高速高精凸轮轴磨床砂轮架优化设计

1、高速高精凸轮轴磨床砂轮架优化设计 分类号 学号 M202170445学校代码10487密级 硕士学位论文高速 高精 凸轮轴磨床砂轮架 优化 设计学位申请人 : 郑孟昆 学科专业 : 机械电子工程 指导教师 : 张国军教授 黄 禹 副教授 辩论日期 : 2021 年 1 月 12 日A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of Master of Engineering Optimization Design of Grinding Carriage for High-speed a

2、nd High-precision GrinderCandidate : Zheng Mengkun Major : Mechatronic Engineering Supervisor : Prof. Zhang Guojun Assoc. Prof. Huang Yu Huazhong University of Science & Technology Wuhan ,Hubei 430074,P. R. China Jan. 2021独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取 得 的研究成果。 尽我所知, 除文中已经标明引用的内容外, 本论文不包含

3、任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出奉献的个人和集体, 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承当。学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保存、 使用学位论文的规定, 即: 学校有权保存并 向 国 家 有 关 部 门 或 机 构 送 交 论 文 的 复 印 件 和 电 子 版 , 允 许 论 文 被 查 阅 和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或局部内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密,在年解密后适用本授权书。 本论文

4、属于 不保密。 请在以上方框内打“学位论文作者签名: 指导教师签名: 日期: 年 月 日日期: 年月 日 华中科技大学硕士学位论文 摘 要 凸轮轴等异形零件是发动机配气机构、 纺织机械及自动化生产线 的关键零件, 其加工精度、 效率、 外表质量等要求越 来越高, 推动了高速随动磨削技术的开展 。 砂轮架 是凸轮轴磨床关键的功能部件, 高速高精凸轮轴磨削中存在的轮廓误差、 粗糙度、 波纹度等问题对砂轮架的动力学特性提出了新的要求, 解决这些问题主要从 砂轮架的结构形式及主轴和进给系统的跟踪能力 着手 。 针对上述问题, 在分析国内外 凸轮轴磨削最新研究开展 与应用的根底上,开展高速高精 CBN

5、凸轮轴磨床的核心部件 ?动静压轴承电主轴 、直线电机结构形式的砂轮架的研究 工作。 研究内容主要包括以下几个方面 : 恒线速度凸轮轴磨削运动学分析, 磨削力分析与仿真 ,磨床砂轮架整体结构设计及 强度 校核与模态分析等。 首先, 建立了恒线速度凸轮轴磨削运动学模型 。 分析凸轮等异形零件轮廓曲线, 采用三次样条插值方法拟合凸轮升程曲线, 建立凸轮转角、 砂轮架中心位移的运动学模型,得到恒线速度磨削加工时砂轮架理论位移、 速度、 加速度表达式, 求解最大速度、 加 速度,为后期结构设计进给电机选型提供理论依据。 其次, 进行了磨削力分析与仿真 。 运用概率统计方法模拟砂轮沙粒磨削状态, 运用有限

6、元仿真手段建立 单颗磨粒高速磨削动力学模型 , 在此根底上求解磨削力, 为砂轮驱动电机选型奠定根底。 最后, 完成了砂轮架整体结构 优化设计。 在凸轮轴磨削运动学 分析、 磨削力计算 的根底上进行 CBN 凸 轮轴磨床 砂轮架 方案设计。运用 ANSYS 有限 元分析软件 ,对关键零部件进行 了强度校核, 从而保证砂轮架的强度并提高 了砂轮架刚性, 实现轻量化设计;对砂轮架进行模态分析, 避开振源频率, 降低了振动对加工质量的影响 。关键词: 凸 轮轴磨床,恒线速度磨削 ,磨削力仿真,优化设计I华中科技大学硕士学位论文 Abstract Special-shaped parts such as

7、 camshaft are the key component of engine valve mechanism, textile machine and automatic production line and so on. The machining accuracy, productivity and surface roughness are highly demanded, which promote the development of the grinding technique. The grinding carriage is the key component of t

8、he camshaft grinderThe better performance of the dynamic character of the grinding carriage is needed in order to solve the problems of profile deviation, roughness and waviness. The structure style of the spindle and the tracking capability of the feed system should be paid more attention toAiming

9、at the problems mentioned above, the grinding carriage of the high-speed and high-precision CBN grinding machine is researched based on the analysis of the latest research and application of camshaft grinder at home and abroadThe following aspects are included, such as the kinematics analysis of con

10、stant linear velocity in camshaft grinding, analysis and simulation of the grinding force, the structure design, strength and mode analysis of the grinding carriageFirst of all, the kinematics model of constant linear velocity of the camshaft grinding is set up. The cam profile is analyzed. The rela

