非圆磨削加工过程中引起加工误差的主要因素分析

非圆磨削加工过程中引起加工误差的主要因素分析

王世举，钟建琳

（北京信息科技大学机电工程学院，北京 100192）

摘要：曲轴和凸轮轴等非圆类零件的加工精度对汽车和船舶发动机的性能起到决定性作用，其加工效率和加工质量将直接影响到我国汽车制造、船舶制造行业的发展。针对非圆磨削过程中引起加工误差的主要因素进行探讨，为以后非圆类零件的加工误差补偿提供理论依据。

关键词：曲轴；凸轮轴；磨削；加工误差

0 引言

近几年，市场对高精度的非圆曲面类零件的需求越来越大，同时机床的自动化程度也在不断提高。为了保证加工零件质量的可靠性，提高加工精度和加工效率，对非圆磨削加工过程中引起加工误差主要因素的分析就显得越来越重要［1］。下面从工艺系统、加工过程和数控系统3个方面分别进行讨论。

1 工艺系统对加工精度的影响

工艺系统误差由组成磨床的砂轮、导轨、主轴、中心支架等的安装定位误差及前道工序的各类误差等组成。通过分析工艺系统误差对工件加工精度的影响，以寻求改善机床性能的方法。

（1）主轴设计时通常都是使其相对于旋转轴线轴对称，由于加工和装配工艺上的一系列误差，转子组装完后总是做不到在质量上的完全对称，会导致主轴的偏心质量在不同的回转平面内分布不均匀，从而导致加工过程中惯性力偶的产生，因此实际加工过程中需要对主轴进行动平衡和静平衡。

磨床主轴回转误差，是指主轴的实际回转轴线相对于其理想回转轴线（平均回转轴线）的漂移。因为在磨削加工过程中工件随磨床主轴一起做旋转运动，因此工件表面的几何形状是由砂轮在坐标系中的相对轨迹决定的。高速磨削时磨床的“主轴单元”动态性能好，回转精度一般可以小于1μm，但高速状态下所产生的惯性力却很大，远远大于磨削加工时作用在主轴承上的磨削力。因此高速磨床相比于传统磨床要有更高的静态、动态刚度和更高的抗振性［2-3］。

（2）组成磨床的零件在其加工过程中会存在一定的加工误差，同时在磨床的装配过程中也会产生一定的装配误差，因此砂轮安装在磨床上时会不可避免地导致砂轮架产生安装误差。这种位置偏差能够直接影响磨削加工的精度，所以要分析砂轮中心高误差和砂轮中心X轴坐标误差对加工误差的影响［4-5］。

（3）工件导轨平行度误差对凸轮轴和曲轴加工精度的影响因素主要包括两方面：一个是水平面的直线度，它主要引起工件半径方向上的误差；另一个是垂直面直线度，当磨削外圆时，工件沿砂轮切线方向产生位移，对加工工件造成水平面上的形状误差［6］。

（4）由于凸轮轴和曲轴为细长类零件，在加工过程中会产生弹性变形，这就需要采用中心支架对其进行受力补偿，均衡磨削加工过程中产生的磨削力的影响。但如果中心支架的定位不准确，无法实现其预期的目的，那么在加工过程中就不可避免地会引起加工误差［7］。

2 加工过程中产生的误差

工件加工过程产生的误差主要有工件受加工过程中磨削力的作用产生变形而引起的误差、砂轮的磨损以及磨床的振动造成的误差和检测系统引起的误差。

2.1 磨削力引起的加工误差

普通外圆磨削加工过程中，磨削力引起工件轴向的弯曲变形，该变形对于同一截面上的径向影响恒定，且圆周方向的变形对外圆精度无影响。因此，实际加工过程中，只需要保证工件良好的刚性、较小的振动，就能够获得较好的加工精度。而在X-C两轴联动非圆磨削加工过程中，非圆轮廓外表面上磨削点在法向磨削力Fn和切向磨削力Ft的作用下，其合力的作用点和方向会随着非圆轮廓转角的变化而不断变化。此外，非圆磨削力由于单位时间磨除金属的变化，磨削力的大小也会变化，这点与普通外圆磨削也不相同［8-9］。

磨削加工过程中，磨削力影响零部件的加工精度、表面质量以及工具的损耗和使用寿命。由于非圆曲面轮廓类零部件形状复杂，而且沿径向方向及圆周各方向上的刚性均不相等，因此在非圆磨削加工过程中，由于磨削力的作用，将导致工件在非圆轮廓各方向上出现大小不一的弹性变形，甚至在一些磨削点处产生转角误差，对工件加工的廓形误差产生较大影响［10］。

