華 中 科 技 大 學 碩 士 學 位 論文

I

摘 要

凸輪軸作為發動機配氣機構的核心部件，是控制著整個進氣和排氣系統的核心組件。

凸輪軸的工作環境比較復雜，受到的載荷也經常變化，因此需要有很高的加工的精度和

表面質量。高速高精凸輪軸磨床是凸輪軸的工作母機，它的結構形式和特性將直接決定

所生產凸輪軸的質量。砂輪架是凸輪軸磨床關鍵的功能部件，起著凸輪軸磨削和徑向進

給的功能，它的動力學特性和結構形式將直接影響凸輪軸磨削的加工精度和表面質量。

因此，研制開發數控凸輪軸磨床砂輪架，對其關鍵部件進行動靜態分析及結構優化設計，

提高凸輪軸磨床砂輪架的整體性能，可以為我國自主研發凸輪軸磨床提供一定借鑒。

本文首先根據凸輪磨削工藝特點，建立了凸輪磨削加工的數學模型，計算了從動件

為滾子挺桿下凸輪輪廓軌跡方程和砂輪中心點的運動軌跡，得到了砂輪中心位移模型的

通用公式，繼而對凸輪機構進行分析與動態仿真，直觀的看到凸輪運動過程中從動件的

運動規律。

隨后分析了單個磨粒磨削的磨削過程，建立磨削力模型，在此基礎上完成了單個磨

粒外圓磨削仿真，分析了單個磨粒外圓磨削的磨削過程，以及砂輪線速度和磨削深度對

磨削力的影響。

然后本文針對凸輪軸磨削的特殊要求，對砂輪架的幾個關鍵功能部件進行了結構設

計，采用了陶瓷結合劑 CBN 砂輪、液體動靜壓電主軸、直線電機和靜壓導軌、在線砂

輪修整技術和在線動平衡技術等，完成了對凸輪軸磨床砂輪架進行了總體結構設計。

后本文使用 ANSYS 有限元分析軟件，對凸輪軸磨床砂輪架主軸和箱體進行了靜

力學和動力學分析，完成了砂輪架關鍵部件強度校核，分析了主軸和箱體的固有頻率和

主要振型，理論上驗證了設計的合理性，有效的避開了共振區，然后對箱體進行了結構

優化設計，提高砂輪架剛性，降低振動對加工質量的影響。

關鍵詞：凸輪軸磨削，磨削力，砂輪架，動靜態分析，結構優化