11、tionship between cam angle and the grinding carriage displacement is achieved based on the spline interpolation of the cam profile. And the grinding wheel displacement, velocity and acceleration are derived. Also the linear motor selection is realizableSecondly, the grinding status of the grit is an

12、alyzed based on probability and statisticThe dynamics model of the grit in high speed grinding is realized by the finite element method. On this foundation the grinding force is achieved and the build-in motor selection could be carried outAt last, the grinding carriage scheme is completed based on

13、the kinematic analysis andII华中科技大学硕士学位论文 the grinding force calculation. The strength of the key components is checked based on the ANSYS software which can ensure the rigidity of the grinding carriage and realize the lightweight design. And the models of vibration of the grinding carriage are analy

14、zed in order to eliminate its effect to the grinding quality Key words: camshaft grinder, constant linear velocity grinding, grinding force simulation, optimization design III华中科技大学硕士学位论文 目 录 摘 要. I Abstract. II 1 绪论 1.1 课题 来源 1 1.2 研究 背景 1 1.3 研究 目的及意 义 2 1.4 高速 随动凸轮 轴磨削国 内外研究 现状 3 1.5 主要 研究内容 及章节安

15、 排8 2 凸 轮轴磨 床砂轮架 运动学分 析 2.1 砂轮 中心位移 模型 10 2.2 恒线 速度磨削 凸轮的理 论转速. 14 2.3 砂轮 架中心位 移、速度 、加速度 曲线. 16 2.4 本章 小结. 19 3 磨 削力建 模与分析 3.1 单颗 磨粒磨削 力有限元 模型20 3.2 仿真 结果分析24 3.3 总磨 削力的计 算. 27 3.4 本章 小结. 28IV华中科技大学硕士学位论文 4 凸 轮轴磨 床砂轮架 整体方案 设计 4.1 高速 凸轮轴磨 床砂轮架 关键部件 选型. 29 4.2 砂轮 架整体结 构设计33 4.3 电机 选型及轴 承压力计 算 35 4.4 本

16、章 小结. 38 5 砂 轮架关 键零部件 强度分析 与优化 5.1 砂轮 主轴静态 、动态特 性分析. 39 5.2 砂轮 架箱体静 态、动态 特性分析 44 5.3 内置 电机过盈 配合分析. 48 5.4 本章 小结. 50 6 总 结与展 望 6.1 总结52 6.2 展望52 致谢 54 参 考文献. 55 附 录:攻读 硕士期间 发表的学 术论文. 59V华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1.1 课 题来 源 本课题来源于国家自然科学基金: 基于动力学特性的高速随动磨削优化控制方法及实验研究(编号:50975110)。 1.2 研 究背 景 凸轮是指具有曲线轮廓或凹槽的构件, 其

17、广泛应用于内 燃机配气机构、 纺织机械以1及自动化生产线等 自动控制领域 。以内燃机行业为例,内燃机不断向高速、大功率 方向开展, 多气门内燃机日益普及, 例如目前主流汽车发动机转速可达 8000rpm,F1 赛车发动机甚是高达 25000rpm, 发动机 每个缸根本为四气门, 单根凸轮轴上凸轮数量 大和 工2作频率高, 凸轮轴加工外表完整性 直接影响内燃机整体 可靠性、噪声和动力特性 ,直至影响整车性能和质量 。 因此对凸轮轴 这一发动机关键零件的加工精度、 外表质量、 加工效率、 批量精度的稳定性等要求越来越高, 磨削是凸轮轴加工的最终工序, 是凸轮轴加工的关 键环节, 从而推动凸轮轴 磨

18、削技术不断向高效率、 高精度、 高柔性、 高稳定可靠性等方向开展。 磨削加工作为一种精密加工方法, 在制造业中占有重要地位, 据 American Machinist3杂志统计发现, 在金属加工中磨削所占比例接近 25% 。 传统的磨削加工效率低, 一般4作为机械加工的最后一道工序,实现精密加工。但是 近年来超高速切削概念的提出 ,对磨削技术的开展注入了新的活力, 开展了高效深切磨削、 快速点磨削 、 重负荷荒磨及随动磨削 等技术, 加之磨削在加工高硬度材料方面的优越性, 使得磨削加工成为先进制造领域引人关注的高效 加工技术之一。 由于凸轮轴外表轮廓线型非常复杂, 对外表轮廓精度及加工效率要求

