研发人员先后到奇瑞、比亚迪、东安等汽车发动机主机厂进行考察和调研，收集了近百种凸轮轴的相关技术资料，对发动机凸轮轴的加工技术要求和工艺特性进行了分析和归类，根据不同种类和加工要求的凸轮轴精加工工序，研究凸轮轮廓型面及外圆磨削工艺的共性和特殊要求。针对凸轮轴传统加工工序多次定位、加工效率低、加工精度不高的现状，进行凸轮轴加工工序的优化组合。

凸轮轴的精密加工（磨削）工序的要素包括：①凸轮轮廓：包括外凸型轮廓型面，内凹型轮廓型面，扇形轮廓型面，单直线轮廓型面，偏心圆轮廓型面等；②外圆：包括轴颈圆，止推圆，齿轮安装圆柱面，轴承安装圆柱面等；③其他：包括带锥外圆，止推端面，凸轮倒角等。

综合考虑磨削效率、加工精度、加工柔性、工序复合以及机床经济性等要求，采用模块化设计理念，将各种磨削工序在机床上分解为四个功能模块，并按照用户需求和零件特点，进行不同的选配，从而可以通过增减功能模块，将凸轮磨削、凹面凸轮磨削、轴颈外圆磨削、锥面磨削、端面磨削的工序集成在一台或少量几台的机床上，通过一次定位，多个砂轮选择，来完成以上工序的高精度加工。

随动曲轴磨床研发的总体目标是利用前期数控专项课题成果，开展曲轴、凸轮轴磨床可靠性研究及关键部件使用寿命研究，开发相关磨削用户工艺软件、磨削技术支持软件和异型轮廓磨削软件。

MK8220/SD随动曲轴磨床，配置双砂轮架并能在一次装夹下实现曲轴主轴颈和连杆颈的外圆磨削（图2-20）。机床针对乘用车、货车动力总成厂的曲轴磨削加工进行了配置，适用于发动机曲轴生产线中四缸机、六缸机的曲轴磨削。为此，CBN砂轮技术和随动磨削技术已成为本机床的标准配置。X轴、Z轴运用了直线电机驱动技术，采用静压导轨，为随动磨削能提供高性能的动态特性；采用金刚滚轮修整陶瓷结合剂的CBN砂轮，自动曝光（automatic exposure，AE）监控自动修整，提高了加工效率。机床采用十字拖板移动式布局，减少了设备的占地面积；使用双砂轮架，在一次装夹下能同时磨削曲轴主轴颈和连杆颈，缩短了加工节拍；另外还配备了在线测量、自定心中心架、冷却液过滤装置和烟雾集尘装置等。

机床采用卧式布局，砂轮架拖板移动，双砂轮架形式，主要部件结构介绍如下。

图2-20　双砂轮主轴系统的设计方案

1）床身

床身是机床的安装底座，为了满足强度和硬度要求，床身由铸铁制成。机床床身上有床身导轨，与位于机床前侧的工作台安装面相平行（图2-21）。十字拖板可沿床身导轨横向移动，靠近工作台一侧的床身导轨安装面是导轨的标准面。机床床身不仅是机床所有主机械单元安装基座，也是机床防护板/门的安装基座。

图2-21　机床床身

床身结构装配体用于支撑头架、尾架与双十字托板，原有方案三维模型如图2-22所示，其材料为HT350（密度7.3×10-9 t/mm3，弹性模量145000 MPa，泊松比0.27），重量6.67 t。

图2-22　床身结构原有方案三维模型

通过对该模型进行模态分析，显示第一阶固有频率为110 Hz（模态振型如图2-23所示），不满足电机所提出的主要部件一阶频率不低于120 Hz的要求。

针对原有方案进行优化分析，优化三要素包括：优化目标为最小体积（重量）；设计变量即为设计区域；设计约束条件为一阶频率不低于120 Hz。床身非设计区域如图2-24所示。将各侧孔洞封闭起来作为设计区域，如图2-25所示。

