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斜頭架曲軸磨（mó）床圓角輪廓補償方法及實現

2015-9-23 來源：數控機床市場網作者：湖北汽車工業學院羅敏陳淩雲陳誌楚

摘（zhāi）要: 曲（qǔ）軸過渡圓角是產生（shēng）疲勞破壞的主要部位。理想的曲軸圓角形狀可以降（jiàng）低曲軸圓（yuán）角的應力峰值，改善應力分布狀況（kuàng），提高曲軸（zhóu）工作的可靠性。曲軸前端端麵、外圓以及過（guò）渡圓（yuán）角采用斜（xié）頭架磨床成型磨（mó）削。由於（yú）滾輪的形狀誤差等因（yīn）素，圓角采用 90°圓弧（hú）插補，不能（néng）保證其輪廓（kuò）誤差。文章采用 9段圓弧逼（bī）近 90°圓角輪廓，建立圓角輪廓（kuò）誤差補償模型，設（shè）計相應補償用（yòng）宏（hóng）程序，實（shí）施（shī）圓角輪廓誤（wù）差補償。經實際（jì）應用表（biǎo）明，圓（yuán）角輪廓誤（wù）差控製（zhì）取得了滿意的效（xiào）果。該方法可以推（tuī）廣（guǎng）應用於金剛碟或金剛筆插補修砂輪圓角Ｒ的補償。

關鍵詞: 曲軸磨床;誤差補償;宏程序

0 引言

曲軸是發動機中最重要的零件之一（yī），承受周期性變化的力和力矩，曲軸破壞的統計分析表明，80% 左右是由彎曲疲勞產生（shēng）的，曲軸過渡圓角是（shì）產生疲勞破壞的主要（yào）部位（wèi）。理想的（de）曲軸圓角形狀可以降低曲軸圓角的應力峰值，改善應力分布狀況，提高曲軸工作的可靠性。研（yán）究表明:圓角應力峰值與圓角半徑有關係，圓角半徑Ｒ增大，圓角（jiǎo）應力峰值（zhí）降低，當Ｒ增大到一定值（zhí）時，再增加Ｒ值，應力（lì）的降低不很明顯，反而會使軸頸（jǐng）承載麵積減（jiǎn）小，對軸頸工作不利，所（suǒ）以曲軸圓角又不宜（yí）過大。眾多研究從設計分析的角度探討了圓角形狀的（de）優化，而較少從製造角度研究如（rú）何保證圓角輪廓精度。

曲軸一般由主軸頸、連杆軸頸、曲柄、平衡塊（kuài）、前（qián）端（duān）和後端等組成。東風某發動機有限公司 4 缸曲軸前端端麵外圓采用斜頭架磨床成型磨削（xuē），如圖 1 所示（shì）。端麵與外圓過渡聯接為90°圓角Ｒ，半徑3．5 ±0．2。砂輪修整（zhěng）用金剛滾輪為一（yī）碟形滾輪，形狀如（rú）圖 2 所示，要（yào）求其尖角Ｒ0．3 ±005在實際加工過程中，由於滾輪（lún）的形狀誤差等因素，Ｒ3．5 圓角采用 90°圓弧插補，不（bú）能保證其輪廓誤差在 ± 0．2 以內。為此，考慮建立圓角輪廓誤差補償模型，設計相應補償用宏程序，進而提高圓角輪（lún）廓精度。

nb該斜頭架磨床（chuáng）控製係統為雙（shuāng）路徑 FANUC- 0i- TD數控係統，第 1 路徑磨削通道，機床（chuáng）坐標軸為 X1軸和Z1軸，其中 X1軸是傾斜（xié）軸（zhóu），編程（chéng）時考慮與 Z1軸正交的假象軸 X1'軸。第 2 路（lù）徑磨削通道，機床坐標軸為X2軸和 Z2軸，其中 X2軸是傾斜軸，編程（chéng）時考慮（lǜ）與 Z2軸正交的假象軸（zhóu） X2'軸。

2 圓角輪廓補償數學建模

如圖 3 所示，將 90°圓角按 10°的間隔（gé）等（děng）分，P1' ～P9'是實測（cè）的輪廓點，如果其半徑值＞標準半（bàn）徑值，則（zé）定義為負偏（piān）置;如果其（qí）半徑值＜標準（zhǔn）半徑值，則（zé）定義為正偏置。Pi'點補償偏置定義如下（xià）:補償偏置 ΔＲi= 標準半徑Ｒ－ OPi'P1～ P9是實施圓角輪廓後的輪廓點。 OPi的長度計算如（rú）下:

