淺析非圓磨削加工過程中引起加工誤差的主要因素
作者；張毅
為了保證加工零件質量的可靠性，提高加工精度和加工效率，對非圓磨削加工過程中引起加工誤差主要因素的分析就顯得越來越重要。下面從工藝系統(tǒng)、加工過程和數(shù)控系統(tǒng)3個方面分別進行討論。
1 工藝系統(tǒng)對加工精度的影響
工藝系統(tǒng)誤差由組成磨床的砂輪、導軌、主軸、中心支架等的安裝定位誤差及前道工序的各類誤差等組成。通過分析工藝系統(tǒng)誤差對工件加工精度的影響，以尋求改善機床性能的方法。
(1)主軸設計時通常都是使其相對于旋轉軸線軸對稱，由于加工和裝配工藝上的一系列誤差，轉子組裝完后總是做不到在質量上的完全對稱，會導致主軸的偏心質量在不同的回轉平面內分布不均勻，從而導致加工過程中慣性力偶的產(chǎn)生，因此實際加工過程中需要對主軸進行動平衡和靜平衡。
磨床主軸回轉誤差，是指主軸的實際回轉軸線相對于其理想回轉軸線（平均回轉軸線）的漂移。因為在磨削加工過程中工件隨磨床主軸一起做旋轉運動，因此工件表面的幾何形狀是由砂輪在坐標系中的相對軌跡決定的。高速磨削時磨床的“主軸單元”動態(tài)性能好，回轉精度一般可以小于1um，但高速狀態(tài)下所產(chǎn)生的慣性力卻很大，遠遠大于磨削加工時作用在主軸承上的磨削力。因此高速磨床相比于傳統(tǒng)磨床要有更高的靜態(tài)、動態(tài)剛度和更高的抗振性。
(2)組成磨床的零件在其加工過程中會存在一定的加工誤差，同時在磨床的裝配過程中也會產(chǎn)生一定的裝配誤差，因此砂輪安裝在磨床上時會不可避免地導致砂輪架產(chǎn)生安裝誤差。這種位置偏差能夠直接影響磨削加工的精度，所以要分析砂輪中心高誤差和砂輪中心X軸坐標誤差對加工誤差的影響。
(3)工件導軌平行度誤差對凸輪軸和曲軸加工精度的影響因素主要包括兩方面：一個是水平面的直線度，它主要引起工件半徑方向上的誤差；另一個是垂直面直線度，當磨削外圓時，工件沿砂輪切線方向產(chǎn)生位移，對加工工件造成水平面上的形狀誤差。
(4)由于凸輪軸和曲軸為細長類零件，在加工過程中會產(chǎn)生彈性變形，這就需要采用中心支架對其進行受力補償，均衡磨削加工過程中產(chǎn)生的磨削力的影響。但如果中心支架的定位不準確，無法實現(xiàn)其預期的目的，那么在加工過程中就不可避免地會引起加工誤差。
2加工過程中產(chǎn)生的誤差
工件加工過程產(chǎn)生的誤差主要有工件受加工過程中磨削力的作用產(chǎn)生變形而引起的誤差、砂輪的磨損以及磨床的振動造成的誤差和檢測系統(tǒng)引起的誤差。
2.1 磨削力引起的加工誤差
普通外圓磨削加工過程中，磨削力引起工件軸向的彎曲變形，該變形對于同一截面上的徑向影響恒定，且圓周方向的變形對外圓精度無影響。因此，實際加工過程中，只需要保證工件良好的剛性、較小的振動，就能夠獲得較好的加工精度。而在X-C兩軸聯(lián)動非圓磨削加工過程中，非圓輪廓外表面上磨削點在法向磨削力F。和切向磨削力F1的作用下，其合力的作用點和方向會隨著非圓輪廓轉角的變化而不斷變化。此外，非圓磨削力由于單位時間磨除金屬的變化，磨削力的大小也會變化，這點與普通外圓磨削也不相同。
磨削加工過程中，磨削力影響零部件的加工精度、表面質量以及工具的損耗和使用壽命。由于非圓曲面輪廓類零部件形狀復雜，而且沿徑向方向及圓周各方向上的剛性均不相等，因此在非圓磨削加工過程中，由于磨削力的作用，將導致工件在非圓輪廓各方向上出現(xiàn)大小不一的彈性變形，甚至在一些磨削點處產(chǎn)生轉角誤差，對工件加工的廓形誤差產(chǎn)生較大影響。
2.2砂輪磨損引起的加工誤差
