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曲軸復(fù)合車床隨動(dòng)刀架動(dòng)平衡分析及優(yōu)化

2017-1-20 來(lái)源：武漢理工大學(xué)機(jī)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(dòng)刀架對(duì)連桿頸進(jìn)行隨動(dòng)車削加工具有諸多優(yōu)點(diǎn)，由于刀架在隨動(dòng)車削時(shí)隨工件高速轉(zhuǎn)動(dòng)，若設(shè)計(jì)不當(dāng)或平衡不好時(shí)會(huì)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(duì)隨動(dòng)刀架的一種新的動(dòng)平衡配重方法，將刀架三維模型導(dǎo)入ADAMS仿真，并對(duì)平衡塊質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，取得了良好的動(dòng)平衡效果，為刀架的動(dòng)平衡設(shè)計(jì)提供了一種新方法。

關(guān)鍵詞：隨動(dòng)刀架；動(dòng)平衡；動(dòng)力學(xué)仿真；優(yōu)化

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連桿頸的傳統(tǒng)粗加工工藝具有以下特點(diǎn)：以連桿頸軸線為工件旋轉(zhuǎn)中心對(duì)其進(jìn)行車削加工，導(dǎo)致整個(gè)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(guò)大而導(dǎo)致工藝系統(tǒng)振動(dòng)，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(jī)床以曲軸主軸為工件旋轉(zhuǎn)中心，隨動(dòng)刀架隨動(dòng)切削的方式對(duì)連桿軸頸進(jìn)行加工。理論上工件在旋轉(zhuǎn)過(guò)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(dòng)刀架為平行四邊形機(jī)構(gòu)，當(dāng)?shù)都芨咚俟ぷ鲿r(shí)，屬于偏心旋轉(zhuǎn)，會(huì)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(dòng)等現(xiàn)象，降低刀架機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)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(duì)刀架進(jìn)行動(dòng)平衡，消除或者減小刀架機(jī)構(gòu)的慣性力和慣性力矩，從而減少刀架振動(dòng)，保證工件的加工精度。

1.隨動(dòng)車削加工原理

曲軸復(fù)合車床隨動(dòng)刀架采用平行四邊形的形式，其曲柄的長(zhǎng)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(shí)，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(yùn)動(dòng)：曲軸連桿軸頸相對(duì)于隨動(dòng)刀架上的刀具作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為曲軸連桿軸頸半徑，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軸頸的車削。刀架加工原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1刀架機(jī)構(gòu)加工原理圖

圖2普通鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

由式(2)可確定平衡慣性力所需的配重參數(shù)。通過(guò)以上分析采用在前后曲柄兩端添加配重塊的方式對(duì)刀架機(jī)構(gòu)進(jìn)行慣性力、慣性力矩的平衡。設(shè)計(jì)曲柄為滑板形式可實(shí)現(xiàn)曲柄長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)，配重塊亦通過(guò)滑板連接。通過(guò)SolidWorks設(shè)計(jì)的平衡刀架三維模型見(jiàn)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(jiàn)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(dòng)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(guò)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(jiàn)表2。

表2模型之間的約束

設(shè)計(jì)前曲柄的旋轉(zhuǎn)軸通過(guò)同步帶帶動(dòng)后曲柄的旋轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的傳遞，以減少?zèng)_擊。所以要另外創(chuàng)建1個(gè)由2個(gè)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?yàn)橐? 900 N【8 J。刀架的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為600 r／min。創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量DV一1，初始值為3．90 kg，在一定范圍內(nèi)進(jìn)行變化∽J。設(shè)置單塊配重塊質(zhì)量關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)變量DV一1。由于慣性力平衡后，慣性力矩能同時(shí)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(duì)象，建立慣性力X軸分量測(cè)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(jìn)行優(yōu)化Ⅲ1?？紤]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(dòng)，轉(zhuǎn)速設(shè)為3 600。／s，并設(shè)置仿真時(shí)間0．2 s、仿真步數(shù)100。虛擬樣機(jī)見(jiàn)圖4。

圖4刀架虛擬樣機(jī)

經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化計(jì)算得到優(yōu)化過(guò)程見(jiàn)圖5。從圖6可看出單塊配重塊質(zhì)量對(duì)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(shí)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(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，也是刀架振動(dòng)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(shí)間變化圖

優(yōu)化的配重塊質(zhì)量、理論計(jì)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(jiàn)表3。

表3平衡效果表

通過(guò)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(jì)算的基礎(chǔ)上，通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)配重質(zhì)量進(jìn)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(duì)刀架正常工作的影響。優(yōu)化結(jié)果能明顯提高刀架運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，從而可以有效減小機(jī)床振動(dòng)與噪聲，提高曲軸加工效率與精度。

4.結(jié)束語(yǔ)

采用配重法對(duì)刀架慣性力及慣性力矩進(jìn)行平衡，用SolidWorks設(shè)計(jì)平衡刀架模型后導(dǎo)入ADAMS對(duì)理論配重質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)仿真對(duì)比，不僅驗(yàn)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?；鞠藨T性力及慣性力矩，對(duì)刀架的動(dòng)平衡設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義，同時(shí)可為其他連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)平衡以及機(jī)床減振提供一種新的研究方法。

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