高速高精凸輪軸磨床砂輪架結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

1、 分類號 學(xué)號 M201170425 學(xué)校代碼 10487 密級 碩士學(xué)位論文 高速高精凸輪軸磨床砂輪架 結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化 學(xué)位申請人： 柳懿麟 學(xué)科專業(yè)： 機械電子工程 指導(dǎo)教師： 張國軍 教授 黃 禹 教授 答辯日期： 2014年1月15日 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Structure Design and Optimization of Grinding Carriage for High-speed and Hi

2、gh-precision Grinder Candidate : Liu Yilin Major : Mechatronic Engineering Supervisor: Prof. Zhang Guojun Prof. Huang Yu Huazhong University of Science & Technology Wuhan 430074, P. R. China Jan, 2014 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 I 摘 要 凸輪軸作為發(fā)動機配氣機構(gòu)的核心部件，是控制著整個進氣和排氣系統(tǒng)的核心組件。凸輪軸的工作環(huán)境比較復(fù)雜，受到的載荷也經(jīng)常變化，因此需要有

3、很高的加工的精度和表面質(zhì)量。高速高精凸輪軸磨床是凸輪軸的工作母機，它的結(jié)構(gòu)形式和特性將直接決定所生產(chǎn)凸輪軸的質(zhì)量。砂輪架是凸輪軸磨床關(guān)鍵的功能部件，起著凸輪軸磨削和徑向進給的功能，它的動力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)形式將直接影響凸輪軸磨削的加工精度和表面質(zhì)量。因此，研制開發(fā)數(shù)控凸輪軸磨床砂輪架，對其關(guān)鍵部件進行動靜態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，提高凸輪軸磨床砂輪架的整體性能，可以為我國自主研發(fā)凸輪軸磨床提供一定借鑒。 本文首先根據(jù)凸輪磨削工藝特點，建立了凸輪磨削加工的數(shù)學(xué)模型，計算了從動件為滾子挺桿下凸輪輪廓軌跡方程和砂輪中心點的運動軌跡，得到了砂輪中心位移模型的通用公式，繼而對凸輪機構(gòu)進行分析與動態(tài)仿真，直觀的看

4、到凸輪運動過程中從動件的運動規(guī)律。 隨后分析了單個磨粒磨削的磨削過程，建立磨削力模型，在此基礎(chǔ)上完成了單個磨粒外圓磨削仿真，分析了單個磨粒外圓磨削的磨削過程，以及砂輪線速度和磨削深度對磨削力的影響。 然后本文針對凸輪軸磨削的特殊要求，對砂輪架的幾個關(guān)鍵功能部件進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用了陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪、液體動靜壓電主軸、直線電機和靜壓導(dǎo)軌、在線砂輪修整技術(shù)和在線動平衡技術(shù)等，完成了對凸輪軸磨床砂輪架進行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。 最后本文使用ANSYS有限元分析軟件，對凸輪軸磨床砂輪架主軸和箱體進行了靜力學(xué)和動力學(xué)分析，完成了砂輪架關(guān)鍵部件強度校核，分析了主軸和箱體的固有頻率和主要振型，理論上驗證了設(shè)計

5、的合理性，有效的避開了共振區(qū)，然后對箱體進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，提高砂輪架剛性，降低振動對加工質(zhì)量的影響。 關(guān)鍵詞：凸輪軸磨削，磨削力，砂輪架，動靜態(tài)分析，結(jié)構(gòu)優(yōu)化 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 II Abstract As the key component of an automobile engine valve train, camshaft controls the entire intake and exhaust system. The sophisticated working environment and dynamic load requires high p

6、rocessing precision and surface roughness of a camshaft. The CNC camshaft grinder with high speed and high precision is the core machine tools of camshaft, whose structure and characteristics will directly determine the quality of the camshafts it produces. While, as the key component of the camshaf

7、t grinder, the grinding carriages dynamic characteristics and structural form will directly affect the processing performance of the machine, both the quality and the accuracy of the parts. Therefore, its very important to apply static state and dynamic analysis of key components and optimize the st

8、ructure for the overall performance of the camshaft grinder if one wants to develop the grinding carriage. This approach will have referential value for independent research and development of camshaft grinder. So in my research, firstly, the mathematical model of camshaft grinding process was estab

9、lished based on the features of camshaft grinding. The camshaft profile with roller follower and the trajectories of grinding wheel central point was derived to get the universal formula of displacement model of grinding wheel center. After that, the CAM mechanism and the dynamic simulation was anal

