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摘要：本文以曲轴磨削加工为研究对象，为了能够提升在实际加工过程中曲轴轴径直径的合格率及表面质量，笔者从加工工艺过程进行分析，探究了在磨削加工曲轴过程中，影响轴颈直径的工艺因素。通过分析轴径直径模型，探索出加工工艺参数与加工精确度之间的关联，计算出最佳节点。
关键词：轴径直径；磨削加工工艺；动力学模型；多目标优化；网格寻优算法
前言：曲轴作为汽车发动机的核心零件，曲轴轴颈直径的超差或者表面粗超度不合格将引起发动机工作时振动增大，影响整车NVH表现，导致油耗增加。严重时，可能造成曲轴抱死，连带其他相关零件损坏，造成严重的经济损失，并引发安全事故。
曲轴轴径直径的磨削加工过程所包含较多的工艺参数设计，对于加工的设备，其自身体积较为庞大，所涉及到的系统较多，而在生产过程中要求磨床具有较高的精确度与生产效率，设计出高质量、高稳定性的磨削工艺，已成为提升曲轴磨削加工水平提升的主要研究方向。国内目前对于曲轴轴颈直径加工影响因素的研究文献较为有限。本文通过建立加工过程中非线性动力学模型与加工工艺参数优化模型，结合被加工轴表面缺陷检查方法，采用加工工艺参数寻优算法，浅析了磨削加工中影响轴颈直径及轴颈表面质量的因素，并提出了改善的建议。
图一：磨床结构图
1、加工过程中非线性动力学模型的建立与验证
曲轴轴径直径在实际加工过程中，主要受到两个因素影响，首先就是轴径直径摆动幅度要是较高的情况下，部分加工原材料就会进超过刀刃运动轨迹之外；其次车削厚度与车削刀之间具有一定依赖性。正是由于轴径直径所具有的这两个非线性因素，在进行轴径直径结构简化过程中，需要构建非线性动力学模型。
轴径直径在实际加工过程中，会受到较多因素的影响，进而产生车削波动，车削在动力过程中应力将会显著提升[1]。
图二：非线性动力学模型
2、加工工艺参数优化模型的建立
本文研究对象为曲轴轴径直径，通过创建多目标数学优化模型的方法，对于轴径直径多目标进行优化设计，保证加工参数设置合理。加工工艺参数优化模型的建立过程中，步骤以下：
2.1决策变量及其约束范围的确定
轴径直径在实际的磨削加工过程中，所受到加工工艺参数影响主要有三个，分别是主轴转速、进给速度与磨削速度。轴径直径在加工过程中，任何加工工艺都需要控制在一定范围之内，其中最为重要的一个加工参数就是加工尺寸精度。加工尺寸精度虽然从理论上而言越高越好，但是由于涉及到经济成本及生产效率等等因素的影响，所以只需要将加工尺寸精度控制在合理范围内即可。在对于轴径直径加工精度分析上面，最为重要的一个衡量因素就是表面粗糙度，表面粗造度对于加工精度持久性及安装等等方面都具有重要作用，所以在加工过程中也需要控制在一个范围之内[2]。
与此同时，轴径直径在加工中，由于自身性质的影响，将会出现一定振动，对于加工质量将会造成严重影响，因此在构建优化模型过程中，需要将轴径直径自身振动因素考虑在内，在对于轴径直径振动因素考虑过程中，可以通过动力学模型进行模拟。例如，在磨削深度上面，要是有关参数保持不变的情况下，仅仅对于磨削深度数值进行改变，就能够得到针对性的振动示意图，主轴转速与速度在保持固定的情况下，磨削深度只要超过3mm，轴径直径在加工过程中就会出现振动情况。
图三：振动示意图
2.2多目标数学优化模型的建立
轴径直径在建立多目标数学优化模型（图四）中，要是仅仅将加工精度与表面粗糙度进行考虑，多目标数学优化模型会具有一定漏洞，所以还需要将生产成本及生产效率考虑在内，满足轴径直径加工实际需求。
在构建目标函数过程中，不应该将单个函数分离计算，应该将每一个函数构建权系数，然后创建优化模型。权系数在确定过程中，本文加工的是理想点法，通过计算出每一个函数的最小数值，然后将让目标函数与最小值无限接近，最后获得权系数数值。
图四：优化模型示意图
3、被加工轴面缺陷检查
曲轴磨削实际上就是工件和刀具相互作用流程，要是将工件及刀具之间连续磨削划分为多个阶段，实体工件减去部位和刀具重叠位置，也就是工件表面，也被称之为包络面。按照上述原理，工件毛坯和刀具在构建三维实体模型内，主要按照刀具和工件实际加工及关系定位，通过系列加工位置手段，借助布尔减运算手段开展刀具实体和工件实体，这样也就完成产品生产历程。
摆线轴锥轴径成形生产工艺流程，实际上就是被加工轴面和产形轴面啮合，进而实体模型在构建内需要分两种类别，分别为产形轴三维实体模型及轴径轴坯实体模型，然后借助产形轴啮合轴坯情况，通过布尔运算手段，构建被加工轴径轴面具体模型。
3.1轴槽留埂检验
