高精凸轮轴磨床砂轮架

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论文

I

摘 要

凸轮轴作为发动机配气机构的核心部件，是控制着整个进气和排气系统的核心组件。

凸轮轴的工作环境比较复杂，受到的载荷也经常变化，因此需要有很高的加工的精度和

表面质量。高速高精凸轮轴磨床是凸轮轴的工作母机，它的结构形式和特性将直接决定

所生产凸轮轴的质量。砂轮架是凸轮轴磨床关键的功能部件，起着凸轮轴磨削和径向进

给的功能，它的动力学特性和结构形式将直接影响凸轮轴磨削的加工精度和表面质量。

因此，研制开发数控凸轮轴磨床砂轮架，对其关键部件进行动静态分析及结构优化设计，

提高凸轮轴磨床砂轮架的整体性能，可以为我国自主研发凸轮轴磨床提供一定借鉴。

本文首先根据凸轮磨削工艺特点，建立了凸轮磨削加工的数学模型，计算了从动件

为滚子挺杆下凸轮轮廓轨迹方程和砂轮中心点的运动轨迹，得到了砂轮中心位移模型的

通用公式，继而对凸轮机构进行分析与动态仿真，直观的看到凸轮运动过程中从动件的

运动规律。

随后分析了单个磨粒磨削的磨削过程，建立磨削力模型，在此基础上完成了单个磨

粒外圆磨削仿真，分析了单个磨粒外圆磨削的磨削过程，以及砂轮线速度和磨削深度对

磨削力的影响。

然后本文针对凸轮轴磨削的特殊要求，对砂轮架的几个关键功能部件进行了结构设

计，采用了陶瓷结合剂 CBN 砂轮、液体动静压电主轴、直线电机和静压导轨、在线砂

轮修整技术和在线动平衡技术等，完成了对凸轮轴磨床砂轮架进行了总体结构设计。

后本文使用 ANSYS 有限元分析软件，对凸轮轴磨床砂轮架主轴和箱体进行了静

力学和动力学分析，完成了砂轮架关键部件强度校核，分析了主轴和箱体的固有频率和

主要振型，理论上验证了设计的合理性，有效的避开了共振区，然后对箱体进行了结构

优化设计，提高砂轮架刚性，降低振动对加工质量的影响。

关键词：凸轮轴磨削，磨削力，砂轮架，动静态分析，结构优化