10、yzed to get the follower motion program intuitively. Secondly, the grinding process of single abrasive was analyzed to establish grinding force model. Based on that, the external cylindrical grinding simulation of a single abrasive is established in order to explore the grinding force changes with d

11、ifferent grinding speed and grinding depth. Thirdly, the overall scheme of grinding carriage was designed according to the special requirements of camshaft grinding. During the process, the key components of grinding carriage were designed, such as ceramic bond CBN grinding wheel, electric spindle w

12、ith hydrodynamic-hydrostatic bearing, linear motor and hydrostatic guideway, on-line grinding wheel dresser and on-line dynamic balancing device. Finally, the statics and dynamics analysis of the spindle and carriage was conducted to check the strength of the key components by ANSYS software. Then t

13、he natural frequency and vibration model of the spindle and carriage were analyzed to verify the feasibility of the 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 III design, which effectively avoids the resonance region. Furthermore, structure optimization design of the grinding carriage was carried on to improve the rigi

14、dity, reduce the vibration and improve the quality. Key Words: Camshaft Grinding, Grinding Force, Grinding Carriage, Statics and Dynamics Analysis, Structure Optimization Design 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 IV 目 錄 摘 要 . I Abstract . II 1 緒論 1.1 課題來源 . (1) 1.2 研究背景及意義 . (1) 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . (2) 1.4 主要研究內(nèi)容 . (

15、7) 2 凸輪軸磨削加工數(shù)學(xué)模型與仿真分析 2.1 凸輪的形狀特點 . (9) 2.2 凸輪的測量原理 . (10) 2.3 砂輪中心位移模型 .(11) 2.4 基于ADAMS的凸輪機構(gòu)分析與動態(tài)仿真 . (13) 2.5 本章小結(jié) . (16) 3 磨削力模型的建立與仿真 3.1 單個磨粒磨削過程 . (17) 3.2 磨削力模型的建立 . (18) 3.3 基于DEFORM-3D的單個磨粒外圓磨削仿真 . (23) 3.4 本章小結(jié) . (29) 4 高速高精凸輪軸磨床砂輪架設(shè)計 4.1 凸輪軸磨床砂輪架總體方案設(shè)計 . (30) 4.2 凸輪軸磨床砂輪架關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 . (31)

16、4.3 凸輪軸磨床砂輪架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 . (38) 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 V 4.4 本章小結(jié) . (39) 5 砂輪架關(guān)鍵部件的有限元分析和優(yōu)化 5.1 機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論 . (41) 5.2 砂輪主軸有限元分析 . (42) 5.3 砂輪架箱體有限元分析 . (47) 5.4 砂輪架箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 . (50) 5.5 本章小結(jié) . (53) 6 總結(jié)與展望 6.1 總結(jié) . (54) 6.2 展望 . (54) 致 謝 . (56) 參考文獻 . (57) 附錄：攻讀碩士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 . (61) 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 1 1

17、緒論 1.1 課題來源 本課題來源于國家自然科學(xué)基金：基于動力學(xué)特性的高速隨動磨削優(yōu)化控制方法及實驗研究（編號：50975110）。 1.2 研究背景及意義 汽車工業(yè)特別是轎車工業(yè)，是世界各工業(yè)發(fā)達國家的支柱產(chǎn)業(yè)之一。2010年我國汽車生產(chǎn)突破了1800萬輛，到2020年預(yù)計將達到年產(chǎn)4000萬輛。汽車工業(yè)已經(jīng)逐步成為我國制造業(yè)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)汽車發(fā)動機及其凸輪軸等零部件的生產(chǎn)廠商也越來越多，隨著汽車產(chǎn)量的不斷提高及汽車國產(chǎn)化的不斷推進，發(fā)動機零部件制造的競爭將會越來越大，這對發(fā)動機及其零部件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率提出了越來越高的要求。若我國不能提供汽車凸輪軸高效率、高精度磨削加工所需的關(guān)鍵制造

18、裝備，單靠高價進口，必將嚴(yán)重影響我國發(fā)動機制造及裝備乃至汽車工業(yè)的發(fā)展。 凸輪軸作為發(fā)動機配氣機構(gòu)，是控制著整個進氣和排氣系統(tǒng)的核心組件。凸輪軸復(fù)雜的工作環(huán)境和變化的受載情況，對凸輪軸的材質(zhì)和表面質(zhì)量提出了非常高的要求。凸輪的輪廓精度直接影響著發(fā)動機性能，因此，國內(nèi)外生產(chǎn)廠家對凸輪軸生產(chǎn)都非常的重視，在開發(fā)新型設(shè)備，改進加工工藝方面做了巨大的努力，以此來提高凸輪軸的加工質(zhì)量，提高發(fā)動機的性能。 凸輪，作為凸輪軸中最難加工的部分，其表面為非圓柱表面，表面輪廓形狀比較復(fù)雜，屬于非圓磨削，因此難以加工。目前我國大部分廠家仍在使用普通砂輪和靠模方式來進行凸輪軸磨削加工，這樣生產(chǎn)的凸輪加工精度難以保證，

