高速凸轮轴磨床数控系统分析与开发

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1、华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1课题研究的背景与意义汽车工业是国民经济的支柱产业之一。2010年我国国产汽车年产销量超过1800万辆，稳居全球最大的汽车生产和销售市场。随着汽车零部件产业的进一步发展，我国将逐步成为全球汽车零部件制造和采购中心，汽车行业发动机的缸体、缸盖、曲轴、凸轮[1]轴和连杆五大件生产以及变速箱的生产，需要大量高效、高性能、专用数控机床。凸轮轴是汽车发动机的一个关键部件，用于控制汽缸的进气和排气，其加工精度和表面质[2]量直接影响着发动机的工作性能。凸轮轴一般由主轴颈、偏心轮、进气轮和排气轮组成，为细长轴类零件，刚性较差，其凸轮轮廓形状复杂，

2、属于非圆磨削，对生产效率和[3]加工精度要求很高，一直是汽车发动机零部件制造的难点之一。目前，国内凸轮轴高端数控磨床基本上采用国外进口设备，如德国勇克（JUNKER）公司的JUCAM系列磨床，肖特（SCHAUDT）公司的CF61CBN磨床，美国兰迪斯（LANDIS）公司的3LTSTCBN磨床，这些磨床集精密、高效、柔性于一体，但售价非常昂贵。由于凸轮轴磨削的机理、方法、工艺和设备涉及到商业机密，国外关于凸轮轴磨削核心技术的文献鲜有公开发表，大部分只有简单的产品目录和功能介绍。而国内目前大多采用传统的机械靠模凸轮轴磨床，生产准备周期长，制造精度低，无法适应新产品发展的

3、需要。不少机床厂商与科研机构合作研制开发了一系列全数控凸轮轴磨床，在凸轮轴磨削领域取得了一定的成果，但由于生产效率、加工精度以及机床稳定性等诸多制约因素，多数产品还是停留在实验研究阶段，难以投入大批量实际生产，而且这些磨床本身较多使用的是国外数控系统和驱动装置，不利于凸轮轴磨床国产数控系统的实用化。本课题来源于国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”的子课题——“开放式全数字高档数控装置（2009ZX04009-011）”，重点对凸轮轴高速磨削的关键理论和技术进行研究，并结合具体的磨削工艺，在华中HNC-32数控系统的基础上开发凸轮轴磨削专用控制软件，进一步促

4、进了国产数控系统在凸轮轴磨削领域的推广和应用。1.2国内外研究现状非圆磨削一直是磨削加工的重点研究领域，国内外对凸轮轴磨削技术的研究基本上1华中科技大学硕士学位论文都经历了三个发展阶段：传统机械靠模仿形磨削加工、数控靠模仿形磨削加工和全数控[4]无靠模仿形磨削加工。传统的凸轮轴加工采用的是机械靠模仿形磨削法，磨床设计为摇架式结构，其工作原理是：工件与靠模固定装配连接，且均绕主轴中心同步旋转，摇架及摇架上的工件、[5]靠模一起做往复摆动，砂轮旋转做切入运动，从而完成凸轮轮廓磨削。这种磨削方法[6]主要存在以下问题：（1）改进或更换加工零件时，需要重新设计制造母凸轮和靠

5、模，产品生产准备周期长，柔性差，而且靠模的精度直接影响工件的加工精度；（2）采用恒转速磨削方式，凸轮轮廓磨削点线速度变化很大，容易造成较大的升程误差以及表面波纹、烧伤等缺陷；（3）砂轮磨损直径不断减小，砂轮与凸轮表面实际接触点发生改变，而且无法进行动态误差补偿，从而形成凸轮轮廓形状误差；（4）普通砂轮磨削线速度低，需要频繁修整和更换，不利于生产效率的提高。随着数控技术在磨削加工中的发展，特别是高性能伺服运动控制技术和CBN砂轮高速磨削技术的实现，从上世纪80年代开始，国外逐步推广和应用全数控无靠模凸轮轴磨床。其工作原理是通过控制X轴砂轮架往复跟随直线运动和C轴工件变

6、速旋转运动进行凸轮轮廓磨削，并依靠Z轴工作台移动完成整个凸轮轴的加工。全数控凸轮轴磨床采用砂轮恒线速磨削，自动完成粗磨和精磨循环加工，自动修整砂轮并实施动态误差补偿，能适应各种规格的凸轮轴工件生产的需要。1.2.1国外研究现状为了提高凸轮轴磨削精度和效率，国外许多机床厂和研究机构对非圆磨削加工理论和工艺进行了大量的研究，成功开发出了高速、高效、柔性凸轮轴数控磨床，并推出了一系列商业化产品，在实际生产中得到了广泛应用，其中以德国、美国、日本和英国等发达国家的研究成果比较显著。德国勇克（JUNKER）公司的JUCAM型非圆磨床提供了凸轮轴整体加工的全套解决方案，该磨床X

7、轴采用静压圆形导轨和静压进给丝杠，运动控制精度达到0.0001mm。数控系统具有“学习功能”，能对凸轮形状偏差和温度、机械等干扰量进行自动补偿，[7]而且只需一次装夹就能完成凸轮、轴颈、止推轴肩的粗磨和精磨加工。在CIMT’95展示的JUCAM5002/10型凸轮轴磨床，配置两片CBN砂轮，直径为350~500mm，磨削线速度可达140m/s，能同时磨削两片相位相同的凸轮，实际磨削一根带8片凸轮的凸轮轴[8]仅需30秒时间。图1.1是JUCAM5002磨床磨削凸轮轴的例子。2华中科技大学硕士学位论文图1.1JUCAM5002凸轮轴磨床德国肖特（SCHAUDT）公