斜頭架曲軸磨床圓角輪廓補償方法及實現(xiàn)
2015-9-23 來源：數(shù)控機床市場網(wǎng) 作者：湖北汽車工業(yè)學(xué)院 羅敏 陳凌云 陳志楚
摘要: 曲軸過渡圓角是產(chǎn)生疲勞破壞的主要部位。理想的曲軸圓角形狀可以降低曲軸圓角的應(yīng)力峰值，改善應(yīng)力分布狀況，提高曲軸工作的可靠性。曲軸前端端面、外圓以及過渡圓角采用斜頭架磨床成型磨削。由于滾輪的形狀誤差等因素，圓角采用 90°圓弧插補，不能保證其輪廓誤差。文章采用 9段圓弧逼近 90°圓角輪廓，建立圓角輪廓誤差補償模型，設(shè)計相應(yīng)補償用宏程序，實施圓角輪廓誤差補償。經(jīng)實際應(yīng)用表明，圓角輪廓誤差控制取得了滿意的效果。該方法可以推廣應(yīng)用于金剛碟或金剛筆插補修砂輪圓角 Ｒ 的補償。
關(guān)鍵詞: 曲軸磨床;誤差補償;宏程序
0 引言
曲軸是發(fā)動機中最重要的零件之一，承受周期性變化的力和力矩，曲軸破壞的統(tǒng)計分析表明，80% 左右是由彎曲疲勞產(chǎn)生的，曲軸過渡圓角是產(chǎn)生疲勞破壞的主要部位。理想的曲軸圓角形狀可以降低曲軸圓角的應(yīng)力峰值，改善應(yīng)力分布狀況，提高曲軸工作的可靠性。研究表明:圓角應(yīng)力峰值與圓角半徑有關(guān)系，圓角半徑 Ｒ 增大，圓角應(yīng)力峰值降低，當(dāng) Ｒ增大到一定值時，再增加 Ｒ值，應(yīng)力的降低不很明顯，反而會使軸頸承載面積減小，對軸頸工作不利， 所以曲軸圓角又不宜過大。眾多研究從設(shè)計分析的角度探討了圓角形狀的優(yōu)化，而較少從制造角度研究如何保證圓角輪廓精度。
曲軸一般由主軸頸、連桿軸頸、曲柄、平衡塊、前端和后端等組成。東風(fēng)某發(fā)動機有限公司 4 缸曲軸前端端面外圓采用斜頭架磨床成型磨削，如圖 1 所示。端面與外圓過渡聯(lián)接為90°圓角 Ｒ，半徑3．5 ±0．2。砂輪修整用金剛滾輪為一碟形滾輪，形狀如圖 2 所示，要求其尖角 Ｒ0．3 ±005在實際加工過程中，由于滾輪的形狀誤差等因素， Ｒ3．5 圓角采用 90°圓弧插補，不能保證其輪廓誤差在 ± 0．2 以內(nèi)。為此，考慮建立圓角輪廓誤差補償模型，設(shè)計相應(yīng)補償用宏程序，進而提高圓角輪廓精度。
nb該斜頭架磨床控制系統(tǒng)為雙路徑 FANUC- 0i- TD數(shù)控系統(tǒng)，第 1 路徑磨削通道，機床坐標(biāo)軸為 X1軸和Z1軸，其中 X1軸是傾斜軸，編程時考慮與 Z1軸正交的假象軸 X1'軸。第 2 路徑磨削通道，機床坐標(biāo)軸為X2軸和 Z2軸，其中 X2軸是傾斜軸，編程時考慮與 Z2軸正交的假象軸 X2'軸。
2 圓角輪廓補償數(shù)學(xué)建模
如圖 3 所示，將 90°圓角按 10°的間隔等分，P1' ～P9'是實測的輪廓點，如果其半徑值 ＞ 標(biāo)準(zhǔn)半徑值，則定義為負偏置;如果其半徑值 ＜ 標(biāo)準(zhǔn)半徑值，則定義為正偏置。Pi'點補償偏置定義如下:補償偏置 ΔＲi= 標(biāo)準(zhǔn)半徑 Ｒ － OPi'P1～ P9是實施圓角輪廓后的輪廓點。 OPi的長度計算如下:
OPi= 標(biāo)準(zhǔn)半徑值 Ｒ + 補償偏置 ΔＲi以圓心 O 為坐標(biāo)原點， Pi點(i =1 ～9)的 X 坐標(biāo)和 Z 坐標(biāo)計算如下:
90°圓角補償軌跡由9 段補償圓弧 Pi－1P)i構(gòu)成，每段圓弧夾角10°，如圖4 所示，M 點是弦 PiPi－1的中點，Qi是補償圓弧的圓心，QM ⊥ PiPi－1，已知 Pi點坐標(biāo)為(Xi，Zi)，Pi －1點坐標(biāo)為(Xi －1，Zi －1)，則補償圓弧半徑 Ｒi計算如下:
3 圓角輪廓補償宏程序設(shè)計
(1)宏變量定義及宏程序框圖
#557:標(biāo)準(zhǔn)圓角半徑
#601 ～ #609:補償偏置 ΔＲi(i =1 ～9)
#701 ～ #709:補償圓弧半徑 Ｒi(i =1 ～9)
#710 ～ #719:P0～ P9點 Z 坐標(biāo)
#720 ～ #729:P0～ P9點 X 坐標(biāo)
圓角輪廓補償宏程序 O8100 框圖如圖 5 所示。