19、比拟高, 给磨削加工工艺和装备带来了极大的挑战。 传统的凸轮轴磨削采用普通氧化铝类砂轮、 靠模仿形加工方法,其缺点是:1华中科技大学硕士学位论文 (1 ) 砂 轮 采 用 普 通 氧 化 铝 类 磨 料 , 磨 粒 较 大 , 硬 度 较 低 , 伴 随 磨 削 加 工 砂 轮 的 磨5损严重,砂轮径向尺寸变化较大,很难保证凸轮轴外形轮廓加工精度 。 (2 ) 制 造 靠 模 凸 轮 周 期 长 、 费 用 高 、 生 产 效 率 低 , 机 床 柔 性 差 , 而 且 靠 模 凸 轮 直6接影响所加工出凸轮的精度 。 以 上 提 到 的 两 方 面 问 题 都 归 结 到 砂 轮 架 的 结

20、 构 问 题 , 目 前 国 内 存 在 的 经 济 型 CNC凸 轮轴磨床砂轮主轴仍采用普通滚子轴承支撑, 进给系统采用传统的伺服电机和滚珠丝杠的结构形式, 生产效率低, 加工批量精度难以保证。 而国外凸轮轴磨床集成了大量先进的功能部件, 尤其在砂轮架局部, 如电主轴、 动静压轴承、 主轴动平衡仪及直线电 机等, 加工精度能到达 3um ,而国 内凸轮轴厂家的生产装备大局部依赖进口。 1.3 研 究目 的及意义 凸轮轴随动磨削与传统的靠模仿形磨削方法不同, 其 磨削运动过程是复杂的非圆运动, 且联动轴运动与磨削参数相互 耦合, 导致系统动力学特性对磨削 轮廓精度、 外表粗糙度、波纹等 等方面

21、系统的影响非常明显 ,作为凸轮轴磨床的关键功能部件的砂轮架,其动力学特性直接影响了磨削质量 。主要表现 有: (1)凸轮轴的高速磨削对砂轮架的动力学特性提出了更高的要求 。 CBN 砂 轮 的 应 用 为 高 速 随 动 磨 削 提 供 了 重 要 条 件 , 使 砂 轮 线 速 度 由 普 通 氧 化 铝 类砂轮的 3060m/s ,提高到 120250m/s ,甚至更高。但砂轮在高速旋转下,其不平衡引 起 的 作 用 力 或 者 磨 削 力 变 化 会 成 为 磨 削 加 工 振 动 的 激 振 力 , 直 接 传 递 给 了 砂 轮 架 系7统 ,影响工件的外表质量 。 (2 ) 随 动

22、 磨 削 技 术 由 恒 角 速 度 向 恒 线 速 度 的 发 展 , 带来了 砂 轮 架 进 给 系 统 伺 服 跟8 踪困难的问题对凸轮轴等异形零件进行随动磨削时, 磨削点相对于回转中心的曲率 及其空间位置是不断变化的。 如果采用传统的工件恒角速度旋转方式, 外表各点的磨削速度会不断变化, 直接影响零件的外表光洁度。 此外, 被磨削零件外表的金属切除率也会发生较大变化, 导致磨削力波动, 往往使磨削系统产生非线性弹性变形, 导致轮廓误差和磨削波纹。2华中科技大学硕士学位论文 一般认为恒线速度磨削是提高随动磨削外表光洁度的有效措施。 但为控制工件恒线速度旋转, 工件角速度必须不断变化。 由

23、于凸轮轴等零件轮廓曲线的复杂性, 工件往往有很大的角加速度。另外,由于 X 轴和 C 轴的运动有明确的耦合关系,工件恒线速度旋转往往也带来砂轮架的高加速度。 因此, 伺服系统受跟踪能力限制产生误差 , 降低 加工 精度。 基于上述问题:本 文以恒线速度 磨削模型为根底, 开展高速凸轮轴 磨床关键部件 ? 砂轮架结构设计及运动学、动力学分析 及磨削力建模,综合运用电主轴、直线电机、动静压轴承等关键功能部件 , 提高 砂轮架的整体刚度和响应速度,以 实现高速凸轮轴磨床整体性能 的提高,对我国凸轮轴磨床自主研发 具有一定借鉴意义。 1.4 高 速随 动凸轮轴 磨削国内 外研究现 状 随动磨削(也称

24、切点跟踪磨削、 连续轨迹控制磨削continuous path controlled grinding 、摆 动 式 磨 削oscillate grinding 或 同 步 磨 削 ) 是 提 高 曲 轴 、 凸 轮 轴 等 异 形 零件9的磨削效率、精度和柔性的有效手段 。该技术可以在一次装夹中完成工件多个圆柱 、非圆柱外表的加工, 实现凸轮轴等异形零件的多工序复合精密磨削加工。 高速随动磨削加工工艺特点是:砂轮径向进给(X 轴)伺服驱动、工件的旋转运动C 轴 可变 的恒线速度磨削、 砂轮直径软件补偿、 凸轮形状的直接数据输入等特点, 在凸轮轴磨削过程中,10数控插补所控制的轴(X 轴和 C