19、同時，加工效率也十分低下。這種磨削方式存在以下幾個缺點： （1）砂輪采用普通氧化鋁類磨料，靠模加工時，磨粒易磨損，加工過程中靠模的尺寸變化大，直接影響了凸輪軸的表面輪廓精度1； （2）靠模凸輪的費用高、制造周期長、生產(chǎn)效率低，機床柔性差，而且靠模凸輪 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 2 的精度直接影響所加工出凸輪的精度2； （3）采用靠模的加工方式，存在動態(tài)的補償落后； （4）普通剛玉砂輪使用壽命較短，需要經(jīng)常進行修整或更換砂輪，這大大的增加了加工成本，降低了加工的效率； （5）普通砂輪磨削采用恒角速度磨削，磨削點的線速度變化比較大，而且砂輪線速度比較低，不利于提高生產(chǎn)率，無法保

20、證凸輪的表面輪廓、表面粗糙度和波紋度，容易造成表面燒傷。 因此，針對以上問題，研制開發(fā)數(shù)控凸輪軸磨床砂輪架，對其關(guān)鍵部件進行動靜態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，提高凸輪軸磨床砂輪架的整體性能，可以為我國自主研發(fā)凸輪軸磨床提供一定借鑒。 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.3.1 國外數(shù)控凸輪軸磨床研制的研究現(xiàn)狀 國外在凸輪軸磨床的研制方面已經(jīng)進行了很多年的研究，領(lǐng)先了國內(nèi)很多，其中德國，美國，日本等國家的研究成果比較顯著。德國勇克（JUNKER）公司、德國肖特（SCHAUDT）公司以及美國的蘭迪斯（LANDIS）公司和德國科普（KOPP）公司等都是國外著名的凸輪軸磨床制造公司。 德國肖特（SCHAUDT）公司的

21、主要產(chǎn)品是數(shù)控凸輪軸磨床，在磨床生產(chǎn)領(lǐng)域處于頂尖水平，其生產(chǎn)的CF61CBN數(shù)控凸輪軸磨床是根據(jù)切點跟蹤磨削法原理設(shè)計，該磨床采用Siemens SINUMERIK 880數(shù)控系統(tǒng)，可以磨削大尺寸的凸輪軸，凸輪最大升程為22mm，砂輪的磨削線速度可以達到120m/s3。 美國蘭迪斯（LANDIS）公司于1979年發(fā)明并制造了世界上第一臺CNC凸輪磨床，LANDIS凸輪磨床采用全密封靜壓導(dǎo)軌技術(shù)，通過直線電機驅(qū)動來實現(xiàn)砂輪架的往復(fù)跟隨運動。同時砂輪的主軸采用電主軸設(shè)計，主軸兩端采用自主設(shè)計的靜壓軸承，極大提高了凸輪軸的磨削加工的精度。在2000年，蘭迪斯公司生產(chǎn)了新一代的LT-1CNC凸輪軸磨床

22、，該磨床可以采用不同的直徑規(guī)格的砂輪進行磨削，包括350mm、250mm、100mm或80mm CBN砂輪，當(dāng)使用直徑為350mm的CBN砂輪進行磨削加工時，其切削速度 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 3 達到了200m/s4。 德國勇克（JUNKER）公司最先提出了快速點磨削的先進超高速磨削技術(shù)，其生產(chǎn)的JUCAM5002/10型凸輪軸磨床，采用靜壓圓形導(dǎo)軌和靜壓進給絲杠，配置兩片CBN砂輪，磨削線速度可達140m/s，能夠同時對兩片相位相同的凸輪進行磨削，僅需30秒時間就能完成一根帶8片凸輪的凸輪軸的磨削5。圖1.1是JUCAM5002磨床磨削凸輪軸的例子。由此可見國外生產(chǎn)的

