曲軸復合車床隨動刀架動平衡分析及優化
2017-1-20 來源：武漢理工大學機電工程學院 作者：黃繼雄，晏少亞，趙黎明
摘要：曲軸復合車床采用隨動刀架對連桿頸進行隨動車削加工具有諸多優點，由于刀架在隨動車削時隨工件高速轉動，若設計不當或平衡不好時會產生較大的慣性力與慣性力矩，嚴重影響加工效率和加工精度。提出針對隨動刀架的一種新的動平衡配重方法，將刀架三維模型導入ADAMS仿真，并對平衡塊質量進行優化，取得了良好的動平衡效果，為刀架的動平衡設計提供了一種新方法。
關鍵詞：隨動刀架；動平衡；動力學仿真；優化
發動機曲軸連桿頸的傳統粗加工工藝具有以下特點：以連桿頸軸線為工件旋轉中心對其進行車削加工，導致整個曲軸的質心偏離旋轉中心軸線，從而產生較大的慣性力及慣性力矩。為避免因工件慣性力過大而導致工藝系統振動，一般設置切削速度為40～60r／min，僅為最佳切削速度的1／10，生產效率較低。而曲軸復合車削機床以曲軸主軸為工件旋轉中心，隨動刀架隨動切削的方式對連桿軸頸進行加工。理論上工件在旋轉過程中不存在慣性力，因此工作轉速范圍可達300～600 r／min.，是一種加工速度、效率、精度都比較高的切削加工設備。由于其隨動刀架為平行四邊形機構，當刀架高速工作時，屬于偏心旋轉，會產生很大的慣性力和慣性力矩，從而產生扎刀、沖擊載荷與振動等現象，降低刀架機構的傳動效率和縮短使用壽命，嚴重降低了曲軸連桿軸頸的加工精度。因此必須對刀架進行動平衡，消除或者減小刀架機構的慣性力和慣性力矩，從而減少刀架振動，保證工件的加工精度。
1.隨動車削加工原理
曲軸復合車床隨動刀架采用平行四邊形的形式，其曲柄的長度與加工曲軸連桿軸頸中心線偏心距一致[2]，連桿一端延伸部分安裝刀具。工作時，曲軸繞其主軸中心線高速旋轉，刀架的曲柄與曲軸的曲柄作同相位同轉速的旋轉運動：曲軸連桿軸頸相對于隨動刀架上的刀具作定軸轉動，轉動半徑為曲軸連桿軸頸半徑，從而實現對軸頸的車削。刀架加工原理簡圖如圖1所示。
圖1刀架機構加工原理圖
圖2普通鉸鏈四桿機構
由式(2)可確定平衡慣性力所需的配重參數。通過以上分析采用在前后曲柄兩端添加配重塊的方式對刀架機構進行慣性力、慣性力矩的平衡。設計曲柄為滑板形式可實現曲柄長度的調節，配重塊亦通過滑板連接。通過SolidWorks設計的平衡刀架三維模型見圖3。
圖3平衡刀架三維模型
刀架模型質量分布數據見表1，將表1中參數代入刀架平衡公式，可求得單塊配重塊質量為3．90 kg。
表l刀架模型質量分布參數
3.刀架動平衡優化
將平衡刀架三維模型以ParaSolid格式導入到ADAMS中¨]。為了降低仿真模型的復雜程度．不考慮螺栓的質量。統一將螺栓連接的兩構件通過布爾操作結合在一起，在其余各構件連接處添加約束關系，添加的約束見表2。
表2模型之間的約束
設計前曲柄的旋轉軸通過同步帶帶動后曲柄的旋轉軸實現驅動的傳遞，以減少沖擊。所以要另外創建1個由2個旋轉副組成的耦合副。創建約束后，將切削力載荷添加到連桿安裝車刀的一端，x方向切削力為790 N，Y方向為一2 900 N【8 J。刀架的轉動速度為600 r／min。創建設計變量DV一1，初始值為3．90 kg，在一定范圍內進行變化∽J。設置單塊配重塊質量關聯設計變量DV一1。由于慣性力平衡后，慣性力矩能同時平衡，且慣性力在x、】，方向變化規律相同，故以慣性力在x軸分量為優化對象，建立慣性力X軸分量測量函數。以單塊配重塊質量為優化變量，以慣性力x軸分量最大值最小為優化目標進行優化Ⅲ1?？紤]最大速度工況，在前曲柄與大地之間的旋轉副添加旋轉驅動，轉速設為3 600。／s，并設置仿真時間0．2 s、仿真步數100。虛擬樣機見圖4。
圖4刀架虛擬樣機
經過多次優化計算得到優化過程見圖5。從圖6可看出單塊配重塊質量對慣性力x分量最大值的影響，得到最優配重質量3．876 kg，此時慣性力x分量最大值為0．77 N。同理可得出慣性力y分量變化圖及慣性力矩變化圖。
圖6慣性力X分量最大值隨單塊配重塊質量變化圖
由圖7—9可看出慣性力x、y分量變化圖。圖10、11顯示慣性力矩變化圖。瞌線均呈現周期性變化，體現刀架旋轉運動的特點，也是刀架振動的原因。添加配重塊后慣性力x、y分量及慣性力矩最大值明顯減小，平衡效果顯著。
圖7未平衡前慣性力隨時間變化圖
優化的配重塊質量、理論計算配重塊質量與未加平衡質量的刀架慣性力及慣性力矩仿真結果見表3。
表3平衡效果表
通過表3可知添加配重塊的方法能大幅度減小慣性力及慣性力矩。在理論計算的基礎上，通過虛擬樣機技術對配重質量進行優化，得到最優配重，基本能消除慣性力及慣性力矩對刀架正常工作的影響。優化結果能明顯提高刀架運動的平穩性，從而可以有效減小機床振動與噪聲，提高曲軸加工效率與精度。
4.結束語
采用配重法對刀架慣性力及慣性力矩進行平衡，用SolidWorks設計平衡刀架模型后導入ADAMS對理論配重質量進行優化。通過仿真對比，不僅驗證了配重法可以大幅度減小刀架慣性力及慣性力矩，而且得到更優化的配重質量?；鞠藨T性力及慣性力矩，對刀架的動平衡設計有一定的指導意義，同時可為其他連桿機構的動平衡以及機床減振提供一種新的研究方法。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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