25、 轴)的运动轨迹是连续的 。 从目前国内外发动机生产厂家可 以看出, 随动磨削技术已成为凸轮轴等异形零件非圆磨削加工的重要手段。 调查国外凸轮轴磨床生产厂家如 Landis 、JUNKER 等 公司的产品系列,高速随动凸轮轴磨床根本组成局部都是由砂轮架、头尾架、床身及液压系统、控制系统等几局部组成, 但凸轮轴磨床的关键部件 ?砂轮架的具体结构形式随着磨床加工精度的提高其结构发生了明显变化, 由传统的伺服电机通过皮带、 联轴器等驱动砂轮主轴到内置电机直接驱动砂轮主轴的形式, 主轴支撑由滚珠轴承到动静压轴承, 进给系统由伺服电机驱动丝杠将旋转运动转变为直线进给运动到直线电机驱动, 另外工程应用 的

26、磨削速度提高到了 150200m/s ,砂轮架的整体变化趋势是结构越来越紧凑,带来3华中科技大学硕士学位论文 的直接影响是刚度大、 伺服响应快、 效率高, 从而为提高凸轮轴磨削精度及加工效率奠定了根底。 从文献检索情况看, 国外在随动磨削领域的研究集中在凸轮轴零件, 主要从 高速磨削技术 与工艺、磨削力有限元建模 等 方面展开讨论。 1.4.1 高速 磨削技术 (1)高速磨削概念的提出: 高速切削假设是由德国切削专家 Carl Salomon 博 士提出的, 他认为在常规的切削速度范围内切削温度随着切削速度的增大而升高, 当切削速度增大至与工件材料有关的某一临界速度后, 随着切削速度的增大,

27、切削温度与切削cr11力反而降低 , 切削力减小, 磨削温度随速度的变化趋势如图 1.1 所示 , 刀具寿命延长 。这一假设同样适用于磨削加工, 在保持磨削深度、 进给速度一定的条件下, 随着砂轮线速度的升高,单位时间参与磨削的磨粒数量将增加,那么相应的磨屑厚度 h 将减小,s 这样就减小了磨削力, 实验说明增大磨削速度, 磨屑弹性变形减小, 工件外表隆起变小,更多的磨削 热量由磨屑带走,提高了磨削外表质量。图 1.1 磨削 速度- 磨削温度关系示意4华中科技大学硕士学位论文 (2) 高速 CBN 砂轮 的应用: 国内外在高速随动凸轮轴磨削方面开展 几乎全部采用CBN (Cubic Boron

28、 Nitride 立方氮 化硼)砂轮进行高速和超高速磨削加工。日本已有磨12 ,13削线速度达 200m/s 的 CBN 磨 床在工业中应用 。 郑州磨料磨具磨削研究所一直致力于超硬磨具的研究工作, 在 1967 年开发了第一颗立方氮化硼砂轮。CBN 砂轮 在高速磨削 领 域 应 用 越 来 越 广 泛 ,CBN 砂 轮 磨 削 时 磨 削 区 域 温 度 低 , 降 低 了 磨 削 烧 伤 工 件 的趋势 和 加 工 中 的 热 应 力 与 热 变 形 , 与 普 通 氧 化 铝 砂 轮 磨 削 区 域 热 量 占 总 磨 削 能 力 的 的1460% 75% 相比 CBN 砂轮热量分配低至

29、 20% 左右 ,CBN 砂轮具 有良好的阻尼特性和15高刚性,CBN 砂轮的 这些特性为高速磨削提供了支持 。 (3) 高速磨削新工艺的研究: 国外在恒线速度磨削工艺、 点磨削工艺及高速 CBN16 ,17磨削工艺 等高速凸轮轴磨削加工方面已经做了大量 的研究 工作 。德国的 JUNKER18公司 于 1994 年采用 CBN 砂轮开 发了一种新型高速 磨削工艺? 快速点磨削 , 集成 了高速磨削、CBN 砂轮 和 CNC 柔 性加工等先进技术, 加工时砂轮与工件接触只有一个切19点而不是一条线, 砂轮线速度可以到达 160m/s , 利用 连续轨迹数控技术, 实现了车、磨复合加工 ,高速快