23、凸輪軸磨床可以通過變換砂輪的直徑和寬度，實現(xiàn)凸輪軸上不同部位的磨削加工。同時，為了提高加工精度和加工效率，磨削時采用恒線速的磨削，砂輪磨削線速度都比較高。 圖1.1 JUCAM5002凸輪軸磨床 1.3.2 國內(nèi)數(shù)控凸輪軸磨床研制的研究現(xiàn)狀 國內(nèi)凸輪軸磨床的研制起步比較晚，20世紀(jì)70年代開始，國內(nèi)一些公司和研究院所在借鑒國外機床的基礎(chǔ)上，參考國際先進技術(shù)，進行了大量的研究和實驗，也獲得了一定的成果，但是與國外研究相比，還是有不小的差距。 湖南大學(xué)一直從事凸輪軸磨削的研究，在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位，湖南大學(xué)國家磨削技術(shù)中心于2000年成功研制開發(fā)了我國第一臺CNC8312數(shù)控高速凸輪軸磨床6，如圖1

24、.2所示。該磨床砂輪磨削最高線速度可達120m/s，配置了SIMENS 840C數(shù)控系統(tǒng)和611D數(shù)字式交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，配有CBN砂輪和4500系統(tǒng)砂輪自動平衡儀，工件旋轉(zhuǎn)通過伺服電機驅(qū)動，并實現(xiàn)工件的四點恒速旋轉(zhuǎn)，砂輪架主軸軸承采用液體靜壓軸承，砂輪 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 4 架進給通過伺服電機和滾珠絲桿實現(xiàn)，能夠加工任意外形輪廓的凸輪，具有較高的柔性。 圖1.2 CNC 8312全數(shù)控高速凸輪軸磨床 吉林大學(xué)的隋振等人一直在進行數(shù)控凸輪軸高效、高精度的磨削研究。2008年與杭州機床集團長春第一機床廠合作，成功研制出MK8312C數(shù)控凸輪軸磨床及其配套軟件7-9，如

25、圖1.3所示。 圖1.3 MK8312C數(shù)控凸輪軸磨床 環(huán)宇數(shù)控機床股份有限公司制造的全數(shù)控凸輪軸磨床，采用CBN砂輪磨削和電主軸金剛石滾輪修整，砂輪線速最高120m/s，配置了德國西門子(SIEMENS)840D數(shù)控系統(tǒng)，可加工出不同型號的凸輪軸，其加工效率遠遠高于普通凸輪磨床，同時具有較高的穩(wěn)定性，操作和維護起來也比較方便，在國內(nèi)具有領(lǐng)先地位。 湖南杰克機床有限公司2009年自主研發(fā)的JKM83302200CNC/CBN全數(shù)控高速 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 5 凸輪軸磨床已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，是目前國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權(quán)，最先進的，用于磨削大型、異型面、高精度凸輪軸的高檔數(shù)控機

26、床，如圖1.4所示。該磨床采用CBN砂輪和液體靜動壓電主軸，砂輪最高線速度可達120m/s，同時配置了德國西門子(SIEMENS)840D數(shù)控系統(tǒng)來實現(xiàn)磨床的控制，另外配有意大利Marposs內(nèi)置式在線砂輪動平衡、消空程及防碰撞裝置，來保持砂輪在磨削過程中的動平衡，提高磨削精度和效率。該磨床采用雙進給系統(tǒng)，大小、寬窄等三砂輪組合，可加工帶凹面、不同寬窄凸輪組合的異型凸輪軸。 圖1.4 JKM83302200CNC/CBN全數(shù)控高速凸輪軸磨床 國內(nèi)很多院校也在實驗室范圍內(nèi)研制凸輪軸磨床，如華中科技大學(xué)、北京信息科技大學(xué)。另外北京第二機床廠、東莞聚鑫機械設(shè)備有限公司、湖大海捷工程技術(shù)研究有限公司等

27、都生產(chǎn)了一系列高速隨動磨床，但與相對國外磨床相比，在技術(shù)指標(biāo)方面仍然存在很大的差距。 1.3.3 磨削過程中的建模方法 近年來，磨削加工研究主要關(guān)注在磨削的基本機理的研究。熱點關(guān)注的問題如材料的去除機理，砂輪和工件的接觸長度等，在研究和工程領(lǐng)域都十分重要。經(jīng)驗方法往往需要大量的非參數(shù)的實驗數(shù)據(jù)來創(chuàng)建唯像模型10。國內(nèi)外對磨削加工中的建模方面進行了大量的研究。 在宏觀磨削模型方面，P.J. Kim和D.G. Lee等人11提出了一種模型來估計中空復(fù)合材料管在外圓磨削時砂輪所引起的變形量。該模型假設(shè)一個剛性輪，它與通常的砂輪的 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 6 變形性質(zhì)相反，可以大

