凸轮轴磨削加工的恒温控制装置及方法
【专利摘要】本发明提供了一种凸轮轴磨削加工的恒温控制装置及方法，该装置包括功率测量模块，用于实时测量电机的功率，并将功率输出；恒温控制模块，用于接收功率测量模块输出的功率，并根据功率以及预设的恒温控制模型计算当前砂轮与凸轮轴接触区表面的最高温度；恒温控制模块，还用于将最高温度与预设的温度阈值比较，若判断获知最高温度高于或等于预设的温度阈值，则控制电机降低凸轮轴转速，并降低砂轮对凸轮轴的切深。本发明提供的装置能够调节实时调节加工温度使凸轮轴表面各处温度均处于最高允许温度值，避免凸轮轴磨削烧伤，提高加工效率，从而提高凸轮轴的质量，延长凸轮轴的使用寿命。
【专利说明】
凸轮轴磨削加工的恒温控制装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于零件加工技术领域，特别涉及一种凸轮轴磨削加工的恒温控制装置及 方法。
【背景技术】
[0002] 凸轮轴是汽车发动机配气机构中重要的零件，控制汽车发动机的气门开启与闭合 动作。由于凸轮轮廓属于异型曲面，所以加工工艺和方案也较为复杂，尤其是凸轮表面的加 工质量，直接决定了凸轮轴在发动机进气和排气工作循环中是否会产生气门与凸轮之间的 冲击和振动，从而影响汽车发动机在工作中的平稳性。而凸轮轴质量的好坏直接取决于凸 轮磨削加工质量的好坏。
[0003] 凸轮的廓线非常复杂，加工精度要求高，加工难度大，加工过程控制难度大。目前 凸轮磨削在很大程度上依赖于操作工的经验及直觉。虽然在已知机床动态约束及凸轮轮廓 的情况下，提供参数加工速度的计算机程序确实存在，然而，即使有计算机程序的支持依然 需要大量重复磨削实验来调整，而这些调整同样依赖于经验丰富的技术工。此外，在凸轮发 生磨削烧伤现象时，某些制造厂家选择降低砂轮单次进给量，还有其他一些厂家则选择降 低加工速度。虽然这种"单凭感觉"进行的变化会在一定程度上消除磨床烧伤现象，但会严 重影响加工效率。上述的这种基于工人经验进行加工方法，存在反馈不及时，加工效率低， 材料浪费率高等缺陷，不利于提高批量凸轮轴生产的加工质量稳定性和加工效率。
【发明内容】
[0004] 本发明是为了解决现有的凸轮轴加工方法仅凭操作人员的经验和直觉进行加工 而使得凸轮轴易出现磨削烧伤、加工效率较低等问题。
[0005] 为了达到上述目的，本发明提供了一种凸轮轴磨削加工的恒温控制方法及装置。
[0006] 第一方面，本发明提供了凸轮轴磨削加工的恒温控制装置，包括：
[0007] 功率测量模块，用于实时测量电机的功率，并将所述功率输出，其中，所述电机为 对凸轮轴进行磨削的砂轮电主轴的电机；
[0008] 恒温控制模块，用于接收所述功率测量模块输出的功率，并根据所述功率以及预 设的恒温控制模型计算当前砂轮与凸轮轴接触区表面的最高温度；
[0009] 所述恒温控制模块，还用于将所述最高温度与预设的温度阈值比较，若判断获知 所述最高温度高于或等于所述预设的温度阈值，则控制所述电机降低凸轮轴转速或减小砂 轮对凸轮轴的切深。
[0010] 优选地，
[0011] 所述恒温控制模块，还用于若判断获知所述最高温度低于所述预设的温度阈值， 则控制所述电机提高凸轮轴转速，并增大砂轮对凸轮轴的切深。
[0012] 优选地，
[0013] 所述恒温控制模块若判断所述功率大于需要修整的功率阈值时，控制所述电机停 止工作，并发出修整或者更换砂轮的报警指示。
[0014] 优选地，
[0015] 所述预设的恒温控制模型是通过下式实现的，具体为：
[0016]
[0017]其中，0m为当前砂轮与凸轮轴接触区表面的最高温度；γ为恒温控制模型温度修 正系数;P为所述电机当前的功率;b为凸轮轴的宽度;P为凸轮轴的材料密度;c为凸轮轴的 比热容;i为凸轮轴的角度;Li为每i度凸轮轴对应的接触弧长;V i为每i度凸轮轴的瞬时线速 度。
[0018] 优选地，
[0019] 所述每i度凸轮轴对应的接触弧长L1是通过下式实现的，具体为：
[0020]
[0021]其中，i为凸轮轴的角度;cU为砂轮的直径;cU为每i度所对应的凸轮轴的等效直径； ae为砂轮对凸轮轴的切深；
[0022] 所述每i度凸轮轴的瞬时线速度^是通过下式实现的，具体为：
