過(guò)程優(yōu)化是如今不斷發(fā)展和不斷適變的機(jī)加工廠要完成的基本“訓(xùn)練”。提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、縮短零件加工時(shí)間以及“恨不能今天訂貨昨天就生產(chǎn)好”的交貨時(shí)間要求他們必須這樣做。遺憾的是，優(yōu)化凸輪軸凸角磨削過(guò)程從來(lái)沒有起作用和達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
其成功率在很大程度上依賴于操作員的經(jīng)驗(yàn)及直覺。充分考慮已知機(jī)床動(dòng)態(tài)約束及凸角輪廓以建議“大概”加工速度的計(jì)算機(jī)程序確實(shí)存在。然而，依然需要重復(fù)進(jìn)行許多試驗(yàn)性磨削，通過(guò)被認(rèn)為是技能熟練的操作員來(lái)完成磨削過(guò)程。在發(fā)生凸角燒傷現(xiàn)象時(shí)，某些制造廠家選擇降低砂輪進(jìn)給增量，其他一些廠家則降低加工速度。這種“單憑感覺”進(jìn)行的變化通常會(huì)消除磨床燒傷現(xiàn)象，但是卻不一定會(huì)產(chǎn)生經(jīng)過(guò)優(yōu)化的過(guò)程。
數(shù)字式模型制作是一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)者多年依賴以完成新的設(shè)計(jì)和組裝的優(yōu)化工具。這種技術(shù)越來(lái)越多地受到那些想精確協(xié)調(diào)其金屬加工過(guò)程的制造廠家的青睞。這樣的一種可預(yù)測(cè)性計(jì)算機(jī)軟件工具，讓他們從某零件上真正去除任何材料之前，在消除某些過(guò)程猜測(cè)和試湊工作的情況下，有機(jī)會(huì)在調(diào)節(jié)過(guò)程變量后立即看到結(jié)果(充分進(jìn)行“如果那么”一類的場(chǎng)景模擬)。
現(xiàn)在有一種用于凸輪軸凸角磨削的數(shù)字式模型制作工具已經(jīng)問(wèn)世。通過(guò)實(shí)際預(yù)測(cè)磨削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量、凸角圓周上的位置以及在凸角表面下達(dá)到的深度，這種新型熱模型制作軟件讓現(xiàn)有凸輪軸磨削計(jì)算機(jī)加工速度生成程序更上一層樓�？梢詮暮�(jiǎn)單的彩色圖上立即識(shí)別出有可能存在問(wèn)題的區(qū)域，并且可以試驗(yàn)出不會(huì)對(duì)凸角產(chǎn)生熱損失的過(guò)程變量以確定盡可能最快的加工速度。Landis磨削系統(tǒng)(賓夕法尼亞州Waynesboro市)已經(jīng)在其Tetra4000凸輪軸磨削分析程序中添加了這樣一種熱模型制作模塊。該程序可以在公司帶有直線電機(jī)砂輪進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的3LCNC凸輪軸凸角磨床上使用。
這種模型制作工具“及時(shí)雨”來(lái)得正是時(shí)候，因?yàn)樵絹?lái)越多的熟練工人已經(jīng)到了退休年齡。熱模型制作不僅優(yōu)化了凸輪軸磨削過(guò)程，同時(shí)它還充當(dāng)了凸輪軸設(shè)計(jì)者和制造廠家之間的培訓(xùn)工具和橋梁。
存在問(wèn)題的輪廓