30、点磨削加工如图 1.2 所示。其主要优点是高速磨削减小了磨屑厚度h , 减轻了磨粒负荷, 磨削热来不及传入工件直接被磨屑带走, 极大的提高了磨削精度和外表质量。图 1.2 高速 快点磨削加工 美国高速磨削的一个重点研究方向是低损伤磨削高级陶瓷, 他摒弃了传统的多工序5华中科技大学硕士学位论文 磨削,而是采用粗精加工一次完成,大大降低了外表破裂。湖南大学从上世纪 80 年代开 始研究高速随动磨削技术,基于西门子数控系统开发了一系列的 CBN 凸轮轴磨床,20突破性的研发了砂轮架在基圆、升程、回程和顶圆四段恒线速度的凸轮轴磨削工艺 。 (4) 新技术在砂轮架中的应用 : 美国、 日本和欧洲的高速随

31、动磨削技术比拟成熟,得益于他们在高速磨削领域理论研究比拟深入,工艺试验丰富,更重要的是 如电主轴、动静压轴承、 动平衡仪及直线电机等关键功能部件的研究应用为高速磨削及先进磨削工艺的进步提供了技术根底 。目前随动磨削产品化比拟完善的公司包括:LANDIS 公司、JUNKER 公 司、EMAG 公司、 丰田工机等。 他们 生产的磨床砂轮架系统集成了大量精密先进的功能部件,如超高速 CBN 砂轮、直线电机、电主轴、动静压轴承等。欧洲、美国在 20 世纪 60 年代 就开始了高速磨削的 机床的研发, 实验室的磨削速度已经到达 250 400m/s 。 德国将快速点磨削技术和最新关键功能部件结合在一起

32、, 瑞士 Studer 公司开发的 S40 高速 CBN 砂 轮磨床最正确磨削速度为 125m/s , 最高磨削速度达 500m/s , 把高速磨21削推向了一个新的高度 。日本丰 田工机推出了实用化的磨削速度到达 200m/s 的凸轮轴磨床。图 1.3 凸轮 轴数控高速 CBN 磨削 国内高速磨削技术起步较晚, 湖南大学 2000 年开发了 120m/s 磨削速度的数控凸轮轴磨床, 砂轮架采用外置式电机、 动静压轴承及动平衡仪等关键功能部件, 在切点跟踪、6华中科技大学硕士学位论文 22误差补偿等方面做了大量研究 。 华中科技大学、 东北大学、 广西大学也进行了大量高速磨削的实验研究。 上海

33、机床厂、 江西杰克机床厂、 湖大海捷工程技术研究等在高速随动磨床都推出了系列产品,但技术指标相对国外还有很大差距。 1.4.2 磨削 力有限元 建模仿真 砂轮或者砂带是由许多细小的磨粒用结合剂粘结在一起进行切削加工的一种工具,切削加工机理很复杂, 它涉及到金相 学、 弹性力学、 塑性力学、 断裂力学、 传热学以 及23摩擦接触、润滑等很多领域 ,受 工 件 参数( 材料 类型、温度、预变形等) 、刀具参数( 刀 具 几 何 参 数 、 材 料 等 ) 、 加 工 工 艺 ( 切 削 速 度 、 被 吃 刀 量 、 进 给 速 度 及 工 况 等 ) 多方面的影响, 这些都给切削力的建模计算带来

34、了困难。 以往切削力的主要研究方法是在切削理论研究的根底上建立切削力的解析表达式, 搭建切削实验平台拟合得到切削力经验公式, 这种方法已经做了大量的研究工作, 大连理工大学研究了通过改变球头立铣刀24进 给 方 向 、 进 给 速 度 等 参 数 建 立 了 三 轴 雕 刻 机 的 铣 削 力 公 式 , U.S. Patnaik Durgumahanti 等人在 磨削中滑擦、 耕犁和切削形成三个阶段的根底上考虑摩擦力系数的25变化和耕犁力对磨削模型的影响, 完善了磨削力公式 。 由于高速磨削涉及的工件及工艺参数很多、 范围很广, 至今也没有形成系统的高速磨削时磨削力计算模型。 随着有限元技术

35、的不断开展和完善, 网格重划算法稳定性和计算机硬件水平的提高, 有限元商业软件日益成熟, 加强了大变形、 扭曲网格的计算能力, 利用计算机仿真磨削过程逐渐成为磨削力研究的主要方向。 磨削过程仿真首先遇到的问题是砂轮形貌的模拟, 主要两种分析类型为经验模型和26物理模 型 。 欧洲磨削研究在 20 世纪 90 年代以前, 由于实验的限制, 砂轮形貌的研究27集中在估计给定砂轮静态、动态磨粒数目的经验公式上 。 与 此 同 时 美 国 学 者 Meyers28 29和 Peklenik 那么采用了自相关理论和离散时间序列建模技术 ,McAdams 用马尔可夫30链理论 ,Stralkowski 等