[0023]
[0024] 其中，i为凸轮轴的角度;cU为每i度所对应的凸轮轴的等效直径;m为每i度凸轮轴 的瞬时转速。
[0025] 第二方面，本发明提供了凸轮轴磨削加工的恒温控制方法，包括：
[0026] 功率测量模块实时测量电机的功率，并将所述功率输出，其中，所述电机对凸轮轴 进行磨削的砂轮电主轴的电机；
[0027] 恒温控制模块接收所述功率测量模块输出的功率，并根据所述功率以及预设的恒 温控制模型计算当前砂轮与凸轮轴接触区表面的最高温度；
[0028] 所述恒温控制模块将所述最高温度与预设的温度阈值比较，若判断获知所述最高 温度高于或等于所述预设的温度阈值，则控制所述电机降低凸轮轴转速或减小砂轮对凸轮 轴的切深。
[0029]优选地，所述方法还包括：
[0030] 所述恒温控制模块若判断获知所述最高温度低于所述预设的温度阈值，则控制所 述电机降低凸轮轴转速，并增大砂轮对凸轮轴的切深。
[0031] 优选地，所述方法还包括：
[0032] 所述恒温控制模块若判断所述功率大于需要修整的功率阈值时，控制所述电机停 止工作，并发出修整或者更换砂轮的报警指示。
[0033] 优选地，所述预设的恒温控制模型是通过下式实现的，具体为：
[0034]
[0035] 其中，0m为当前砂轮与凸轮轴接触区表面的最高温度；γ为恒温控制模型温度修 正系数;P为所述电机当前的功率;b为凸轮轴的宽度;P为凸轮轴的材料密度;C为凸轮轴的 比热容;i为凸轮轴的角度;Li为每i度凸轮轴对应的接触弧长;Vi为每i度凸轮轴的瞬时线速 度。
[0036] 优选地，所述每i度凸轮轴对应的接触弧长L1是通过下式实现的，具体为：
[0037]
[0038]其中，i为凸轮轴的角度;cU为砂轮的直径;cU为每i度所对应的凸轮轴的等效直径； ae为砂轮对凸轮轴的切深；
[0039] 所述每i度凸轮轴的瞬时线速度^是通过下式实现的，具体为：
[0040]
[0041] 其中，i为凸轮轴的角度;Cli为每i度所对应的凸轮轴的等效直径;m为每i度凸轮轴 的瞬时转速。
[0042] 本发明提供的凸轮轴磨削加工的恒温控制装置中，功率测量模块对电机的功率进 行实时测量并将结果输出至恒温控制模块，恒温控制模块根据功率计算当前凸轮轴接触面 的最高温度并与温度阈值作比较，并根据比较结果调节实时调节加工温度使凸轮轴表面各 处温度均处于最高允许温度值，这样不仅能够避免凸轮轴磨削烧伤，还能提高加工效率，从 而提高凸轮轴的质量，延长凸轮轴的使用寿命。
【附图说明】
[0043] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述 中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些 示例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图 获得其他的附图。
[0044] 图1是本发明提供的凸轮轴磨削加工的恒温控制装置的实施例结构示意图；
[0045] 图2是本发明提供的三角形分布热源模型示意图；
[0046] 图3是本发明提供的凸轮轴切入磨的几何关系示意图；
[0047] 图4是本发明提供的磨削加工后凸轮升程维氏硬度对比图；
[0048] 图5是本发明提供的磨削加工后凸轮升程表面粗糙度对比图；
[0049] 图6是本发明提供的凸轮轴磨削加工的恒温控制方法的实施例流程图。
【具体实施方式】
[0050] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实 施例，都属于本发明保护的范围。
[0051] 第一方面，本发明提供了一种凸轮轴磨削加工的恒温控制装置的实施例，如图1所 示，包括：
[0052] 功率测量模块101，用于实时测量电机的功率，并将功率输出，其中，电机为驱动的 凸轮轴进行旋转并驱动砂轮对凸轮轴进行磨削的电机；
[0053]恒温控制模块102,用于接收功率测量模块输出的功率，并根据功率以及预设的恒 温控制模型计算当前砂轮与凸轮轴接触区表面的最高温度；
[0054]恒温控制模块102,还用于将最高温度与预设的温度阈值比较，若判断获知最高温 度高于或等于预设的温度阈值，则控制电机降低凸轮轴转速或者降低砂轮对凸轮轴的切 深。