OPi= 標（biāo）準半（bàn）徑值（zhí）Ｒ + 補償偏置 ΔＲi以圓心 O 為坐標原點， Pi點（diǎn）(i =1 ～9)的 X 坐標和 Z 坐標計算如下:

90°圓角補償軌（guǐ）跡（jì）由9 段補償圓弧 Pi－1P)i構成，每段圓弧夾角10°，如圖4 所示（shì），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（zuò）標為(Xi，Zi)，Pi －1點（diǎn）坐標為(Xi －1，Zi －1)，則補償圓弧半徑Ｒi計算如（rú）下:

3 圓角輪廓補償宏程序設計

(1)宏變量定義及宏程序框圖

#557:標準圓角半徑

#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

圓角（jiǎo）輪廓補償宏程序 O8100 框圖如圖 5 所示。

主（zhǔ）要包括 3 個部（bù）分（fèn）:①計算 P0～ P9點 Z 坐標和 X坐標;②9 次調用宏（hóng）程序 O9010，分別計算 9 段補償圓弧的半徑Ｒi;③9 段圓（yuán）弧插補完成 90°圓角輪廓補償。

O8100 的調用（yòng）格式:G65 P8100 F_;其中 F 為（wéi）圓弧插補速度。

O9010 的調用格式:G65 P9010 I_ J_ I_ J_;其中第1 組 I_ J_為 Pi －1點的 Z、X 坐標，第2 組 I_ J_為 Pi點的Z、X 坐標。在 O9010 程（chéng）序中計算得（dé）到的補償圓弧半徑存放在公共變量#700，該值在（zài）O8100 中，依次再賦值給#701 ～ #709。

(2)宏程序 O8100

N10 #710 = #557* COS［ 90］ ;P0點 Z 坐（zuò）標

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（diǎn） Z 坐標( i =1 ～9)

N60 #［ 720 + #33］=［ #557 + #［ 600 + #33］］* SIN［ 90+

#33］; Pi點 X 坐標( 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（bǔ）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（hóng）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（lún）廓（kuò）補償人機交互界麵（miàn）

應用 FANUC PICTUＲE 軟件開發如圖（tú） 6 所示的圓角（jiǎo）輪廓補償人機交（jiāo）互界麵。在輸入緩衝區輸入的數值，按“輸入” 鍵，以絕對值方式（shì）輸入（rù）至（zhì） 10°～ 90°角度（dù）的補償值;按“+ 輸入” ，以增（zēng）量值方式輸入至（zhì） 10° ～90°角（jiǎo）度（dù）的補償值。“清除” 和 “回退” 是對緩衝區輸入數值的操作（zuò）。此處輸入的（de）10°～90°角度（dù）的補償（cháng）值分別在（zài）後台送（sòng）給宏（hóng）變量#601～#609。

圖 6 圓角輪廓補償人機交互界麵

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，在三坐標檢測儀上檢出（chū）圓角輪廓誤差如圖（tú） 7 所示（shì）。從圖中（zhōng）可看出，最大輪廓誤差達到 0．207mm，已經超過公差允許範（fàn）圍。利用圖 7 的誤差（chà）數（shù）據實（shí）施圓角輪廓補償，各角度補償偏置如表 1 所（suǒ）示。圓角輪廓誤差補償實施後（hòu），

抽取了 2 根曲軸加工送檢，經三坐（zuò）標檢（jiǎn）測，圓（yuán）角輪廓誤差分（fèn）別如圖（tú） 8 和圖 9 所示。其中編號（hào）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（wù）差 0．052mm，均滿足工藝要求。

6 結論

本（běn）文采用（yòng）的9 段圓弧逼近90°圓角輪廓，對曲軸前端端麵外圓過渡圓角的徑向輪（lún）廓誤差實施補償，在東風某發動機有限公司現生產實際使用已（yǐ）達2年，取得（dé）了滿意的效果，較好地解決了（le）斜頭架（jià）磨床修（xiū）整滾輪（lún）金剛碟形狀（zhuàng）不規則或磨損等原因引起的曲軸圓角Ｒ誤差。該方法可以（yǐ）推廣應用於金剛碟或金剛筆插補修砂輪（lún）圓角Ｒ的補償，在具體應用時可根據實際（jì）情況（kuàng），適當調整（zhěng）圓弧逼近的段數（shù）。

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