28、大影響真正的接觸面積。為了防止這種過分的簡化，W.J. Liu和Z.J. Pei等人12在處理硅晶片磨削時，用有節(jié)點負(fù)載的三維有限元模型取代了上述剛性輪。G. Warnecke和C. Barth等人13用砂輪-工件相互作用的模型研究了不同中心的材料對砂輪振動的影響。他們首先使用靜態(tài)有限元分析來確定磨削區(qū)域，然后使用瞬態(tài)（動態(tài)）模型來分析砂輪的振動以及對工件表面質(zhì)量的影響，并與實驗所得的真實的表面形態(tài)做了一些比較。 在微觀磨削模型方面，早在1962年，R.S. Hahn14就提出一種磨削假設(shè)，即單個磨粒磨削時，材料去除過程的三個不同階段：滑擦，耕犁，切削，如圖1.5所示。 圖1.5 單個磨粒磨削

29、材料去除過程的三個階段 a 滑擦b 耕犁 c 切削 A. Ram和J.Danckert等人15提出了一個二維模型來模擬單個磨粒沿著一個彈性工件表面滑動。目前已經(jīng)有很多基于彈力理論的磨粒-工件的分析或半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?6-18，其中主要是基于赫茲接觸理論的簡化計算和直接計算。然而，單個磨粒磨削時，在材料去除的不同階段，應(yīng)力和應(yīng)變明顯偏離了經(jīng)典彈性赫茲理論19。 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 7 砂輪形貌的仿真是磨削過程中最復(fù)雜也是最困難的，為此國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，目前砂輪形貌的仿真主要有兩種分析類型：經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃臀锢砟Ｐ?0。自相關(guān)理論和離散時間序列建模技術(shù)21,22、隨機方法23、

30、馬爾可夫鏈理論24等方法被應(yīng)用在砂輪形貌建模中來。近些年來，分形理論也被用于砂輪拓?fù)浞治鲋?，T.W. Liao25提出了一種基于分析理論和數(shù)據(jù)依賴系統(tǒng)的金剛石砂輪模型。Wang26使用小波分析來獲取砂輪表面形貌。中國大連交通大學(xué)的宿崇27等人采用隨機空間平面切分實體的方法生成多面體磨粒，提出虛擬格子法來實現(xiàn)磨?？臻g位置的隨機分布，建立了CBN砂輪地貌仿真模型。 在磨削力模型方面，Werner28等人在對砂輪磨粒的分布和磨削過程進行研究后，建立了磨削力的數(shù)學(xué)模型，該模型綜合考慮了摩擦力和切屑形成力的影響，從而得到了磨削力的計算公式。Malkin29等人通過實驗研究，得到磨削力與砂輪磨損面積的關(guān)系

31、，推出磨削力是有切屑形成力和摩擦力組成的。李力均30等人在Werner和Malkin等人研究成果的基礎(chǔ)上，將磨削力分為切屑形成力和摩擦力，建立了磨削力模型。Badger31等人分別基于二維平面應(yīng)變滑線場理論和三維棱椎形微突體磨損模型提出了兩種磨削力模型，兩種模型都把磨粒和工件的接觸模擬成一種剛性接觸，經(jīng)過磨削力試驗驗證，發(fā)現(xiàn)第二種模型的精度較高。Tang Jinyuan32等人針對平面磨削，將摩擦系數(shù)和平均接觸壓強定義為變化的參數(shù)，提出了一直磨削力模型，該模型只考慮切屑形成力和滑擦力。 1.4 主要研究內(nèi)容 本文主要對凸輪磨削的數(shù)學(xué)建模和仿真分析、磨削力模型的建立、單個磨粒磨削的仿真、凸輪軸磨

32、床砂輪架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、關(guān)鍵部件的有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進行研究。具體內(nèi)容包括： (1) 根據(jù)凸輪與砂輪中心關(guān)系，建立凸輪磨削加工的數(shù)學(xué)模型，計算了從動件為滾子挺桿下凸輪輪廓軌跡方程和砂輪中心點的運動軌跡，得到砂輪中心位移模型的通用公式，然后對凸輪機構(gòu)進行分析與動態(tài)仿真，為第四章磨床砂輪架的總體方案設(shè)計打下了基礎(chǔ)。 (2) 分析單個磨粒磨削的磨削過程，建立磨削力模型，在此基礎(chǔ)上完成單個磨粒外圓磨削仿真，為砂輪架結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 8 (3) 完成凸輪軸磨床砂輪架的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，針對凸輪軸磨削的特殊要求，對砂輪架的幾個關(guān)鍵功能部件進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計