2.2 砂轮磨损引起的加工误差

磨削工件时必然会造成砂轮的磨损，一般通过经常修整或者更换砂轮来提高工件的表面加工质量。因此在实际磨削加工过程中砂轮的实际加工半径会随着磨削时间的增加发生很大的变化。加工凸轮轴和曲轴类非圆零件时，砂轮半径的变化对凸轮轴的升程值和曲轴连杆颈直径的磨削影响是由于磨削点不能始终在砂轮中心与凸轮轴和曲轴中心的连线上，并且砂轮半径变化产生的影响比较复杂，必须对之进行细致的分析研究［11-12］。按加工零件的形状不同，砂轮半径的变化对加工精度的影响可以分为两类：

（1）对于凸圆弧类零件，由于实际加工过程中砂轮理论加工半径的变化会引起磨削点的偏移，导致升程角和升程值同时发生改变，产生系统误差。

（2）对于凹圆弧类零件，由于实际砂轮半径比理论小，实际磨削点与理论磨削点有偏差，实际测量出的某磨削点的升程也会产生误差。由于凹圆弧类零件的顶圆和基圆部分的磨削过程跟普通外圆磨削类似，其升程为零，因此砂轮半径的变化对这两个部分的磨削没有影响。在过渡圆弧处，由于其曲率半径和曲率中心同基圆部分相接近，因此实际加工过程中砂轮半径的变化对其也不会产生影响。

2.3 磨床振动引起的加工误差

由于数控磨削加工工艺的柔性和工序的多变，使其运行状态落入不稳定区域的可能性增大，从而激起强烈的颤振，颤振在加工过程中会引起凸轮轴和曲轴廓形的表面质量恶化和几何形状误差。

2.4 检测系统引起的加工误差

检测系统一般安装在磨床的工作台上，其作用是准确地测量角位移或直线位移并迅速地反馈给数控系统，以便随时同数控加工程序中给定的指令进行比较，如果数控系统通过比较发现存在误差，将向伺服系统发出修正后的新指令，从而使工件和砂轮按规定的加工轨迹和坐标移动。

检测系统误差包括以下两个方面：①由于测量反馈设备的制造误差及其测量传感器在磨床上的安装位置误差引起的测量传感器反馈系统本身的误差；②由于磨床零件和机构误差以及在使用中由于摩擦热和外界辐射热引起的变形导致测量传感器出现的误差。

3 数控系统本身引起的误差

数控系统误差主要分为采用插补算法引入的误差、控制电路误差和伺服系统误差。

（1）逼近插补等算法引入的误差可分为3类：逼近误差、插补误差、圆整误差。近似计算逼近零件廓形曲线时产生的误差叫做逼近误差；插补误差是在计算刀具运行轨迹时，采用插值算法而引入的误差；在程序运行时，小数脉冲圆整成整数脉冲时产生的误差叫做圆整误差［13-14］。

（2）控制电路误差由控制电路的直流信号零点漂移、放大器的线性误差引起。

（3）伺服系统误差是伺服系统在执行运动时由摩擦力引起的误差，主要包括X轴进给误差、C轴进给误差。其中，X轴进给误差是由于砂轮架在伺服控制下没有进给到理论位置，通常表现为X轴定位不准所引起的误差，直接影响轮廓磨削精度［15-16］。C轴进给误差是C轴转角与理论位置存在误差，在控制时，转角误差直接影响凸轮的磨削转角精度，从而影响凸轮廓形磨削精度，通常表现为磨削起始点的定位不准确［17］。

4 结语

总结了影响凸轮轴和曲轴非圆类零件磨削精度的一些因素，针对非圆磨削过程中引起加工误差的主要因素进行探讨，分析了这些因素对非圆类工件加工误差的影响程度及变化规律，为以后非圆类零件的加工误差补偿提供理论依据。

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Analysis of Main Factors Causing Non-circular Grinding Processing Errors

WANG Shi-ju，ZHONG Jian-lin
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China）

Abstract：The machining precision of non-circular parts such as crankshafts and camshafts plays a decisive role on the performance of engines，the processing quality and efficiency of non-circular parts will directly affect the development of automobile industry and shipping industry.The main factors that influence the machining errors during the process of non-circular grinding are discussed，which is useful for the compensation of the machining errors of non-circular parts.

Key words：crankshafts；camshafts；grinding；machining errors

中图分类号：TG58

文献标识码：A

文章编号：1672-6413（2016）01-0217-02

*国家自然科学基金资助项目（51375056）；北京市自然科学基金资助项目（3142009）

收稿日期：2015-04-24；

修订日期：2015-12-10

作者简介：王世举 （1989-），男，河北邯郸人，在读硕士研究生，研究方向：智能化加工。