图2-23　床身结构原有方案第一阶模态振型

图2-24　床身非设计区域

图2-25　床身设计区域

接下来划分网格，床身模态分析结果如图2-26所示，满足第一阶模态的要求。

图2-26　床身模态分析结果

分析优化结果可知，减小底部开孔可以提高低阶模态频率，为此，在充分考虑结构工艺性前提下可将底部开孔从方孔改为圆孔，床身结构改进示意图如图2-27所示。

图2-27　床身结构改进示意图

重新用Hypermesh划分网格，并导入Abaqus求解，床身结构优化结果如图2-28所示，其一阶频率就提高到了135.5 Hz，重量也仅增加了240 kg。

图2-28　床身结构优化结果

2）工作台

工作台位于机床前侧，通过螺栓和定位销安装在床身前侧被加工好的安装面上。其基准面与拖板导轨的基准面平行，保证工件轴芯与砂轮主轴轴芯对中。工作台提供刚性支撑，为头架、尾架、中心架、上下料托架、金刚滚轮修整器提供公用的底座（图2-29）。工作台顶部有两个高精度的平行平面和相邻高精度靠山面来保证安装以及直线导轨的平行度。头架、尾架等部件都安装在滑动块上，滑动块安装在直线导轨上，并可沿直线导轨轴向移动。头架和尾架中心（即加工轴线）靠近工作台的后侧，可以改善对工件的支撑，使加工轴线更靠近砂轮，相对远离工作台。这样，砂轮就更容易穿过加工轴线（过中心），在磨削曲轴连杆颈时还可以避免磨削产生的火花对工作台造成损坏。

图2-29　工作台及其支撑相关结构

1—头架移动油缸；2—固定式工作台；3—头架；4—头架卡盘；5—液压中心架；6—上下料托架；
7—金刚滚轮修整器；8—尾架直线导轨；9—尾架；10—头架直线导轨

3）头架

头架移动机构位于头架后侧，安装在工作台直线导轨安装面之上，保证头架主轴和砂轮主轴相互平行（图2-30），通过液压缸精确地移动头架，啮合工件，为磨削做准备以及在磨削循环结束后退回。头架运动及定位由安装在工作台末端的头架移动机构完成。

图2-30　头架

四爪卡盘安装面与头架主轴轴线相互垂直，通过定位销保证四爪卡盘的角度。头架前后端均安装了角接触球轴承，保证主轴绕中心线平滑无振动旋转。

伺服电机直接安装在头架主轴上，伺服电机的永磁转子安装在头架体壳，而其定子安装在头架主轴。主轴后侧安装圆光栅形成一个精确的闭环控制系统。

4）尾架

尾架安装在工作台直线导轨的滑块上，可沿直线导轨轴向移动（图2-31）。液压缸通过活塞杆与尾架体壳相连接，从而驱动尾架前进或后退，由安装在工作台前侧的编码器控制尾架位置。尾架顶尖通过侧边和底边两块垫片保证与头架顶尖对中。

5）砂轮架

本机床有两个完全相同的砂轮架（图2-32），位于十字拖板导轨上。砂轮架主轴系统采用电主轴。主轴电机由交流变频器控制转速并与数控系统相连，通过数控系统对砂轮直径的监测从而实现砂轮恒线速。

图2-31　尾架

图2-32　砂轮架

曲轴的切点跟踪过程对砂轮架进给提出了很高的要求，特别是在进给最大加速度方面，由此也对砂轮架结构轻量化设计提出了挑战。

所开发的数控曲轴磨床砂轮架采用直线电机驱动，最大加速度设计参数为5 m/s2（即0.5g），要求砂轮架总体最大重量在750 kg左右，如果超重则可能导致连杆颈磨削的严重超差。

在Altair Optistruct中对原有砂轮架装配体结构进行拓扑优化，为了减少计算量，对模型做了适当简化，砂轮架结构优化设置如图2-33所示，用质量点模拟砂轮轴系。根据优化三要素，优化设定主要包括：优化目标为最小体积（重量）；设计变量即为设计区域；设计约束条件为直线电机吸引力与重力作用下砂轮架体壳与直线电机连接处及与轴系连接处附近变形量不超过2μm，且一阶频率不低于120 Hz。图2-33砂轮架模型中的非设计区域和设计区域如图2-34所示。

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图2-33　砂轮架结构优化设置

图2-34　砂轮架有限元分析设计区域和非设计区域

根据砂轮架静压导轨的实际约束情况完成约束，分别约束右侧静压上表面Y、Z向位移，右侧侧面的X向位移，以及左侧静压上表面的Y、Z向位移。之后建立底面约束，包括直线电机连接面三点的位移，要求三点的总变形量不超过0.002 mm。约束还包括砂轮轴系连接面三点的位移，要求三点的位移总量同样不超过0.002 mm。

直接进行优化求解得到的结果如图2-35所示。从结果中可以看出砂轮架的中间所需肋板的数量，且肋板与砂轮轴系的连接面通过加强筋连接，增强了结构的刚性。

图2-35　砂轮架初步优化结果

结合曲轴磨床砂轮架的设计受力情况对优化结果进行分析，可以确定优化结果与实际预想结果是比较一致的，不过需要对结构工艺性做更进一步的优化分析。

从图2-35中可以看出结果对称性较差，因而增加左右两侧的对称约束，优化结果如图2-36所示。

图2-36　砂轮架添加对称性要求后的优化结果

优化结果保持了严格的对称要求，肋板与砂轮轴系连接面的加强筋由三处较小的位置变成两处较大的位置。

上述结果均与预期结果吻合，通过未施加对称约束优化设计结果及施加对称约束优化设计结果分析，基本确定了砂轮架结构优化的方向。

为了获得更理想的优化结果，将非设计区域直接设定为筒子形状，设计区域为其余部分，优化目标、各分析工况设计约束与初次优化分析一致，并从实际设计角度增加YZ平面对称约束，如图2-37所示。优化分析结果如图2-38所示。