[0055] 本发明实施例提供的凸轮轴磨削加工的恒温控制装置中，功率测量模块对电机的 功率进行实时测量在输出至恒温控制模块，恒温控制模块根据功率计算当前凸轮轴接触面 的最高温度并与温度阈值作比较，并根据比较结果调节实时调节加工温度使凸轮轴表面各 处温度均处于最高允许温度值，这样不仅能够避免凸轮轴磨削烧伤，还能提高加工效率，从 而提高凸轮轴的质量，延长凸轮轴的使用寿命。
[0056] 在具体实施时，恒温控制模块102,还用于若判断获知所述最高温度低于所述预设 的温度阈值，则控制所述电机提高凸轮轴转速或者增大砂轮对凸轮轴的切深。也就是说，当 凸轮轴表面的温度还未达到最高允许的温度值(也即温度阈值)时，可以通过提高凸轮轴转 速或者切深从而提尚加工效率。
[0057] 在具体实施时，为了能在砂轮出现磨损后，及时进行修整或者更换砂轮，恒温控制 模块，还用于若判断获知所述功率超过需要修整的功率阈值时，控制所述电机停止工作，并 发出修整或者更换砂轮的报警指示。操作人员在接收到这样的提示后将砂轮进行修整或者 更换后再继续加工，从而避免过度修整造成的浪费以及修整或者更换不及时造成的加工质 量下降的问题。
[0058]在具体实施时，这里的预设的恒温控制模型可以通过多种方式实施，下面对其中 一种实现方式进行具体说明：
[0059] 预设的恒淵棹制樽塑可以通过式（1)实现，具体为：
[0060]
(1)
[0061] 式（1)中，0m为当前砂轮与凸轮轴接触区表面的最高温度；γ为恒温控制模型温度 修正系数;P为所述电机当前的功率;b为凸轮轴的宽度;P为凸轮轴的材料密度;c为凸轮轴 的比热容;i为凸轮轴的角度;L i为每i度凸轮轴对应的接触弧长;Vi为每i度凸轮轴的瞬时线 速度。
[0062] 其中，这里的恒温控制模型温度修正系数γ是根据实验实测数据得到的；凸轮轴 的宽度b、凸轮轴的材料密度P以及凸轮轴的比热容c均为凸轮轴的自身属性，可在加工前由 操作人员手动输入至恒温控制模块中。
[0063] 下面对其预设的恒温控制模型的具体推导过程进行详细说明。
[0064] 凸轮表面的温度分布符合如图2所示的三角形分布热源模型。如图2所示，沿着磨 削区，磨肩厚度是不均匀的，大约在磨削区前方有最大值，而在尾部接近〇,因此在磨削区的 一个三角形热流分布是更合理的。对于在BC上三角形热分布的假设，在时间τ的瞬时d T1(Te < T1 do)，从BC发射的越过D(x，0)点的瞬时热流是6 '从这个时间到τ〇的 1 O 时间间隔等于:T = TQ-Tic3
[0065] 一个半无限大固体的BC表面附近D点的温度升高能用方程类似的方法计算，具体 如式(2)所示：
[0066]
⑵
[0067]上式通过若干积分而被求解：
[0068]接触区表面上的温升为Z = 0。
[0069]
止，得到当前砂轮与凸轮轴接触区表面 的最高温度为式(1)所示。
[0070] 在具体实施时，式（1)中的每i度凸轮轴对应的接触弧长L1可以根据图3示出的凸 轮轴切入磨的几何关系示意图得到，具体为：
[0071]
(3):
[0072] 其中，i为凸轮轴的角度;cU为砂轮的直径;cU为每i度所对应的凸轮轴的等效直径； ae为砂轮对凸轮轴的切深。
[0073] 式（1)中的每i度凸轮轴的瞬时线速度^通用可以根据图3示出的凸轮轴切入磨的 几何关系示意图得到，具体为： 剛 = (4)
[0075] 其中，i为凸轮轴的角度;cU为每i度所对应的凸轮轴的等效直径;m为每i度凸轮轴 的瞬时转速。
[0076] 需要说明的是，上述实施例中的举例说明只是为了便于更好地理解本发明实施例 提供的方法，并不能构成对本发明的具体限定。且上述的各个优选实施方式之间不会相互 影响，各个优选实施方式之间的任意组合所得到的方案均应该落入本发明的保护范围。
[0077] 此外，为了体现本发明的优越性，下面特将本发明实施例提供的加工装置与现有 的加工装置进行对比。具体地，取16个凸轮将其均等的分为A、B两组。A组采用恒温控制进行 加工，B组根据经验进行加工。得出如下实验结果，如图4、5所示:A组实验比B组实验时间节 约将近三分之一;A组实验凸轮未烧伤，B组实验凸轮烧伤达到75% ;A组实验凸轮表面硬度 平均值比B组实验凸轮表面硬度平均值高74.713HV;A组实验凸轮表面粗糙度平均值比B组 实验凸轮表面粗糙度平均值低〇.〇917μπι。可以看出，本发明提供的加工装置能够在防止凸 轮轴烧伤的前提下有效提高加工效率和加工质量。
