曲軸復(fù)合車床隨動刀架動平衡分析及優(yōu)化
2017-1-20 來源：武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院 作者：黃繼雄，晏少亞，趙黎明
摘要：曲軸復(fù)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(yōu)點，由于刀架在隨動車削時隨工件高速轉(zhuǎn)動，若設(shè)計不當(dāng)或平衡不好時會產(chǎn)生較大的慣性力與慣性力矩，嚴(yán)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(dǎo)入ADAMS仿真，并對平衡塊質(zhì)量進行優(yōu)化，取得了良好的動平衡效果，為刀架的動平衡設(shè)計提供了一種新方法。
關(guān)鍵詞：隨動刀架；動平衡；動力學(xué)仿真；優(yōu)化
發(fā)動機曲軸連桿頸的傳統(tǒng)粗加工工藝具有以下特點：以連桿頸軸線為工件旋轉(zhuǎn)中心對其進行車削加工，導(dǎo)致整個曲軸的質(zhì)心偏離旋轉(zhuǎn)中心軸線，從而產(chǎn)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(dǎo)致工藝系統(tǒng)振動，一般設(shè)置切削速度為40～60r／min，僅為最佳切削速度的1／10，生產(chǎn)效率較低。而曲軸復(fù)合車削機床以曲軸主軸為工件旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)過程中不存在慣性力，因此工作轉(zhuǎn)速范圍可達(dá)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(shè)備。由于其隨動刀架為平行四邊形機構(gòu)，當(dāng)?shù)都芨咚俟ぷ鲿r，屬于偏心旋轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生很大的慣性力和慣性力矩，從而產(chǎn)生扎刀、沖擊載荷與振動等現(xiàn)象，降低刀架機構(gòu)的傳動效率和縮短使用壽命，嚴(yán)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(gòu)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(fù)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(zhuǎn)，刀架的曲柄與曲軸的曲柄作同相位同轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)運動：曲軸連桿軸頸相對于隨動刀架上的刀具作定軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動半徑為曲軸連桿軸頸半徑，從而實現(xiàn)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(gòu)加工原理圖
圖2普通鉸鏈四桿機構(gòu)
由式(2)可確定平衡慣性力所需的配重參數(shù)。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(gòu)進行慣性力、慣性力矩的平衡。設(shè)計曲柄為滑板形式可實現(xiàn)曲柄長度的調(diào)節(jié)，配重塊亦通過滑板連接。通過SolidWorks設(shè)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(zhì)量分布數(shù)據(jù)見表1，將表1中參數(shù)代入刀架平衡公式，可求得單塊配重塊質(zhì)量為3．90 kg。
表l刀架模型質(zhì)量分布參數(shù)
3.刀架動平衡優(yōu)化
將平衡刀架三維模型以ParaSolid格式導(dǎo)入到ADAMS中¨]。為了降低仿真模型的復(fù)雜程度．不考慮螺栓的質(zhì)量。統(tǒng)一將螺栓連接的兩構(gòu)件通過布爾操作結(jié)合在一起，在其余各構(gòu)件連接處添加約束關(guān)系，添加的約束見表2。
表2模型之間的約束
設(shè)計前曲柄的旋轉(zhuǎn)軸通過同步帶帶動后曲柄的旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)驅(qū)動的傳遞，以減少沖擊。所以要另外創(chuàng)建1個由2個旋轉(zhuǎn)副組成的耦合副。創(chuàng)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(zhuǎn)動速度為600 r／min。創(chuàng)建設(shè)計變量DV一1，初始值為3．90 kg，在一定范圍內(nèi)進行變化∽J。設(shè)置單塊配重塊質(zhì)量關(guān)聯(lián)設(shè)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(guī)律相同，故以慣性力在x軸分量為優(yōu)化對象，建立慣性力X軸分量測量函數(shù)。以單塊配重塊質(zhì)量為優(yōu)化變量，以慣性力x軸分量最大值最小為優(yōu)化目標(biāo)進行優(yōu)化Ⅲ1。考慮最大速度工況，在前曲柄與大地之間的旋轉(zhuǎn)副添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，轉(zhuǎn)速設(shè)為3 600。／s，并設(shè)置仿真時間0．2 s、仿真步數(shù)100。虛擬樣機見圖4。
圖4刀架虛擬樣機
經(jīng)過多次優(yōu)化計算得到優(yōu)化過程見圖5。從圖6可看出單塊配重塊質(zhì)量對慣性力x分量最大值的影響，得到最優(yōu)配重質(zhì)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(zhì)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(xiàn)周期性變化，體現(xiàn)刀架旋轉(zhuǎn)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(yōu)化的配重塊質(zhì)量、理論計算配重塊質(zhì)量與未加平衡質(zhì)量的刀架慣性力及慣性力矩仿真結(jié)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(chǔ)上，通過虛擬樣機技術(shù)對配重質(zhì)量進行優(yōu)化，得到最優(yōu)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(yōu)化結(jié)果能明顯提高刀架運動的平穩(wěn)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(jié)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(shè)計平衡刀架模型后導(dǎo)入ADAMS對理論配重質(zhì)量進行優(yōu)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(yōu)化的配重質(zhì)量。基本消除了慣性力及慣性力矩，對刀架的動平衡設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義，同時可為其他連桿機構(gòu)的動平衡以及機床減振提供一種新的研究方法。
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