33、，主要包括CBN砂輪、主軸系統(tǒng)（包括前后動靜壓軸承）、高速進給系統(tǒng)、在線砂輪修整、在線動平衡等幾部分。 (4) 基于ANSYS有限元分析軟件，對凸輪軸磨床砂輪架主軸和箱體進行靜力學(xué)和動力學(xué)分析，然后對箱體的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，提高砂輪架剛性，降低振動對加工質(zhì)量的影響。 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 9 2 凸輪軸磨削加工數(shù)學(xué)模型與仿真分析 凸輪，作為凸輪軸中最難加工的部分，其表面為非圓柱表面，表面輪廓形狀比較復(fù)雜，屬于非圓磨削，因此難以加工。凸輪外形輪廓曲線生成的運動方式有三種33： 第一種方式是擺動式的，通過工件主軸的旋轉(zhuǎn)和工件的擺動來實現(xiàn)。這種方式的結(jié)構(gòu)比較簡單，但加工精度比

34、較低。 第二種方式是極坐標(biāo)式的，通過工件主軸的旋轉(zhuǎn)（C軸）和砂輪架的移動（X軸）兩個方向的聯(lián)動來實現(xiàn)的。這種方式不但結(jié)構(gòu)簡單，控制算法容易實現(xiàn)，而且精度較高。 第三種方式是在第二種方式的基礎(chǔ)上，加上了砂輪架的Y軸移動。但是這種方式的結(jié)構(gòu)會比較復(fù)雜，成本也比較高。 本文所研究的是采用第二種方式的兩軸聯(lián)動的凸輪軸磨床。 由于在磨削之前，通常知道的是凸輪的升程表，但僅僅根據(jù)升程表無法直接得出凸輪轉(zhuǎn)過角度與砂輪架進給量的關(guān)系，因此，根據(jù)凸輪升程表，推導(dǎo)出凸輪磨削加工的數(shù)學(xué)模型，是凸輪軸磨削的前提和基礎(chǔ)。 本章將主要圍繞砂輪中心位移模型的建立和凸輪機構(gòu)的運動學(xué)仿真來進行研究。 2.1 凸輪的形狀特點 凸

35、輪是一種高副機構(gòu)，具有特點的外形輪廓，利用其擺動或回轉(zhuǎn)，可以使從動件得到任意的預(yù)期運動。凸輪實物如圖2.1所示。 a 單個凸輪片 b 包含多個凸輪片的凸輪軸 圖2.1 凸輪實物 一般凸輪表面是由若干曲線段組成的，曲線的方程有很多種，可以是直線段，也可 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 10 以是各種高次方程曲線段。圖2.2是典型凸輪示意圖。 1-基圓部分 2-緩沖部分 3-加速部分 4-減速部分5-頂圓部分 圖2.2 凸輪形狀示意圖 2.2 凸輪的測量原理 凸輪運動中，凸輪的從動件有多種，根據(jù)工作面的性質(zhì)不同，我們將其分為刀口挺桿、平面挺桿和滾子（球面）挺桿三種。凸輪升程表就是根據(jù)

36、凸輪轉(zhuǎn)角與挺桿升程H的對應(yīng)關(guān)系來制定的。由測量原理圖2.3可以看出，不同的挺桿形式的凸輪的測量方法是不同的，凸輪的升程H也是不一樣的，因而其對應(yīng)的砂輪中心位移數(shù)學(xué)模型也是不同的。由此本文首先建立兩軸聯(lián)動的數(shù)學(xué)模型。 圖2.3 凸輪升程測量原理圖 q 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 11 2.3 砂輪中心位移模型 由文獻34可以知道，刀口挺桿可以看做是滾子半徑為零的滾子挺桿，平面挺桿也可以看做是滾子半徑為無窮大的滾子挺桿，所以在建立砂輪中心位移模型時，可以只推導(dǎo)滾子挺桿的砂輪中心位移模型的通用公式。 圖2.4是滾子挺桿凸輪的磨削示意圖。已知數(shù)據(jù)為凸輪升程表，圖中O是凸輪的基圓圓心，