36、人用自 回归(AR )模型,另 外还有利用 自回归移动 平均数技31术(ARMA ) 开发砂轮拓扑的离散估计 等等 方法。 近些年来, 分形理论应用的砂轮拓7华中科技大学硕士学位论文 32扑分析中, 例如 Ali 和 Zhang 的模糊逻辑模型成功的用到了砂轮建模中 。Liao 设计了33一种只与磨粒直径相关的金刚石砂轮拓扑的分形描述 。 Hou 和 Komanduri 用随机方法34逼近砂轮拓扑的模型 。Hegeman 建立了基于随机分布的椭球形磨粒的砂轮的 3D 拓扑35模型 。 从 以上分析可以看出, 建立砂轮拓扑模型根本围绕磨粒形状、 大小, 随机分布及磨粒分形等方面。 在磨削力有限元

37、仿真方面国内外学者也做了大量研究, 由于磨削过程很复杂, 目前磨削力的有限元仿真主要是单颗磨粒磨削过程的仿真, 加拿大学者 Darrel A. Doman 利用 hypermesh 及 LS-DYNA 软件 对磨削过 程三个主要阶段进行了仿真,分析了磨削力的36 37构成 。 东 北大学宿崇等人以流固耦合算法 为根底进行了单颗磨粒的三维仿真 , 分析了 磨削形成过程中工件的应力、 应变、 剩余应力和温度变化。 有限元仿真切削过程最大的问题是缺乏足够的、 精确的材料本构 方程, 以及在磨削过程中的随机性, 磨削区域的热力学特征等, 这些方面限制了有限元仿真的精确度 , 因此用于传统加工的材料数据

38、并不适用于高速 磨削,为了得到更准确的有限元模型,需要将实验结果和仿真之间 比照,调整材料模型参数,直到两者相吻合。 从以上看出, 高速磨削产生的新工艺及新技术都集 中应用在了砂轮架上, 它是凸轮轴磨床的核心功能部件, 其动力学特性直接影响了凸轮轴的轮廓精度、 外表粗糙度、 波纹等 。 本文将重点针对凸轮轴磨床关键功能部件 ?砂轮架的运动学、 动力学特性及磨削力进行分析计算, 设计进给系统采用直线电机, 主轴采用高速精密内置电机、 动静压轴承式砂轮架,并对关键部件进行强度、刚度和模态分析。 1.5 主 要研 究内容及 章节安排 1.5.1 主要 研究内容 本文主要研究了恒线速度凸轮轴磨削运动学

39、模型、 磨削力分析与仿真、 磨床砂轮架整体结构设计及强度校核与模态分析等。具体内容包括: (1 ) 建 立 了 恒 线 速 度 凸 轮 轴 磨 削 运 动 学 模 型 。 分 析 凸 轮 等 异 形 零 件 轮 廓 曲 线 , 采8华中科技大学硕士学位论文 用三次样条插值方法拟合凸轮 轮廓 曲线,建立凸轮转角、砂轮架中心位移的 运动关系,得到恒线速度磨削加工时砂轮架理论位移、 速度、 加速度表达式, 求解最大速度、 加 速度,为后期结构设计进给电机选型提供理论依据。 (2 ) 进行了 磨 削 力 分 析 与 仿 真 。 运 用 概 率 统 计 方 法 模 拟 砂 轮 沙 粒 磨 削 状 态 ,

40、 运 用有限元仿真手段建立单颗磨粒高速磨削动力学模型, 在此根底上求解磨削力, 为砂轮驱动电机选型奠定根底。 (3 ) 完成了 砂 轮 架 整 体 设 计 方 案 。 在 凸 轮 轴 磨 削 运 动 学 分 析 、 磨 削 力 计 算 的 基 础上进行 CBN 凸轮轴磨床砂轮架方案设计,主要特点是采用电主轴减小砂轮架惯性、提高砂轮主轴刚度;径向进给采用直线电机,提高伺服系统响应速度。 (4) 最后 运用 ANSYS 有限元分析软件, 对 关键零部件进行强度校核, 保证砂 轮 架的强度并提高砂轮架刚性, 实现轻量化设计; 对砂轮架进行模态分析, 降低振动对加工质量的影响。 1.5.2 章节 安排