磨削工件時必然會造成砂輪的磨損，一般通過經(jīng)常修整或者更換砂輪來提高工件的表面加工質量。因此在實際磨削加工過程中砂輪的實際加工半徑會隨著磨削時間的增加發(fā)生很大的變化。加工凸輪軸和曲軸類非圓零件時，砂輪半徑的變化對凸輪軸的升程值和曲軸連桿頸直徑的磨削影響是由于磨削點不能始終在砂輪中心與凸輪軸和曲軸中心的連線上，并且砂輪半徑變化產(chǎn)生的影響比較復雜，必須對之進行細致的分析研究。按加工零件的形狀不同，砂輪半徑的變化對加工精度的影響可以分為兩類：
(1)對于凸圓弧類零件，由于實際加工過程中砂輪理論加工半徑的變化會引起磨削點的偏移，導致升程角和升程值同時發(fā)生改變，產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。
(2)對于凹圓弧類零件，由于實際砂輪半徑比理論小，實際磨削點與理論磨削點有偏差，實際測量出的某磨削點的升程也會產(chǎn)生誤差。由于凹圓弧類零件的頂圓和基圓部分的磨削過程跟普通外圓磨削類似，其升程為零，因此砂輪半徑的變化對這兩個部分的磨削沒有影響。在過渡圓弧處，由于其曲率半徑和曲率中心同基圓部分相接近，因此實際加工過程中砂輪半徑的變化對其也不會產(chǎn)生影響。
2.3磨床振動引起的加工誤差
由于數(shù)控磨削加工工藝的柔性和工序的多變，使其運行狀態(tài)落入不穩(wěn)定區(qū)域的可能性增大，從而激起強烈的顫振，顫振在加工過程中會引起凸輪軸和曲軸廓形的表面質量惡化和幾何形狀誤差。
2.4檢測系統(tǒng)引起的加工誤差
檢測系統(tǒng)一般安裝在磨床的工作臺上，其作用是準確地測量角位移或直線位移并迅速地反饋給數(shù)控系統(tǒng)，以便隨時同數(shù)控加工程序中給定的指令進行比較，如果數(shù)控系統(tǒng)通過比較發(fā)現(xiàn)存在誤差，將向伺服系統(tǒng)發(fā)出修正后的新指令，從而使工件和砂輪按規(guī)定的加工軌跡和坐標移動。
檢測系統(tǒng)誤差包括以下兩個方面：①由于測量反饋設備的制造誤差及其測量傳感器在磨床上的安裝位置誤差引起的測量傳感器反饋系統(tǒng)本身的誤差；②由于磨床零件和機構誤差以及在使用中由于摩擦熱和外界輻射熱引起的變形導致測量傳感器出現(xiàn)的誤差。
3數(shù)控系統(tǒng)本身引起的誤差
數(shù)控系統(tǒng)誤差主要分為采用插補算法引入的誤差、控制電路誤差和伺服系統(tǒng)誤差。
(1)逼近插補等算法引入的誤差可分為3類：逼近誤差、插補誤差、圓整誤差。近似計算逼近零件廓形曲線時產(chǎn)生的誤差叫做逼近誤差；插補誤差是在計算刀具運行軌跡時，采用插值算法而引入的誤差；在程序運行時，小數(shù)脈沖圓整成整數(shù)脈沖時產(chǎn)生的誤差叫做圓整誤差。
(2)控制電路誤差由控制電路的直流信號零點漂移、放大器的線性誤差引起。
(3)伺服系統(tǒng)誤差是伺服系統(tǒng)在執(zhí)行運動時由摩擦力引起的誤差，主要包括X軸進給誤差、C軸進給誤差。其中，X軸進給誤差是由于砂輪架在伺服控制下沒有進給到理論位置，通常表現(xiàn)為X軸定位不準所引起的誤差，直接影響輪廓磨削精度。C軸進給誤差是C軸轉角與理論位置存在誤差，在控制時，轉角誤差直接影響凸輪的磨削轉角精度，從而影響凸輪廓形磨削精度，通常表現(xiàn)為磨削起始點的定位不準確。
4結語
總結了影響凸輪軸和曲軸非圓類零件磨削精度的一些因素，針對非圓磨削過程中引起加工誤差的主要因素進行探討，分析了這些因素對非圓類工件加工誤差的影響程度及變化規(guī)律，為以后非圓類零件的加工誤差補償提供理論依據(jù)。
5摘要：曲軸和凸輪軸等非圓類零件的加工精度對汽車和船舶發(fā)動機的性能起到?jīng)Q定性作用，其加工效率和加工質量將直接影響到我國汽車制造、船舶制造行業(yè)的發(fā)展。針對非圓磨削過程中引起加工誤差的主要因素進行探討，為以后非圓類零件的加工誤差補償提供理論依據(jù)。