37、r為基圓半徑，O1為滾子圓心，r1為滾子半徑，O2為砂輪圓心，R為砂輪半徑。 圖2.4 滾子挺桿凸輪磨削示意圖 在凸輪磨削時，凸輪繞O點旋轉(zhuǎn)，砂輪邊旋轉(zhuǎn)邊沿OO2移動。設(shè)以凸輪頂圓的對稱線為角度基準(zhǔn)線，則在圖示位置凸輪的轉(zhuǎn)角為，滾子中心的轉(zhuǎn)角為。圖示P點為瞬時磨削點，此時砂輪與凸輪在此點相切，滾子與凸輪也相切于P點，故P，O1，O2三點共線。H為滾子挺桿位移，x為砂輪位移。 一般情況，砂輪的升程我們定義為，則可以證明得到35： （2.1） 當(dāng)凸輪對稱線逆時針方向旋轉(zhuǎn)角度為正，則當(dāng)處在升程階段時；當(dāng)初在回程階段時。 從圖2.4可以知： （2.2） jq()Hq()dHOMdqq=()dHOMdq

38、q=()dHOMdqq=-11OOrHr=+ 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 12 （2.3） 過O作交于N， （2.4） （2.5） （2.6） （2.7） （2.8） 凸輪轉(zhuǎn)角為對應(yīng)的砂輪徑向位移為 （2.9） 將（2.1）（2.7）帶入（2.8）式，可以求出升程表上的每一個所對應(yīng)的砂輪中心位移： （2.10） 在實際磨削加工時，我們需要知道凸輪的轉(zhuǎn)角每轉(zhuǎn)過一個角度所對應(yīng)的，因此還需要求出和的關(guān)系表達式： （2.11） 將式（2.1）（2.7）代入式（2.11）得 11arctanOMOOMOOÐ=1ONOM111cosONOOOOM=Ð11sinONOO

39、OOM=Ð211ONONRr=+-22tanONOONONÐ=2222OOONON=+jx2xOORr=-qx2211111()sinarctan()cosarctandHdHddxrHrrHrRrRrrHrrHrqqéùéùæöæöêúêúç÷ç÷êúêúç÷ç÷=+-+êúêúç

40、47;ç÷ç÷ç÷êúêúèøèøëûëûjxjq1212OOOOOMOONqjj=-Ð=-Ð+Ð 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 13 （2.12） 由式（2.12）可知，對于升程表上的每一個都有與之對應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)角。將砂輪中心位移與凸輪轉(zhuǎn)角進行擬合，就可以得到凸輪每轉(zhuǎn)過一度砂輪中心對應(yīng)的位移。 2.4 基于ADAMS的凸輪機構(gòu)分析與動態(tài)仿真 為了能夠比較直觀看到凸輪運動過程

41、中從動件的運動規(guī)律，本節(jié)通過用ADAMS對滾子挺桿凸輪機構(gòu)建 立 仿 真 模 型，進行 運 動 學(xué) 仿 真，方便 快 速 的 得 出 凸 輪 機 構(gòu) 的 運 動 規(guī) 律，得出從動件位移，速度，加速的等運動學(xué)參數(shù)。 2.4.1虛擬樣機技術(shù)與ADAMS簡介 虛擬樣機技術(shù)（virtual prototyping technology）是基于計算機模擬模型方法的數(shù)字產(chǎn)品設(shè)計方法，設(shè)計者可以在虛擬環(huán)境下進行設(shè)計，裝配，完 成 虛 擬 產(chǎn) 品 的 開 發(fā)，并 利 用計 算 機 輔 助 分 析 技 術(shù) 對 機 械 系 統(tǒng) 進 行 動 力 學(xué) 和 運 動 學(xué) 仿 真，來 確 定 系 統(tǒng) 及 其 構(gòu) 件 在 任

42、 意 時 刻 的 位 置、速度和加速度。 本章使用美國MSC公司開發(fā)的一 款 虛 擬 樣 機 軟 件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）仿真軟件，它將機 械 系 統(tǒng) 的 建模，仿真，分析有機的結(jié)合在一起。能夠 建 立 機 械 系 統(tǒng)“虛擬樣機”，分析機械系統(tǒng)的性能，更好 的 理 解 機 械 系 統(tǒng) 的 運 動。 應(yīng)用ADAMS軟件進行虛擬樣機設(shè)計一般遵循以下步驟： (1) 創(chuàng)建構(gòu)件或零件、運動副，給構(gòu)件施加約束，定義作用于其上的力，完成機械系統(tǒng)模型的建立； (2) 根據(jù)實際操作過程中的動作，對模擬仿真模型進行仿真分析； (

