数控凸轮轴高速磨削工件主轴转速优化理论及实验研究

摘要

随着我国节能减排和绿色制造产业政策的实施，凸轮轴作为内燃发动机的关键零件之一，其加工质量的好坏直接影响汽车和船舶发动机的综合性能，因此对凸轮轴的加工轮廓精度要求越来越高。凸轮轴的加工方式已由原来的机械靠模加工向数控磨削加工转变，在很大程度上提高了凸轮轴加工质量。由于在磨削凸轮升程非圆轮廓段时磨削点磨削速度变化剧烈，凸轮轴数控磨床C轴和X轴联动磨削进给中会产生较大的加速度，对机床伺服系统造成较大的机械冲击，磨床的伺服系统可能会产生响应滞后，所以有必要基于磨床砂轮架进给能力约束下对凸轮轴工件主轴转速进行优化调节。
　　本文以凸轮轴数控高速磨削的工件主轴转速为研究对象，建立凸轮轴磨削运动数学模型，推导了凸轮工件主轴在恒线速度磨削时转速理论方程。结合恒转速磨削实验分析了工件主轴转速对凸轮轴加工质量的影响，根据数控凸轮轴高速磨床加工能力的约束条件，理论推导了砂轮架进给最大加速度值，对砂轮进给中加速度超出最大值的凸轮转角区间，通过积分反求方法求解出对应转角区间进给中对应的工件转速，并以该段转速替换对应的转角区间上凸轮轴恒线速度磨削时理论转速值，通过三次样条曲线对优化后的工件主轴转速进行拟合。在 CNC8325B数控凸轮轴磨床上进行了磨削加工实验，实验结果表明提高了凸轮轴的加工质量和效率。本文主要研究内容有以下几点：
　　（1）分析了凸轮轴数控高速磨削的加工特点及工艺，研究了凸轮轴磨床的砂轮进给伺服系统的结构性能与响应要求，对比恒转速与恒线速度模型下凸轮轴加工升程轮廓误差，探讨了凸轮工件转速优化调整对凸轮加工质量的影响。
　　（2）推导了凸轮轴 X-C两轴联动数控磨削运动数学模型，进行了砂轮架联动进给过程中运动学分析，仿真得到砂轮架进给过程中位移、速度及加速度曲线。在通过差分法对凸轮升程数据进行预处理后，采用最小二乘多项式对凸轮升程数据进行优化拟合。基于轮廓插补几何约束、砂轮架进给能力约束来理论推导砂轮架进给中允许的最大加速度值。
　　（3）根据计算推导得到的砂轮架进给允许的最大加速度值，对砂轮架进给过程加速度的变化值进行积分反求得到凸轮工件主轴的部分转速。将优化后的工件转速与恒线速理论转速，在 CNC8325B凸轮轴数控磨床上进行对比加工实验，实验结果表明，通过采用降低砂轮架进给加速度优化得到的工件转速值进行加工，可改善凸轮轴高效精密磨削加工质量，并提高了凸轮轴磨削加工效率。

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第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外凸轮轴磨削加工研究现状

1.3凸轮轴数控磨削数学建模研究现状

1.4凸轮轴磨削工件转速优化技术研究现状

1.5课题来源和研究内容

第二章 凸轮轴磨削数学模型及砂轮进给伺服系统

2.1凸轮轴高速数控加工技术

2.2凸轮轴磨削加工运动的数学建模

2.3凸轮轴数控磨削过程运动学分析

2.4凸轮轴高速磨削砂轮进给伺服系统分析

2.5本章小结

第三章 凸轮轴数控磨削工件转速的反求优化

3.1数控磨削加工C轴工件转速的优化

3.2升程轮廓数据的最小二乘法拟合

3.3砂轮架进给过程最大加速度的分析

3.4凸轮数控磨削工件转速的积分反求

3.5凸轮工件主轴转速曲线的三次样条拟合

3.6本章小结

第四章 凸轮轴数控磨削工件转速优化实验验证

4.1实验磨床

4.2 CBN 砂轮及其平衡与修整

4.3凸轮轴零件及检测装置

4.4凸轮工件主轴转速优化验证实验

4.5本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1全文总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