曲轴连杆颈随动磨削特性及其对加工质量的影响规律研究

摘要

随动磨削技术源于非圆形状零件的加工，用于曲轴加工时，通过曲轴的旋转和砂轮架的线性往复直线运动的协同实现磨削点的周向进给，一次装夹即可加工出曲轴的所有主轴颈和所有连杆颈，显著减少了传统的基于偏心夹具和外圆磨削方法带来的多重定位误差。然而，在应用随动磨削技术磨削曲轴的连杆颈时，砂轮在连杆颈上的磨削点随着曲轴的回转做行星运动，磨削点的位置及其沿着连杆颈周向的移动速度都随着曲轴的旋转而不断动态变化，给磨削加工过程与质量的稳定性带来了挑战。本文针对曲轴连杆颈随动磨削模式，研究曲轴恒速旋转进给条件下砂轮在连杆颈圆周轮廓磨削点的周向运动时变特性，揭示曲轴连杆颈随动磨削过程中磨削力以及磨削温度的动态变化规律及其对磨削质量稳定性的影响特性，探究影响曲轴磨削精度与表面完整性的关键因素，掌握提高曲轴连杆颈随动磨削周向质量稳定性的技术方法，为曲轴磨削工艺参数的优化提供依据。本文主要研究内容包括：
　　一、曲轴随动磨削运动学分析与磨削力建模
　　针对曲轴连杆颈在随动磨削过程中磨削点行星运动的基本特征，建立了曲轴随动磨削中砂轮在连杆颈轮廓表面磨削点的周向进给运动学模型，获得了曲轴匀速回转整周范围内砂轮在连杆颈轮廓表面磨削点的周向移动速度变化规律，揭示了随动磨削过程中周向进给速度的时变特性。在分析砂轮架随动运动的基础上，分析了磨削点处的砂轮磨削速度波动特征，进而研究了砂轮在连杆颈磨削点的速度比时变规律。在此基础上，从单颗磨粒与连杆颈的作用机理出发，建立了基于磨粒与工件作用机理以及磨削深度和磨削速比的磨削力的预测模型。为了验证磨削力模型，设计了曲轴连杆颈随动磨削力动态测量系统和测量方法，该测试系统以连接主轴颈和连杆颈的曲臂作为牵连运动机架，将曲轴连杆颈在磨削点处的法向和切向磨削力分量，分解为沿曲臂方向的径向分量以及沿曲臂回转的切向分量；通过在连杆颈加载，标定出安装在主轴颈处的旋转测力仪示力分量轴线与曲臂中心平面的周向相对角度位置，进而用旋转测力仪在主轴颈上的示力分量反映出连杆颈磨削力在磨削点处的法向和切向磨削力分量，解决了连杆颈磨削力动态测量的难题，实现了连杆颈上磨削点处磨削力法向与切向分量在空间位置的动态连续精确测量。在验证随动磨削预测力模型的基础上，进一步研究了连杆颈随动磨削中砂轮线速度、曲轴回转进给速度和磨削深度等磨削工艺参数对磨削力、切向磨削力与法向磨削力的比值以及磨削比能的影响，揭示了磨削比能随着磨除率的增大先显著降低后趋于稳定的规律。
　　二、曲轴随动磨削过程中结构变形对连杆颈精度影响规律
　　在分析曲轴随动磨削所有工艺载荷的基础上，以主轴颈、曲臂和连杆颈组成的典型结构单元为对象，提出了包含主轴颈轴线与连杆颈轴线以及曲臂在内的基面概念，用于表征典型曲拐的中心平面。将曲轴典型结构单元左右主轴颈承受的轴向顶持力、连杆颈随动磨削力在曲拐中心平面内的径向分量（平行于曲臂方向）以及连杆颈随动磨削力在垂直于曲拐中心平面的切向分量作为三种典型载荷，揭示了每一种载荷对曲轴典型结构单元中连杆颈变形的作用规律：轴向顶持力引起连杆颈产生沿轴向左右对称的变形，该变形不随曲臂回转角度变化；连杆颈随动磨削力在曲拐中心平面内的径向分量引起连杆颈产生沿轴向对称的变形，但该变形随着曲臂回转角度的不同而发生周期性变化；连杆颈随动磨削力在垂直于曲拐中心平面的切向分量引起连杆颈的变形特征是由于扭转作用在连杆颈产生沿连杆颈轴线的非对称变形，且随着曲臂回转角度的不同而发生周期性变化。重力和离心力对曲轴连杆颈变形影响的分析与磨削力相同。在此基础上，以典型汽车曲轴为对象，针对曲轴非对称结构特征以及磨削过程中对主轴颈特定轴段施加位移约束的工艺特征，建立了有限元分析模型，仿真分析了曲轴连杆颈轮廓的变形规律。实验研究了汽车曲轴随动磨削后四个连杆颈轮廓形状特征，验证了仿真分析模型的正确性。仿真分析与实验研究表明，在特定主轴颈段施加支撑形成位移约束，可以有效降低随动磨削过程中曲轴连杆颈的变形误差。
　　三、曲轴随动磨削过程的热力学建模与温度分布特性
　　针对曲轴匀速回转连杆颈随动磨削过程中磨除率、磨削速度、磨削力在连杆颈周向时变，导致连杆颈随动磨削热流密度交变的特点，基于磨削几何接触弧长及接触变形的影响、磨削热量分配比关系以及经典移动热源理论，建立了连杆颈随动磨削过程中反映磨削弧长、热流密度、热量分配比与磨削热关系的解析模型；计算出曲轴周向回转整周范围内砂轮与连杆颈磨削产生的热流密度的分布状态；在考虑材料热物性参数随温度变化的基础上，构建了连杆颈随动磨削的温度场有限元数值预测模型，研究了非均匀热流密度条件下，不同工艺参数对连杆颈表面温度的分布和影响规律。分析表明，随着磨削深度、曲轴回转速度和磨削循环次数的增加，连杆颈表面最高温度都逐渐增大；对于给定的磨削余量，通过减小磨削深度增加磨削次数，并配合较高的曲轴回转进给速度可获得较均衡的连杆颈周向温度分布。为了验证磨削热预测模型，设计了曲轴连杆颈随动磨削温度动态测量装置，采用由主轴颈、曲臂和连杆颈组成的模块化组装式曲轴，在被测试的连杆颈环件内径向安装热敏传感器元件组，通过主轴颈上的滑环引出反映被测连杆颈周向温度分布的热敏传感器信号，实现了连杆颈随动磨削过程中磨削热的有效测量。在试验验证随动磨削温度预测模型的基础上，研究了连杆颈随动磨削中曲轴回转进给速度和磨削深度等磨削工艺参数对磨削温度的影响规律。
　　四、曲轴随动磨削连杆颈表面质量的周向一致性研究
　　研究了连杆颈随动磨削过程中磨削点行星运动带来的磨削过程非稳定对连杆颈磨削表面质量的影响。首先，研究了连杆颈表面粗糙度大小随砂轮速度、曲轴回转进给速度和磨削深度等随动磨削参数的变化规律，结果表明连杆颈表面粗糙度随连杆颈周向进给速度以及磨削深度的增大而增大，随砂轮速度的增大而减小。其次，针对曲轴连杆颈随动磨削表面粗糙度由于磨削力和磨削速比的交变而不稳定的特点，基于磨削过程中磨粒划擦和耕犁产生的塑性变形，提出了在曲轴连杆颈随动磨削完成后增加无火花磨削修整的工艺方法，显著提高了随动磨削表面粗糙度的周向均匀性。最后，研究了整体淬火和表面淬火两种热处理方式下，随动磨削连杆颈表面残余应力的分布特性。结果表明，整体淬火热处理和表面淬火热处理，均能在曲轴连杆颈表面获得比较高的残余压应力值；使用表面淬火热处理比使用整体统淬火热处理在随动磨削后获得的残余压应力更高。
　　本文的研究工作以提高曲轴连杆颈随动磨削质量的周向一致性为目标，从随动磨削过程的运动学特性入手，建立了磨削力解析模型和磨削温度的数值模型，提出了曲轴连杆颈随动磨削载荷和温度的动态测量方法。建立了典型曲拐单元在随动磨削工艺系统载荷作用下的变形预测模型，对连杆颈在随动磨削过程中的轮廓误差进行了仿真分析和实验研究，揭示了随动磨削过程中影响曲轴连杆颈尺寸和形状误差的因素和规律。在曲轴连杆颈随动磨削加工表面完整性控制方面，揭示了连杆颈表面粗糙度和表层残余应力沿连杆颈周向的分布特征及其相对于随动磨削工艺参数的变化规律，提出了提高连杆颈随动磨削表面完整性状态周向一致性的工艺方法。论文的研究结果为曲轴磨削工艺参数的优化和连杆颈随动磨削质量的控制提供了技术支撑。