41、 本文主要针对高速凸轮轴磨床砂轮架进行了设计与分析, 完成了砂轮架整体结构设计校核及电机选型工作。文章总共 6 章,各章主要内容如下: 第一章绪论, 简述了课题来源 , 以及 研究背景、 目的和意义, 对国内外研究现状进行了分析,提 出了凸轮轴磨床几个主要的研究方向。 第二章砂轮架运动学分析, 建立凸轮轴转动角度与砂轮架中心位移关系的运动学模型,推到出砂轮架往复运动的速度及加速度曲线。 第三章磨削力的建模与分析, 从单颗磨粒磨削过程入手进行分析仿真, 再运用概率统计的方法得到总的磨削力。 第四章砂轮架整体方案设计, 确定了砂轮架的总体方案, 以及主轴电机、 进给电 机的选型,动静压轴承的分析与

42、计算。 第五章砂轮架关键零部件的强度校核与模态分析, 对箱体、 主轴等关键零部件的强度、模态进行了分析,验证设计的合理性。 第六章研究内容的总结与接下来工作的展望。9华中科技大学硕士学位论文 2 凸轮轴 磨床砂 轮架 运 动学分 析 目前 凸 轮 磨 削 加 工 广泛 采 用 切 点 跟 踪 磨 削 加 工 方 法 , 也 就 是 根 据 凸 轮 外 形 轮 廓 参数, 控制砂轮径向进给 (X 轴) 和工件旋转 (C 轴) 的联动, 这种全数字控制的凸轮轴磨削加工方法克服了传统靠模仿形加工中 由于凸轮外形轮廓线复杂带来 的靠模易磨损、效率低、 批量精度难以保证、 柔性差等一系列的问题, 极大的

43、提高了磨削效率、 精度 和外表质量, 代表了凸轮磨削加工的开展方向。 基于磨削点恒线速度的 高速随动磨削提高了 凸轮的磨削效率,同时带来了运动学、动力学方面的问题。 2.1 砂 轮中 心位移模 型 凸轮轮廓形状一般由升程表 (离散值) 或升程表达式 (连续值) 给出, 凸轮转过 的角度对应从动件的位移量就是所谓的升程。 凸轮设计厂家处于技术保密的 目的一般不会直接给出凸轮升程表达式, 大多采用升程表的方式给出。 本章首先根据升程表拟合出凸轮轮廓曲线, 再建 立砂轮中心位移模型, 进而推导出恒线速度磨削条件下凸轮的理论转速,最后得到恒线速度磨削砂轮架中心位移、速度、加速度曲线。 2.1.1 凸轮

44、 升程表达 方式 凸轮运动中从动件挺杆有三种不同形式, 分别为: 刀口挺杆、 平面挺杆和滚子挺杆(包括球面挺杆) 。每种形式的挺杆所对应的凸轮升程 H 的含义及测量方法是不同的,其原理示意图如图 2.1 所示,但刀口挺杆和平面挺杆又可以看作特殊形式的滚子挺杆,刀口挺杆可以看作滚子半径为零的滚子挺杆, 平面挺杆可以看作滚子半径为无穷大的滚子挺杆, 所以我们只要推导出滚子挺杆形式的 砂轮中心位移模型作为一般表达式 , 滚子半 径 趋 于 零 和 无 穷 大 时 就 是 刀 口 挺 杆 和 平 面 挺 杆 的 解 析 表 达 式 。 在 参 考 文 献8,20 的基础上,结合凸轮轴磨削的特点推导磨削

45、公式如下。10华中科技大学硕士学位论文图 2.1 凸轮 升程测量 方法图 2.2 所示 为切点跟踪磨削凸轮轴示意图, 图中 为凸轮基圆圆心, 为滚子 圆1心,r 为凸轮基圆半径,r 为滚子半径 ,H 为滚子挺杆位移。 1dHdHs' s定义 为类速度,速度 。 ddtdHds s' (2.1) ddt其中为凸轮角速度。?其运动关系是凸轮绕 O 点旋转 , 滚子沿 往复运动,以凸轮升程和回程对称线1为基准线,那么凸轮转过角度为,当图示位置时, 滚子与凸轮相切于 A 点, 为凸轮r?A 点的速度矢量, 为凸轮与滚子 相对运动速度 (假设滚子与挺杆是固定约束), 为t H砂轮进给速度

