉(zhuǎn)中心的力矩隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化等因素,都會(huì)為磨削加工后的連桿頸帶來(lái)誤差[9]。為此,在加工過(guò)程中,采用了在線測(cè)量裝置,把磨削工藝分為粗磨和精磨,粗磨時(shí)將大余量磨削掉,在磨削過(guò)程中允許產(chǎn)生的圓柱度誤差為6～8μm。粗磨后進(jìn)行在線檢測(cè),采用意大利MARPOSS測(cè)量?jī)x(含軸徑測(cè)量、軸向定位、在線自動(dòng)平衡、消空程、防碰撞等功能),機(jī)械手將測(cè)試探頭接觸曲軸頸,轉(zhuǎn)動(dòng)幾周,得到圓柱度誤差信息,并計(jì)算出不同角度范圍內(nèi)的誤差值,對(duì)跟蹤的兩個(gè)坐標(biāo)進(jìn)行脈沖補(bǔ)償(由控制系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償),補(bǔ)償過(guò)程在精磨過(guò)程中進(jìn)行,多次實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)顯示,這樣加工后的連桿頸表面粗糙度Ra可以達(dá)到0.4μm,圓柱度達(dá)到2μm。

圖5和圖6所示分別為采用圓度儀定標(biāo)確定基圓,MARPOSS測(cè)量?jī)x動(dòng)態(tài)檢測(cè)記錄得到的補(bǔ)償前后曲軸連桿頸的磨削輪廓曲線,可以看出,檢測(cè)補(bǔ)償在基于三軸聯(lián)動(dòng)的切點(diǎn)跟蹤磨削原理基礎(chǔ)上,提高了連桿頸的加工精度和表面質(zhì)量。

圖5 補(bǔ)償前的磨削輪廓曲線

圖6 補(bǔ)償后的磨削輪廓曲線

4 結(jié)論

與基于兩軸聯(lián)動(dòng)的曲軸連桿頸切點(diǎn)跟蹤磨削法相比較,采用基于三軸聯(lián)動(dòng)的曲軸連桿頸切點(diǎn)跟蹤磨削法主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):

(1)連桿頸與砂輪的各接觸點(diǎn)(磨削點(diǎn))處的磨削時(shí)間相同。

(2)曲軸位于不同轉(zhuǎn)角時(shí),連桿頸上各磨削點(diǎn)處的磨削速度的大小和方向均不變,從原理上實(shí)現(xiàn)了曲軸連桿頸的恒線速度磨削。

再輔以在線測(cè)量裝置,可以使加工后的連桿頸圓柱度達(dá)到2μm,表面粗糙度Ra達(dá)到0.4μm,從而提高曲軸的使用壽命,改善潤(rùn)滑條件。與基于兩軸聯(lián)動(dòng)的切點(diǎn)跟蹤磨削法相比,大大提高了加工的精度和表面質(zhì)量,具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Research on Crankshaft Tangential Point Tracking Grinding M ethod Based on Three-axis

Xu Zhiyang Huang Xinghong
Zhejiang Instiute o f Mechanical&Electrical Engineering,H angzhou,310053

By analyzing the deficiency o f current crankshaft tangential point tracking grinding method based on tw o-axis,crankshaft tangential point tracking grinding method based on three-axisw as p roposed.The grinding w heel can move in X and Y axis direction.Their motion m odels were studied.The results show that thisgrindingmethod can achieve constant speed grinding.A fter experiments,the crankshaft pin can bem achined w ith the cy lindricity of2μm and the surface roughness Ra of 0.4μm.And it providesan effectivemethod to obtain high machining accuracy and surface quality of the crankshaft pin.

crankshaft;tangential point tracking;grinding;constant velocity

TG580.1

1004—132X(2011)05—0518—04

2010—04—30

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2008A A042504)

(編輯 袁興玲)

徐志揚(yáng),男,1959年生。浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代制造研究所副教授。主要研究方向?yàn)槟＞咴O(shè)計(jì)與制造和CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用。發(fā)表論文2篇。黃興紅,男,1955年生。浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電實(shí)訓(xùn)中心高級(jí)講師。