凸輪軸凸角磨削提出了同心磨削操作中不存在的難題。砂輪和凸角之間的接觸區(qū)(也稱接觸弧)隨著砂輪通過(guò)凸角圓周不同位置而不斷變化。接觸區(qū)在相對(duì)扁平的側(cè)面最大，而在凸輪軸比較圓的基圓和端部則比較小。因此，在側(cè)面最可能發(fā)生燒傷，各個(gè)制造廠家也正是在這里放慢加工速度以防止發(fā)生燒傷。但是，訓(xùn)練有素的猜測(cè)已經(jīng)典型地指出了要將加工速度降低到多高的程度。
凸角幾何結(jié)構(gòu)也變得越來(lái)越復(fù)雜。如今許多滾輪凸輪軸在側(cè)面帶有一個(gè)凹入式輪廓。這種特征，也被稱作負(fù)曲率半徑(NROC)，設(shè)計(jì)用于優(yōu)化閥的打開和關(guān)閉，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和降低排放量。但是，它卻帶來(lái)了額外的不斷變化的接觸區(qū)，使得一種業(yè)已困難的磨削過(guò)程變得甚至更加撲朔迷離。此外，新的滾輪凸輪軸比以前的設(shè)計(jì)要經(jīng)歷更高的接觸應(yīng)力，這意味著必須密切關(guān)注熱損傷。
凸角磨削一般被分成粗加工和精加工階段，盡管它們是在一個(gè)加工循環(huán)中發(fā)生的。粗加工的目的是去除盡可能多的材料。此時(shí)，熱損傷問(wèn)題不是很大，因?yàn)檫B續(xù)的粗加工采用足以去除前面任何材料損傷層的砂輪橫向進(jìn)給深度進(jìn)行。但是，在最后的粗加工中，熱損傷一定不能如此之深而使得采用較小砂輪橫進(jìn)給量的精加工過(guò)程無(wú)法消除它。
參數(shù)輸入
在表面上，對(duì)有如凸輪軸磨削這么復(fù)雜的制造過(guò)程進(jìn)行模型制作訓(xùn)練看起來(lái)似乎一點(diǎn)都不直觀。但是，它是一種比較簡(jiǎn)單的輸入已知且已公布的機(jī)床、砂輪及冷卻液值的過(guò)程。
熱模型制作模塊建立在現(xiàn)有加工速度優(yōu)化和加速修勻程序基礎(chǔ)上，這種程序除了材料去除率和凸角升程分布圖外，還考慮傳統(tǒng)的機(jī)床性能變量。凸輪軸設(shè)計(jì)者以繞凸角圓周每度多少升程的方式提供升程分布圖。磨床制造廠提供機(jī)床動(dòng)態(tài)限值諸如砂輪進(jìn)給加速度和跳動(dòng)、主軸箱速度和跳動(dòng)等數(shù)據(jù)。產(chǎn)生熱模型模塊所需要的三個(gè)主要參數(shù)為：
- Cr值——這種通過(guò)經(jīng)驗(yàn)得出的數(shù)值代表了砂輪的材料去除能力，與凸輪軸材料及砂輪材料和結(jié)合劑(立方氮化硼即CBN材質(zhì)，采用陶瓷結(jié)合劑的砂輪是當(dāng)前用于磨削凸輪軸最常用的砂輪)的類型有關(guān)。這些Cr值從機(jī)床力及功率測(cè)量值中推導(dǎo)出來(lái)�！癈”分量表示磨粒密度(磨料與結(jié)合劑之比)，“r”表示砂輪表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(刮痕寬度對(duì)刮痕深度)。
- 熱分配常數(shù)——這是進(jìn)入零件的熱能與冷卻液帶走的熱量之間的百分比。熱分配常數(shù)對(duì)油和水基冷卻液分別是不同的。