46、 。由 、 、 三个速度矢量构成的三角形和?AOM 相似,得出: r t HOM1 (2.2)HrsOM那么(2.3) H11华中科技大学硕士学位论文 dHOM同(2.1)式 比照得(2.4) ddHOM设凸轮对称线逆时针方向旋转角度为正,那么 当处在升程阶段时 ;当ddH初在回程阶段时OM 。 d 图 2.2 滚子 挺杆形式 运动关系 2.1.2 砂轮 中心位移 与凸轮转 角数学模 型 上节中推导了凸轮升程表的测量原理及凸轮转角与升程 H 的对应关系, 这一节进一步推导磨削过程中凸轮转角与砂轮中心位移x 的关系。如图 2.3 砂轮磨削凸轮几何关系所示,A 点为所示位置磨削点, 那么凸轮与砂轮

47、在 A 点相切, 凸轮转角为, 假设此切点处有半径为r 的滚子挺杆, 滚子与凸轮也相切于 A 点, 其转角为 , 所以AOO 三1 12点共线。12华中科技大学硕士学位论文图 2.3 切点 跟踪磨削加工示意图 从图示位置得出: OO ?r ?H ?r (2.5) 11OM OOM atan (2.6) 1OO1作ON ?OM , 1ONOO cos OOM (2.7) 1 1 1ONOO sin OOM (2.8) 11O N ?R ?r ?ON (2.9) 2 1 1ONtanOO N (2.10) 2ON222因为OOON O N (2.11) 22凸轮转角为对应的砂轮径向位移x 为 x

48、?OO ?R ?r (2.12 2将2.4 2.10 带入2.11 式,得到砂轮径向位移x 与凸轮升程的函数关系式13华中科技大学硕士学位论文 22? dH? dHdd?xr ?H ?r sin atanR ?rr ?H ?r cos atan ?R ?r 1 1 1r ?H ?r? r ?H ?r?11(2.13) dH dH dH dH 如前所述,当回程时 ,升程时。 dd dd?OOO ?OOM?OO N (2.14 ) 1 2 1 2将式(2.4)(2.10)代入式(2.14)得? dHd?rH r ?sin atan1dH rH r1d atanatan(2.15) rH r dH1

49、dR ?rr ?H ?r cos atan?11rH r1通过以上推导可以看出, 对于每一个 升程表都有确定的凸轮转角与之对应, 就可以得 到离 散的 x , x ,? , x ,? x ,因 为三次 样条 插值 具 有连?00 11 ii nn续的二阶导数, 能保证曲线光滑连续, 因此采用 三次样条曲线函数拟合砂轮位移、 凸轮38转角离散点 。 2.2 恒 线速 度磨削凸 轮的理论 转速 图 2.4 所示 为恒线速度切点磨削加工求解示意图,A 点为所示位置磨削切点,转角dH为,由式(2.4)得OM, dNAO N-r(2.15) 1122OAON NA (2.16)14华中科技大学硕士学位论

50、文 将式(2.4)(2.8)、(2.15)带入式(2.16)得 22dH? dHddOA?r ?H ?r ?sin atan?r ?H ?r ?cos atan ?r1 1 1r ?H ?r r ?H ?r11(2.17) ?OOA ?OAN?OOM (2.18) 11将式(2.4)式(2.8),(2.15 )(2.16)带入式(2.17)得? dHdrH r sin atan?1rH r dH1d atanatan(2.19)? dH rH r1d?r ?H ?r ?cos atan ?r11rH r1图 2.4 恒线 速度磨削示意图设函数s为凸轮轮廓曲线, 凸轮角速度 ,那么磨削点 A 线

51、速度为 P15华中科技大学硕士学位论文 dsds dd (2.20) Adt dd dt2ds ?OA OA其中 (2.21)?d?d(2.22) Pdt由式 (2.14) 、 (2.19) 可以得到、都可以用表示, 即每个都有确定的、与之对应, 故可以通过三次样条插值得到和的关系,式(2.17 ) 表示OA 可以用表示, 结合式(2.21)和(2.22)就可以表示出。 A恒线速度磨削时线速度是确定的,故可反推求出, A PA(2.23 ) A2?OA dOA d最 后 通 过 三 次 样 条 插 值 得 到和的 曲 线 , 得 到 恒 线 速 度 磨 削 时 凸 轮 的 角 速 度 变P化曲线。 2.3 砂 轮架 中心位移 、速度、 加速度曲 线 本节将进行恒线速度磨削工艺对应砂轮架中心位移、 速度 和加速度运动曲线变化分析。 发动机凸轮轴的凸轮升程表一般是由平底从动件测量得到的, 本文分析的凸轮数据来自于某型号的发动机凸轮轴, 凸轮升程表有 360 个离散点, 基圆半径r 20mm , 最大升程 5.820mm ,假设 恒线速度磨削中凸轮轴 (C 轴)线速度为 1r/s 时的基圆线速度。 采用三次样条曲线对凸轮升程表插值,利用 2.1 节得到凸轮转角和