[0078] 第二方面，本发明提供了一种凸轮轴磨削加工的恒温控制方法的实施例，如图6所 示，包括：
[0079] S601、功率测量模块实时测量电机的功率，并将所述功率输出，其中，所述电机为 对凸轮轴进行磨削的砂轮电主轴的电机；
[0080] S602、恒温控制模块接收所述功率测量模块输出的功率，并根据所述功率以及预 设的恒温控制模型计算当前砂轮与凸轮轴接触区表面的最高温度；
[0081] S603、所述恒温控制模块将所述最高温度与预设的温度阈值比较，若判断获知所 述最高温度高于或等于所述预设的温度阈值，则控制所述电机降低凸轮轴转速或者减小砂 轮对凸轮轴的切深。
[0082]在具体实施时，所述方法还包括：
[0083]所述恒温控制模块若判断获知所述最高温度低于所述预设的温度阈值，则控制所 述电机提高凸轮轴转速，或者增大砂轮对凸轮轴的切深。
[0084]在具体实施时，所述方法还包括：
[0085] 所述恒温控制模块若判断所述功率大于需要修整的功率阈值时，控制所述电机停 止工作，并发出修整或者更换砂轮的报警指示。
[0086] 在具体实施时，所述预设的恒温控制模型是通过下式实现的，具体为：
[0087]
[0088] 其中，0m为当前砂轮与凸轮轴接触区表面的最高温度；γ为恒温控制模型温度修 正系数;P为所述电机当前的功率;b为凸轮轴的宽度;P为凸轮轴的材料密度;c为凸轮轴的 比热容;i为凸轮轴的角度;L i为每i度凸轮轴对应的接触弧长;Vi为每i度凸轮轴的瞬时线速 度。
[0089] 在具体实施时，所述每i度凸轮轴对应的接触弧长L1是通过下式实现的，具体为：
[0090]
[0091]其中，i为凸轮轴的角度;cU为砂轮的直径;cU为每i度所对应的凸轮轴的等效直径； ae为砂轮对凸轮轴的切深；
[0092] 所述每i度凸轮轴的瞬时线速度^是通过下式实现的，具体为：
[0093]
[0094] 其中，i为凸轮轴的角度;cU为每i度所对应的凸轮轴的等效直径;m为每i度凸轮轴 的瞬时转速。
[0095]由于在第一方面中已经对凸轮轴磨削加工的恒温控制装置的结构以及工作原理 进行了详细介绍，为节约篇幅，在此不再对方法的具体步骤进行赘述。
[0096] 应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领 域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中， 不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词"包含"不排除存在未 列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词"一"或"一个"不排除存在多个这样的 元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实 现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项 来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名 称。
[0097]最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽管 参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可 以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换； 而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和 范围。
【主权项】