外刀刃运动轨迹由产形轴凸轴面构成，内刀刃运动轨迹由产形轴凹轴面构成，产形轴在构建内，主要是内外刀刃运动轨迹。沿轴线在构造拉伸造型内，主要借助刀轴法截形实现。标准轴径在生产加工阶段内，产形轴分度平面在构建内，必须保证轴槽宽度及内轴厚度相吻合，保证轴槽宽度科学合理。变位轴径切向生产加工阶段内，小轴径在生产加工内采取正变位手段，也就是小轴径切向变位轴径厚度必须超过2cm。所以，产形轴分度平面在设置内，弧轴面厚度应该与圆心角相对应，中园应该与弧轴面厚度相对应。凸半轴实体模型在构建内，以外刀截形拉伸构成，按照相对应轴线采取逆时针形式旋转获取截面。截面在旋转完毕之后，所得到的凹凸半轴实体必须经过布尔计算方法，进而才可以获取产形轴实体，具体如图五所示。
图五：产形轴示意图
产形轴在生产完毕之后，凹凸半轴在出现裂缝问题之后，轴槽在生产加工内就会出现留埂问题。
3.2轴面缺陷检查
小轴坯实体在构造内，所采取的方法和大轴坯构造方法相吻合，根据小轴径在加工机床实际生产安装位置，合理设置产形轴面及轴坯。小轴径在生产加工内，产形轴按照轴线顺时针旋转到一定角度情况下，轴坯也应该按照轴线逆时针转变到针对角度，保证小轴径和产形轴传动比科学合理。
借助大轴坯及小轴坯之间对应关联，轴坯及轴面在开始啮合一直到最终脱离啮合情况下，还可以分为若干个步骤，在每一个啮合阶段内，都可以加工产形轴和小轴径坯啮合形式，开展实体干涉检验工作，然后在借助干涉实体和小轴径轴坯开展布尔减运算，也就是曲轴零件实际生产加工内曲轴磨削阶段，一直计算到小轴径和产形轴相互接触脱离之外。小轴径轴坯在这种生产加工形式内，容易出现切制轴槽。
小轴径轴坯和带轴槽轴坯在开展布尔减运算之后，就可以获取相对应小轴径轴槽实体模型，直观了解小轴径轴槽形状。轴槽实体在复制之后，可以发现轴槽端面实际形状及轴廓，一旦小轴径轴廓没有出现曲率突变问题之后，也就是小轴径没有尖点问题，这也就表示小轴径尚未彻底磨削处理。
小轴径轴槽侧面要是十分光滑，这也就表示小轴径轴面没有刮伤问题。一旦小轴径轴槽出现凸点，就表示轴面出现刮伤问题。小轴径轴槽底面十分光滑，也就表示小轴径轴槽并未存在留埂问题，要是轴槽底面出现凹陷或者是凸显问题，这也就标示小轴径轴槽非常容易出现留埂问题[2]。
4、加工工艺参数寻优算法
轴径直径在磨削生产建设过程中，零件体积较大，加工工艺参数在调整过程中幅度较大，同时加工参数在调整过程中间隔较大，要是加工高级算法，智能算法所具有的优势将难以充分发挥出来，同时高级算法步骤较为繁琐，时间较长，所以就需要加工离散变量网格寻优算法。该算法也被称之为穷举法。寻优思想主要是根据区域均匀划分，通过计算网格内函数数值，计算出最小的数值，具体计算公式为：
网格界点每一个变量设置过程中，每一个步骤都需要仔细检查，要是循环变量发生改变之后，整个循环都会发生改变。正常情况下，循环思想步骤为：
4.1确定查点
在对于差点确定过程中，要是发现差点属于不可行点，就需要对该点周围点进行检查，要是之后的点还是不可行的，就需要隔离三个点重新进行检测，直接计算到最后某一点为可行性点之后[3]。
4.2边界条件
在对于边界条件连续性分析过程中，主要是从第二层变量开始分析，在第n个层内变量作为参照点，对于可行点分布情况进行确定，这样就能够对于不可行点进行最大程度检验。
在极点确认之后，所计算出来的极点也不一定是最好的，为了能够防止这种事情产生，需要在网格划分上面确定迭代点，通过迭代点设置之后，能够在网格内最优点进行计算。在迭代过程中，通过网格寻找到新的迭代点，逐渐对于网格进行优化，网格节点之间的精度确定过程中，保证网格节点精度符合有关要求即可。最后就是对于每一个迭代点进行最优化确定，在整个阶段内都找到最佳节点[4]。
结论：轴径直径磨削加工工艺参数在优化过程中，所包含的加工参数优化范围主要表现在四个方面，分别是无约束与约束优化、单目标与多目标优化、单刃与多刃优化、单刀具与多刀具优化。轴径直径在磨削生产过程中，所涉及到的函数及限制条件较多，在对于加工参数与限制条件确定过程中，需要根据实际情况进行选择，进而保证轴径直径磨削加工参数与生产需求相吻合。本文对于曲轴磨削加工中影响轴径直径影响因素进行分析研究中，还存在一定不足，仅供参考。
参考文献：
[1]何彦,林申龙,王禹林,李育锋,王立祥.轴径直径多能量源的动态能耗建模与仿真方法[J].机械工程学报,2015,11:123-132.
[2]高峰,郭为忠,宋清玉,杜凤山.重型制造装备国内外研究与发展[J].机械工程学报,2010,19:92-107.
[3]李聪波,肖溱鸽,李丽,张孝峰.基于田口法和响应面法的数控铣削工艺参数能效影响因素[J].计算机集成制造系统,2015,12:3182-3191.
[4]阴艳超,吴磊.基于过程集成优化的复杂曲面数控铣削性能分析[J].计算机集成制造系统,2016,04:1012-1020.
[5]黄华,张树有,刘晓健,何再兴.基于动力学不确定性的重型磨削工艺参数优化[J].振动.测试与诊断,2016,05:907-914+1024.
论文作者:黎沙、唐龙
论文发表刊物:《科技新时代》2018年6期
论文发表时间:2018/8/13
标签：加工论文; 磨削论文; 过程中论文; 曲轴论文; 模型论文; 参数论文; 实体论文; 《科技新时代》2018年6期论文;