主要包括 3 個部分:①計算 P0～ P9點 Z 坐標(biāo)和 X坐標(biāo);②9 次調(diào)用宏程序 O9010，分別計算 9 段補償圓弧的半徑 Ｒi;③9 段圓弧插補完成 90°圓角輪廓補償。
O8100 的調(diào)用格式:G65 P8100 F_;其中 F 為圓弧插補速度。
O9010 的調(diào)用格式:G65 P9010 I_ J_ I_ J_;其中第1 組 I_ J_為 Pi －1點的 Z、X 坐標(biāo)，第2 組 I_ J_為 Pi點的Z、X 坐標(biāo)。在 O9010 程序中計算得到的補償圓弧半徑存放在公共變量#700，該值在O8100 中， 依次再賦值給#701 ～ #709。
(2)宏程序 O8100
N10 #710 = #557* COS［ 90］ ;P0點 Z 坐標(biāo)
N20 #720 = #557* SIN［ 90］ ;P0點 X 坐標(biāo)
N30 #33 =1;
N40 WHILE［ #33 LE 9］DO1;
N50 #［ 710 + #33］=［ #557 + #［ 600 + #33］ ］* COS［ 90 +
10* #33］ ; Pi點 Z 坐標(biāo)( i =1 ～9)
N60 #［ 720 + #33］=［ #557 + #［ 600 + #33］ ］* SIN［ 90+
#33］; Pi點 X 坐標(biāo)( i =1 ～9)
N70 #33 = #33 +1;
N80 END1;
N90 #32 =1;
N100 WHILE［ #32 LE 9］DO1;
N110 G65 P9010 I#［ 709 + #32］J#［ 719 + #32］I#［ 710 + #
32］J#［ 720 + #32］ ;
N120 #［ 700 + #32］= #700;補償圓弧半徑 Ｒi
N130 #32 = #32 +1;
N140 END1;
N150 #31 =1;
N160 WHILE［ #31 LE 9］DO1;
N170 G03 U［ 2* ［ #［ 720 + #31］－ #［ 719 + #31］ ］ ］W［#
［ 710 + #31］－ #［ 709 + #31］ ］Ｒ#［ 700 + #31］F#9;
N180 #31 = #31 +1;
N190 END1;
N200 M99;
(3)宏程序 O9010
N10 #33 = #4 － #7;
N20 #32 = #5 － #8;
N30 #31 = SQＲT［ #33* #33 + #32* #32］/2;
N40 #700 = #31/SIN［ 5］;補償圓弧半徑 Ｒi
N50 M99;
4 圓角輪廓補償人機交互界面
應(yīng)用 FANUC PICTUＲE 軟件開發(fā)如圖 6 所示的圓角輪廓補償人機交互界面。在輸入緩沖區(qū)輸入的數(shù)值，按“輸入” 鍵， 以絕對值方式輸入至 10°～ 90°角度的補償值;按“+ 輸入” ，以增量值方式輸入至 10° ～90°角度的補償值 。“清除” 和 “回退” 是對緩沖區(qū)輸入數(shù)值的操作。此處輸入的10°～90°角度的補償值分別在后臺送給宏變量#601～#609。
圖 6 圓角輪廓補償人機交互界面
5 圓角輪廓誤差補償效果
在未加圓角輪廓補償時，加工 1 根曲軸，在三坐標(biāo)檢測儀上檢出圓角輪廓誤差如圖 7 所示。從圖中可看出，最大輪廓誤差達到 0．207mm，已經(jīng)超過公差允許范圍。利用圖 7 的誤差數(shù)據(jù)實施圓角輪廓補償，各角度補償偏置如表 1 所示。圓角輪廓誤差補償實施后，
抽取了 2 根曲軸加工送檢，經(jīng)三坐標(biāo)檢測，圓角輪廓誤差分別如圖 8 和圖 9 所示。其中編號為 222C_2 曲軸圓角徑向輪廓最大誤差 0．031mm，編號為 347H_1 曲軸圓角徑向輪廓最大誤差 0．052mm，均滿足工藝要求。
6 結(jié)論
本文采用的9 段圓弧逼近90°圓角輪廓，對曲軸前端端面外圓過渡圓角的徑向輪廓誤差實施補償，在東風(fēng)某發(fā)動機有限公司現(xiàn)生產(chǎn)實際使用已達2年，取得了滿意的效果，較好地解決了斜頭架磨床修整滾輪金剛碟形狀不規(guī)則或磨損等原因引起的曲軸圓角 Ｒ 誤差。該方法可以推廣應(yīng)用于金剛碟或金剛筆插補修砂輪圓角Ｒ的補償，在具體應(yīng)用時可根據(jù)實際情況，適當(dāng)調(diào)整圓弧逼近的段數(shù)。
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