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斜頭架曲軸（zhóu）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（běi）汽車工業學院羅敏陳淩雲陳誌楚

摘要: 曲軸過渡圓角（jiǎo）是產生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（gǎi）善（shàn）應力分布狀況，提高曲軸（zhóu）工作的可靠（kào）性。曲軸前端端麵、外圓（yuán）以（yǐ）及過渡圓角采用斜頭架磨床成型磨削。由於滾輪的形狀誤差等因素，圓角采用（yòng） 90°圓弧插補，不能保證（zhèng）其輪廓誤差。文章采用 9段圓弧逼近（jìn） 90°圓角輪廓，建立圓角輪廓誤差補償模型，設計相應補償（cháng）用宏程序，實施圓角輪廓誤差補償。經實際應用（yòng）表明，圓角輪廓誤差控製取得了滿意的效果。該方法可以推廣應用於金剛碟或金剛筆插補修砂輪圓（yuán）角Ｒ的補償（cháng）。

關鍵詞（cí）: 曲軸（zhóu）磨床;誤差（chà）補償;宏程序（xù）

0 引言

曲（qǔ）軸（zhóu）是（shì）發動機中最重要的零件之一，承受周期性變化的力和力矩，曲軸破壞的統計（jì）分（fèn）析表明，80% 左右是由彎曲疲勞產生的（de），曲軸過渡圓角（jiǎo）是產生疲勞（láo）破壞的主要部位。理想的（de）曲軸圓角形（xíng）狀（zhuàng）可以降低曲軸圓角的（de）應力峰值，改善應（yīng）力分布狀（zhuàng）況，提高曲軸工作的可靠性。研究表明:圓角應力峰值與圓角半徑有（yǒu）關係，圓角半（bàn）徑Ｒ增大，圓角（jiǎo）應力峰值降低，當Ｒ增大到一定值時（shí），再增加Ｒ值，應力的降低不很（hěn）明（míng）顯，反而會使軸頸承載麵積（jī）減小，對（duì）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（jiǎo）度探討了圓角形狀的優化，而較少從製造角度研究如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（héng）塊、前端和後端等組成。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，如（rú）圖 1 所示。端麵（miàn）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（gǔn）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，由於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。為（wéi）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（yuán）角輪廓精度。

nb該斜頭架磨床控製係統為雙（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（qīng）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，機床坐標軸為X2軸和 Z2軸，其中 X2軸是傾斜（xié）軸，編程時考慮與 Z2軸正交的（de）假象軸（zhóu） X2'軸。

2 圓角輪廓補償數學建模

如圖（tú） 3 所示，將（jiāng） 90°圓角按 10°的間隔等分，P1' ～P9'是（shì）實測（cè）的輪廓點，如果其半徑（jìng）值＞標準半徑（jìng）值，則（zé）定義為負偏置;如（rú）果其半徑值＜標準半徑值，則定義為正偏置。Pi'點補償（cháng）偏置定義如（rú）下:補償偏置 ΔＲi= 標準半徑Ｒ－ OPi'P1～ P9是（shì）實施圓角（jiǎo）輪廓後的（de）輪廓點。 OPi的長度計算如下:

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

90°圓角補償軌跡由9 段補償圓弧 Pi－1P)i構成，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（yǐ）知 Pi點坐標為(Xi，Zi)，Pi －1點坐標為(Xi －1，Zi －1)，則補償圓弧（hú）半徑Ｒi計算如下（xià）:

3 圓（yuán）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（zuò）標

#720 ～ #729:P0～ P9點 X 坐標

圓角輪廓補償宏（hóng）程序（xù） O8100 框圖如圖 5 所示（shì）。

主要包括 3 個部分:①計算 P0～ P9點 Z 坐標和 X坐標;②9 次調用宏程序 O9010，分別（bié）計算 9 段補償圓弧的半徑Ｒi;③9 段圓弧插補完成（chéng） 90°圓角（jiǎo）輪廓補（bǔ）償。

O8100 的調用格式:G65 P8100 F_;其中 F 為圓（yuán）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（biāo），第2 組 I_ J_為 Pi點的Z、X 坐標。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（zài）O8100 中，依次再賦（fù）值（zhí）給#701 ～ #709。

(2)宏程序 O8100

N10 #710 = #557* COS［ 90］ ;P0點 Z 坐標

N20 #720 = #557* SIN［ 90］ ;P0點 X 坐標

N30 #33 =1;

N40 WHILE［ #33 LE 9］DO1;

N50 #［ 710 + #33］=［ #557 + #［ 600 + #33］］* COS［ 90 +

10* #33］ ; Pi點 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（bǔ）償人機交互界麵

應用 FANUC PICTUＲE 軟件開發（fā）如圖 6 所示的圓角輪廓補償人機交（jiāo）互界麵。在輸入緩衝（chōng）區輸入的數值，按“輸入（rù）” 鍵，以（yǐ）絕對值方式輸入至 10°～ 90°角度的（de）補償值;按（àn）“+ 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（shì）對緩衝區輸入數值的（de）操作。此（cǐ）處輸入（rù）的10°～90°角度的補償值分別在後（hòu）台送給宏變量#601～#609。

圖 6 圓角輪廓補償人機（jī）交互（hù）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（gōng） 1 根曲（qǔ）軸，在三坐標檢測儀上（shàng）檢出圓角輪廓誤（wù）差如圖 7 所示（shì）。從圖中可看出，最大輪廓誤差達到 0．207mm，已經超過公差（chà）允許範（fàn）圍。利用圖 7 的誤（wù）差數據實施圓角輪廓補（bǔ）償（cháng），各角度補償偏置如（rú）表 1 所（suǒ）示。圓角輪廓誤差補償實施後，

抽取了 2 根曲軸加工送（sòng）檢，經三坐標檢測，圓角輪廓誤差分別如圖 8 和圖 9 所示。其中編號（hào）為 222C_2 曲軸圓角徑向輪廓最（zuì）大誤差 0．031mm，編（biān）號為 347H_1 曲軸圓角徑（jìng）向輪廓最大誤（wù）差 0．052mm，均滿足工藝（yì）要求。

6 結論

本文采用（yòng）的（de）9 段圓弧逼（bī）近90°圓角輪廓，對曲軸前端端麵外圓過渡圓角的徑向輪廓誤差實施補償（cháng），在東風某發動機有限公司現生產實（shí）際使用已達2年，取得（dé）了滿意的效果，較好地解決了斜頭架磨床修（xiū）整滾輪金剛碟形（xíng）狀不規則或磨損等原因（yīn）引起的曲軸圓角Ｒ誤差。該方法可以推廣應用於金剛碟或金剛筆插補（bǔ）修砂輪（lún）圓角Ｒ的（de）補償，在（zài）具體應用時可根據實際情況，適當調整圓弧逼近的段數（shù）。

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