从优化分析结果可以看出，需要在包壳式结构中增加三处加强筋，并在砂轮轴系与砂轮架连接位置再增加两条加强筋，可以很好地满足砂轮架的轻量化设计要求。

图2-37　砂轮架有限元模型增加约束

图2-38　增加约束后的砂轮架优化结果

将设计结果导出igs文件，并将其作为参考设计优化后的砂轮架结构，砂轮架体壳三维模型如图2-39所示，优化后的砂轮架体壳重量从450 kg减少到359 kg，减重比约为20%，重新对砂轮架装配体进行静力学分析与模态分析验证，结果显示均满足设计要求，砂轮架体壳结构模态分析结果如图2-40所示。

图2-39　优化后的砂轮架体壳结构

图2-40　优化后的砂轮架体壳结构模态分析结果

6）十字拖板

十字拖板位于机床床身导轨上，两个拖板互为镜像对称结构（图2-41），支撑砂轮架和横向定位。

十字拖板是静压油压支撑，静压油压在十字拖板上的静压腔和床身导轨之间的作用面上形成支撑力，使十字拖板在床身导轨上移动时没有摩擦力。导轨没有磨损并改善导轨的阻尼作用，从而降低振动。床身导轨通过伸缩式防护罩防止冷却液和空气污染物进入，在伸缩式防护罩之下还有皮老虎防护，完成对导轨的双重保护。

机床通过直线伺服电机来实现十字拖板横向移动和定位。永磁铁定子直接安装在床身导轨之间，电机动子安装在十字拖板的底侧。

十字拖板移动采用闭环伺服控制系统。在床身导轨的后侧安装了绝对值直线编码器（光栅尺），由此完成两个十字拖板的闭环反馈。

图2-41　十字托板

十字托板是数控曲轴磨床中的关键部件，其上层支撑并驱动砂轮架，下层由床身支撑并驱动，涉及两根垂直运动轴。

结合以往设计经验，设计人员设计了三种典型的十字托板方案，分别如图2-42a～c所示。

图2-42　三种典型的十字托板设计方案

分别对三种设计方案进行静力学分析、自由模态分析与约束模态分析，其中在静力学分析与约束模态分析中将静压导轨刚度等效为一定数量及刚度值的弹簧施加。部分分析结果如图2-43所示。

图2-43　十字托板方案对比分析部分结果图

分别对三种设计方案进行静力学分析与模态分析，并考虑铸件清砂等加工工艺性因素，三种方案对比见表2-4，确定采用倾斜筋板结构的十字托板结构。

表2-4　十字托板三种方案对比

7）中心架

中心架是通过底座直接安装在工作台台面上，位于头架和尾架之间（图2-44）。它在磨削过程中起支撑工件的作用，主要是通过中心架垫片把工件定位在加工轴线上。因此，即使轴颈尺寸发生变化，工件的定位也能保持不变。

图2-44　中心架

中心架由液压驱动，能够对工件提供全方位支持。中心架有三个支撑块，支撑块间相互连接，并与液压缸连接在一起；支撑块能从中心架内伸出支撑工件，也能够缩回到中心架里面。可以通过调整中心架顶部的两个精调螺栓调整支撑块使其与头尾架中心在同一条直线上。在中心架顶部还有润滑油管路接口，为中心架支撑块导轨提供润滑。每个支撑块的末端装有可互换的中心架垫片，垫片上有一小块的耐磨合金。中心架垫片是易损件之一，因此可能需要定期更换。

机床停机和不磨削时，中心架会保持在退回的位置即上下料位置，以保持尺寸测量仪远离工件。当循环开始、工件处于顶尖之间时，中心架向前进给协助卡盘将工件定位。在循环过程中，中心架一直支撑工件直到加工循环完成，然后后退。中心架的位置由于接近开关监测，一旦出现故障，报警信息会显示在操作面板上，并且机床循环会取消，阻止循环开始或机床停机。

8）金刚滚轮修整器

金刚滚轮修整器位于尾架右侧，直接安装在工作台台面上（图2-45）。其采用压缩空气密封方式，防止冷却液和空气污染物进入金刚滚轮修整器主轴。伺服电机控制金刚滚轮加减速和保持匀速旋转。

图2-45　金刚滚轮修整器

9）上下料托架

上下料托架位于中心架左右侧，安装在工作台台面上（图2-46），在工件磨削开始前以及结束后支撑工件。机械手将未磨削工件置于托架上，头、尾架向前顶住工件。左侧上下料托架上装有工件就位传感器，能检测工件是否到位并发信息。