目录

声明

符号说明

第一章 绪 论

1.1 立题意义

1.2国内外研究现状

1.3问题的提出

1.4论文的研究目标和主要研究内容

第二章 曲轴随动磨削运动学分析与磨削力建模

2.1 引言

2.2曲轴随动磨削的运动学特征分析

2.3曲轴连杆颈随动磨削力的建模

2.4曲轴随动连杆颈磨削力系数的标定与试验研究

2.5本章小结

第三章 曲轴随动磨削过程中结构变形对连杆颈精度影响

3.1 引言

3.2连杆颈随动磨削过程中曲轴的受载及变形分析

3.3曲轴随动磨削过程中变形对连杆颈精度影响

3.4连杆颈轮廓在受力作用下的变化规律

3.5连杆颈轮廓随动磨削试验研究

3.6本章小结

第四章 曲轴随动磨削过程的热力学建模与温度分布特性

4.1 引言

4.2 曲轴连杆颈随动磨削热相关参数的确立

4.3随动磨削温度有限元建模与仿真

4.4连杆颈随动磨削温度试验研究

4.5本章小结

第五章 曲轴随动磨削连杆颈表面质量的周向一致性研究

5.1 引言

5.2试验设计

5.3磨削工艺参数对连杆颈粗糙度的影响

5.4随动磨削曲轴连杆颈表面残余应力特性

5.5工艺参数的优选

5.6本章小结

第六章 总结与展望

6.1论文主要内容及结论

6.2主要创新点

6.3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文、专利及完成科研课题情况

致谢