43、)()111111sinarctanarctanarctancosarctandHdrHrrHrdHdrHrdHdRrrHrrHrqqjqqæöç÷ç÷+ç÷ç÷èø=-+æöç÷ç÷-+ç÷ç÷èøqjxj 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 14 (3) 繪制曲線，將 仿 真 結(jié) 果 與 實 驗 數(shù) 據(jù) 進 行比較； (4) 細(xì)化模型，使仿真測

44、試數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)相符； (5) 深化設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計，找到能夠獲得最佳性能的最優(yōu)設(shè)計組合； (6) 使各設(shè)計步驟自動化，以便能迅速地測試不同的設(shè)計方案。 MSC.ADAMS最主要的模塊有ADAMS/View（用戶界面模塊）、ADAMS/Solver（求解器）和ADAMS/PostProcessor（后處理模塊），用戶通過ADAMS/View創(chuàng)建構(gòu)件或零件、運動副，給構(gòu)件施加約束，定義作用于其上的力，完成機械系統(tǒng)模型的建立，然后通過ADAMS/Solver對剛體和彈性體進行仿真研究，得出位移、速度、加速度和作用力曲線，還可以求解運動副之間的作用力和反作用力，最后通過ADAMS/PostProces

45、sor處理仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，顯示仿真動畫，還可以進行曲線編輯和數(shù)字信號處理。 2.4.2凸輪機構(gòu)設(shè)計仿真分析 在ADAMS/View中對凸輪機構(gòu)進行建模，首先按照凸輪升程表來創(chuàng)建凸輪的輪廓曲線，根據(jù)輪廓曲線得到凸輪模型（圖中藍色實體），然后建立滾子從動件的模型（圖中黃色實體），對凸輪創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副，對滾子從動件創(chuàng)建移動副，同時創(chuàng)建凸輪與滾子從動件之間的接觸，在凸輪旋轉(zhuǎn)副上創(chuàng)建一個每秒鐘逆時鐘旋轉(zhuǎn)360度的驅(qū)動，最后設(shè)置仿真終止時間（End Time）為3，仿真工作步長（Step Size ）為0.01進行仿真。所建立的凸輪機構(gòu)模型如圖2.5所示。 圖2.5 凸輪機構(gòu)模型 運行仿真，得到滾子從動件的位移

46、，速度和加速度曲線，如圖2.6所示。通過分析， 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 15 能夠直觀的看到凸輪運動過程中從動件的運動規(guī)律，得出從動件的位移，速度，加速度等運動參數(shù)，了解機構(gòu)的運動狀態(tài)。 a 滾子從動件的位移曲線 b 滾子從動件的速度曲線 c 滾子從動件的加速度曲線 圖2.6 從動件的運動規(guī)律圖 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 16 2.5 本章小結(jié) 本章對凸輪的形狀特點進行了介紹，說明了凸輪的測量原理，然后根據(jù)凸輪與砂輪中心關(guān)系，計算了從動件為滾子挺桿下凸輪輪廓軌跡方程和砂輪中心點的運動軌跡，近而推導(dǎo)出計算砂輪的進給量與凸輪轉(zhuǎn)角的對應(yīng)關(guān)系。最后基于ADAM

47、S的凸輪機構(gòu)分析與動態(tài)仿真，直觀得到凸輪運動過程中從動件的運動規(guī)律，得出從動件的位移，速度，加速度等運動參數(shù)，為第四章磨床砂輪架的總體方案設(shè)計打下了基礎(chǔ)。 xj 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論文 17 3 磨削力模型的建立與仿真 磨削力是磨削加工中最重要的參數(shù)之一，它是工件與砂輪接觸后引起的彈性變形、塑性變形、切屑形成以及磨粒和結(jié)合劑與工件表面之間的摩擦作用36。磨削力由切向摩擦力，法向摩擦力和軸向摩擦力，分別沿砂輪切向，徑向和軸向，其中，軸向摩擦力在一般磨削過程中比較小，通常可以忽略。 建立磨削力的模型，對凸輪磨削所受的磨削力進行計算，是磨床設(shè)計的基礎(chǔ)，對磨床的設(shè)計有著至關(guān)重要的作用。 本章將圍繞磨削力模型的建立和基于DEFORM-3D的單個磨粒磨削的仿真進行研究，為磨床砂輪架設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。 3.1 單個磨粒磨削過程 單個磨粒磨削時，材料去除的過程包含三個不同階段：滑擦階段，耕犁階段，切削階段36，如圖3.1所示。 （1） 滑擦階段 磨粒只在工件表面滑擦而過，沒有產(chǎn)生切削，工件表面只產(chǎn)生彈性變形，法向力、摩擦力及切向力都同時增加，這一階段由