- 進(jìn)給增量——這是砂輪每刀切入凸角的深度(通常在砂輪/凸角接觸區(qū)最小的端部位置最小)，并且對(duì)粗加工和精加工分別不同。砂輪不是以螺旋方式逐漸進(jìn)給到增量深度，而是直接進(jìn)給到該增量值并且在整個(gè)凸角周圍將保持這個(gè)深度。該進(jìn)給增量一般對(duì)粗加工循環(huán)要大于精加工循環(huán)，并且它直接與材料去除率相關(guān)。
圖1：該曲線圖采用用于凸輪軸磨削的熱模型制作軟件生成。圖中顯示了凸角圓周在磨削過(guò)程中有可能發(fā)生熱損傷的位置。
圖2：此圖顯示了砂輪在凸角上切一刀時(shí)，產(chǎn)生的熱量、達(dá)到的深度、在凸角圓周上特定點(diǎn)的凸角表面情形。
溫度信息
熱模型產(chǎn)生的顏色曲線圖有兩種。一種顯示實(shí)際凸角形狀，帶有顯示在凸輪軸轉(zhuǎn)一圈時(shí)凸角表面下熱分布的色溫帶(見圖1)。朝凸角中心的溫度峰值表示產(chǎn)生問(wèn)題的區(qū)域。
另一個(gè)曲線圖以凸輪軸旋轉(zhuǎn)(單位：度)與表面深度之間的關(guān)系表示溫度分布。這種圖表示各種溫度在凸角圓周某特定點(diǎn)都達(dá)到什么樣的深度(圖2表示的是凸輪軸轉(zhuǎn)一圈時(shí)這種圖的一個(gè)實(shí)例)。
一般地，要繪制整個(gè)磨削循環(huán)以用于分析，包括粗加工和精加工(軟件可以制作凸輪軸最多轉(zhuǎn)20圈的模型)。由基準(zhǔn)數(shù)據(jù)表明加工過(guò)程應(yīng)該保持在什么樣的溫度水準(zhǔn)和穿透深度，具體情況依據(jù)凸輪軸材料而定。在評(píng)價(jià)了熱量和穿透深度后，可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)并確定精磨循環(huán)以確保去掉以前的任何熱損傷層。
對(duì)于帶凹入輪廓的凸輪軸，將對(duì)兩個(gè)磨削循環(huán)制作模型。一個(gè)模型將針對(duì)采用大直徑砂輪對(duì)整個(gè)凸角形狀的粗加工，另一個(gè)針對(duì)用小直徑(一般為凹入直徑的80%)砂輪對(duì)凹入輪廓進(jìn)行精加工和磨削。為了在一臺(tái)磨床上既完成粗加工又完成精加工過(guò)程，需要一臺(tái)帶有使用小砂輪的副主軸的機(jī)床。
不同工程專業(yè)之間的橋梁
凸輪軸磨削的熱模型制作可以幫助設(shè)計(jì)和制造工程師聯(lián)手形成優(yōu)化的凸輪軸設(shè)計(jì)和制造過(guò)程。制造工程師的主要關(guān)注點(diǎn)是生產(chǎn)率、生產(chǎn)量和質(zhì)量——即如何盡快加工出合格的零件。凸輪軸設(shè)計(jì)工程師必須根據(jù)凸輪軸負(fù)載情況而決定材料類型和凸角輪廓。冶金專業(yè)人士也可能參與這個(gè)過(guò)程，他主要關(guān)心剩余應(yīng)力以及在磨削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量。借助熱模型制作，制造工程師可以對(duì)新的凸輪軸設(shè)計(jì)制作模型，并向設(shè)計(jì)者和冶金專業(yè)人士報(bào)告該模型所預(yù)測(cè)的在磨削過(guò)程中將發(fā)生的現(xiàn)象，以及根據(jù)材料和設(shè)計(jì)這一點(diǎn)是否可以接受等。
熱模型制作還可以用作凸輪軸磨削過(guò)程的培訓(xùn)工具。例如，在開發(fā)這種模型制作軟件之前，人們一致認(rèn)為加工速度對(duì)凸角燒傷和裂紋具有最大的影響，這就是為什么通常它是要改變的第一變量。已經(jīng)確定，與砂輪特征和砂輪進(jìn)給增量深度相比，加工速度實(shí)際上是最不敏感的參數(shù)之一。
