凸轮磨削轮廓误差机理及精度提高方法研究

摘要

凸轮轴、转子发动机气缸等具有内外非圆轮廓的零件是发动机的核心部件，其轮廓磨削精度直接影响到发动机的性能。该类零件加工坐标计算复杂，轮廓精度受到跟踪误差变化、速度与加速度冲击、磨削受力波动、工件变形等多种因素的影响。研究轮廓误差机理及找出提高精度的方法，是当前凸轮加工行业中亟待解决的难题。本文以汽车发动机凸轮轴和转子发动机气缸内腔为研究对象。
　　建立了砂轮相对工件做平面刚体运动的X-C联动运动模型。运用矢量运算方法给出统一的内外凸轮轮廓磨削的位置模型、并基于磨削成形过程中工件与砂轮相对运动关系推导出各轴间联动速度、磨削点移动速度模型。为正确包络出内外凸轮目标轮廓、分析磨削接触点磨削状态、精确控制磨削过程，实现内外凸轮类非圆工件精确磨削提供理论基础。
　　揭示了曲率圆半径和轮廓凸凹性等轮廓几何特征对于凸轮磨削力波动影响规律。推导了适用于变曲率、凸凹变化的凸轮轮廓磨削弧长计算方法，提出了非圆轮廓分层磨削实质是一种受轮廓特征影响的局部平面磨削的观点，并在平面磨削力模型的基础上建立凸轮非圆轮廓磨削力计算模型。运用此模型，定量分析了复杂轮廓在等法向磨削余量下磨削力与曲率圆半径和轮廓凸凹性间的关联性。
　　提出了凸轮分层磨削法向不等距过程轮廓设计规划方法。根据轮廓误差在拐点处剧烈波动的现象，提出基于轮廓特征进行法向磨削余量调整以控制磨削力平稳的磨削加工策略。按此方法计算的磨削余量进行法向不等距分层过程轮廓设计，可平稳磨削力的波动，降低轮廓拐点处误差恶化。
　　建立了凸轮X-C联动轮廓误差在线补偿模型。分析了极坐标下轮廓误差与跟踪误差定义与计算方法，提出了基于联动轴间相对超前-滞后关系的在线轮廓误差计算方法。设计了沿轮廓误差与轨迹跟踪误差方向的在线轮廓补偿控制器，给出了X-C联动轴误差补偿解耦矩阵，并对转子发动机气缸轮廓加工进行了仿真加工验证。
　　提出了基于切点法向逼近成形原理的凸轮离线补偿方法，针对凸轮加工过程中磨削力波动、安装误差、机床自身精度等难以在线反馈因素，在类曲柄滑块联动约束模型中将廓形误差解耦为两联动轴的补偿量，从而达到离线预补偿减少轮廓误差目的。
　　在立式磨床上对转子发动机气缸内腔进行了磨削加工试验；完成了实际磨削加工过程中伺服轴速度与滞后量采集试验，并在两台数控凸轮磨床上分别对两种型号凸轮进行了磨削力优化和离线补偿磨削对比加工试验。检验结果表明所建立的模型正确，可有效降低轮廓误差。

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第一章 引言

1.1课题背景与研究意义

1.2凸轮类非圆磨削装备及关键技术的发展现状及趋势

1.3课题目的和主要研究内容

第二章 凸轮轮廓X-C联动磨削运动模型研究

2.1凸轮磨削砂轮-凸轮刚体平动联动模型

2.2凸轮轮廓X-C联动磨削模型仿真分析

2.3非圆磨削X-C联动磨削速度模型

2.4切点法向逼近加工过程模型

2.5本章小结

第三章 非圆磨削加工磨削力分析

3.1非圆磨削几何学研究

3.2非圆磨削力分析

3.3 本章小结

第四章 凸轮廓形误差分析与分层磨削过程轮廓设计

4.1廓形误差计算模型

4.2轮廓误差仿真分析

4.3磨削力对非圆轮廓磨削过程影响

4.4凸轮非圆轮廓磨削力平稳控制

4.5凸轮非圆分层磨削过程轮廓规划方法

4.6本章小结

第五章 非圆磨削轮廓误差补偿研究

5.1在线轮廓轨迹补偿

5.2基于切点法向逼近的离线轮廓误差补偿方法

5.3本章小结

第六章 凸轮非圆磨削软件编制与典型工件磨削加工试验

6.1凸轮类非圆零件磨削软件设计

6.2凸轮零件磨削加工实验

6.3本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

附录1 #53006645平底直动凸轮升程表

附录2 #100610J77滚子直动凸轮升程表

附录3 #24210-2B300平底直动凸轮升程表

附录4 #24210-2B300凸轮磨削检测结果（一）

附录4 #24210-2B300凸轮磨削检测结果（二）

在学期间发表的学术论文和参加科研情况

作者简介