1. 一种凸轮轴磨削加工的恒溫控制装置，其特征在于，包括： 功率测量模块，用于实时测量电机的功率，并将所述功率输出，其中，所述电机为对凸 轮轴进行磨削的砂轮电主轴的电机； 恒溫控制模块，用于接收所述功率测量模块输出的功率，并根据所述功率W及预设的 恒溫控制模型计算当前砂轮与凸轮轴接触区表面的最高溫度； 所述恒溫控制模块，还用于将所述最高溫度与预设的溫度阔值比较，若判断获知所述 最高溫度高于或等于所述预设的溫度阔值，则控制所述电机降低凸轮轴转速或减小砂轮对 凸轮轴的切深。2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于， 所述恒溫控制模块，还用于若判断获知所述最高溫度低于所述预设的溫度阔值，则控 制所述电机提高凸轮轴转速，并增大砂轮对凸轮轴的切深。3. 如权利要求1所述的装置，其特征在于， 所述恒溫控制模块，还用于若判断获知所述功率大于需要修整的功率阔值，控制所述 电机停止工作，并发出更换砂轮的报警指示。4. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预设的恒溫控制模型是通过下式实现 的，具体为：其中，θη为当前砂轮与凸轮轴接触区表面的最高溫度；丫为恒溫控制模型溫度修正系 数;Ρ为所述电机当前的功率;b为凸轮轴的宽度;Ρ为凸轮轴的材料密度;C为凸轮轴的比热 容;i为凸轮轴的角度;Li为每i度凸轮轴对应的接触弧长;Vi为每i度凸轮轴的瞬时线速度。5. 如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述每i度凸轮轴对应的接触弧长以是通过下 式实现的，具体为：其中，i为凸轮轴的角度;ds为砂轮的直径;di为每i度所对应的凸轮轴的等效直径;ae为 砂轮对凸轮轴的切深； 所述每i度凸轮轴的瞬时线速度VI是通过下式实现的，具体为：其中，i为凸轮轴的角度;di为每i度所对应的凸轮轴的等效直径;m为每i度凸轮轴的瞬 时转速。6. -种凸轮轴磨削加工的恒溫控制方法，其特征在于，包括： 功率测量模块实时测量电机的功率，并将所述功率输出，其中，所述电机为对凸轮轴进 行磨削的砂轮电主轴的电机； 恒溫控制模块接收所述功率测量模块输出的功率，并根据所述功率W及预设的恒溫控 制模型计算当前砂轮与凸轮轴接触区表面的最高溫度； 所述恒溫控制模块将所述最高溫度与预设的溫度阔值比较，若判断获知所述最高溫度 高于或等于所述预设的溫度阔值，则控制所述电机降低凸轮轴转速，并降低砂轮对凸轮轴 的切深。7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括： 所述恒溫控制模块若判断获知所述最高溫度低于所述预设的溫度阔值，则控制所述电 机提高凸轮轴转速，并增大砂轮对凸轮轴的切深。8. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括： 所述恒溫控制模块若判断所述功率大于需要修整的功率阔值时，控制所述电机停止工 作，并发出修整或者更换砂轮的报警指示。9. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预设的恒溫控制模型是通过下式实现 的，具体为：其中，θη为当前砂轮与凸轮轴接触区表面的最高溫度；丫为恒溫控制模型溫度修正系 数;Ρ为所述电机当前的功率;b为凸轮轴的宽度;Ρ为凸轮轴的材料密度;C为凸轮轴的比热 容;i为凸轮轴的角度;Li为每i度凸轮轴对应的接触弧长;Vi为每i度凸轮轴的瞬时线速度。10. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述每i度凸轮轴对应的接触弧长以是通过 下式实现的，具体为：其中，i为凸轮轴的角度;ds为砂轮的直径;di为每i度所对应的凸轮轴的等效直径;ae为 砂轮对凸轮轴的切深； 所述每i度凸轮轴的瞬时线速度VI是通过下式实现的，具体为：其中，i为凸轮轴的角度;di为每i度所对应的凸轮轴的等效直径;m为每i度凸轮轴的瞬 时转速。
【文档编号】G05D23/20GK105843283SQ201610323890
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】彭思为, 谢桂芝, 吕贵民, 金滩, 吴耀, 尚振涛, 卢安舸
【申请人】湖南大学