這種熱模型制作技術(shù)還可以用于幫助識(shí)別過(guò)程變量沒有改變卻開始出現(xiàn)磨削燒傷或裂紋的問(wèn)題。一個(gè)實(shí)例是有一個(gè)制造廠家意外地接到一批硬度值超出預(yù)計(jì)的凸輪軸。在似乎莫名其妙地發(fā)生問(wèn)題時(shí)，在聲稱已經(jīng)淬硬至60Rc的凸輪軸凸角上進(jìn)行熱模型制作。制作出來(lái)的模型表明不應(yīng)該發(fā)生處理問(wèn)題，因此接著進(jìn)行了材料硬度試驗(yàn)。這些試驗(yàn)揭示出新的一批凸輪軸實(shí)際硬度為65Rc。一旦測(cè)定這一點(diǎn)，又生成了第二個(gè)熱模型，并得出了針對(duì)一批硬度更高的凸輪軸新的加工速度。
曲軸曲拐磨削是應(yīng)用熱模型制作技術(shù)的另一個(gè)過(guò)程。熱模型制作還在同心直徑的無(wú)心磨削方面接受試驗(yàn)。與凸輪軸磨削一樣，這種模型制作能力不會(huì)完全消除測(cè)試磨削過(guò)程，但它確實(shí)提供了大大降低試驗(yàn)?zāi)ハ鞔螖?shù)并以更科學(xué)的方式開發(fā)優(yōu)化的凸角磨削過(guò)程的機(jī)會(huì)。
術(shù)語(yǔ):凸輪軸加工的有關(guān)定義
最新的凸輪軸設(shè)計(jì)在凸角的側(cè)面具有凹入輪廓。這些輪廓通常是在一臺(tái)采用副主軸的機(jī)床上加工的，副主軸使用比主主軸用于粗加工凸角輪廓的砂輪要小的砂輪。對(duì)粗加工及二次精加工/凹入輪廓磨削操作都生成熱模型。
- 升程(Lift)—隨動(dòng)件與凸輪凸角相接觸進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的總量。
- 端部(Nose)—凸輪軸的尖端，隨動(dòng)件升程最大處。
- 基圓(Basecircle)—凸角上將零升程傳遞給隨動(dòng)件的區(qū)域。
- 側(cè)面(Flank)—凸輪軸上引導(dǎo)至并離開凸輪軸端部的大致扁平部分。正是在該區(qū)域，砂輪和凸角的接觸面積達(dá)到最大，最可能發(fā)生磨床燒傷。
- NROC—負(fù)曲率半徑的縮寫，它是某曲軸側(cè)面中一個(gè)凹入的輪廓。該圓弧的中心位于凸角外側(cè)。
- 凹入輪廓(Re-entrantprofile)—NROC的另一個(gè)叫法。
- 加工速度(Workspeed)—凸輪軸在磨削中的自旋速度。
- 橫向進(jìn)給量(Infeed)—砂輪每刀進(jìn)入凸輪軸凸角的直線量(增量)。
- CBN—立方氮化硼的縮寫，它是凸輪軸磨削最常用的砂輪磨料。
- 轉(zhuǎn)拉(Turnbroaching)—粗加工凸角輪廓的一種工序，采用圓周帶許多刀片的大直徑切削輪在精磨前粗切凸角輪廓。
- 綠色磨削(Greengrinding)—從圓棒料上磨削凸角輪廓的過(guò)程。新的砂輪技術(shù)正使得該技術(shù)成為轉(zhuǎn)拉工藝的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。
- 接觸弧(Arcofcontact)—砂輪和凸輪軸凸角之間的接觸區(qū)。該接觸區(qū)對(duì)基圓、側(cè)面、NROC及端部各不相同。
- 當(dāng)量直徑(Equivalentdiameter)—表示接觸弧的一個(gè)值，從砂輪直徑以及不斷變化的加工(凸角)直徑中推導(dǎo)而來(lái)。
