曲軸複合車床隨動（dòng）刀架動平（píng）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（huáng）繼雄，晏（yàn）少亞，趙黎明
摘要：曲軸（zhóu）複合車床采用隨動刀架對連杆頸進行隨動車削加（jiā）工具有諸多優（yōu）點，由於刀架在隨動車削時（shí）隨工件高速轉動，若設計不當或平衡不（bú）好時會產生較大的慣性（xìng）力與慣性力矩，嚴重影響加工效率和加工精度。提出針對（duì）隨動刀架的一（yī）種（zhǒng）新的動平（píng）衡配重方法，將刀（dāo）架（jià）三維模型導入ADAMS仿真，並對平衡塊質量進行優化，取得了良好（hǎo）的動平衡效果，為（wéi）刀架的動平衡設計（jì）提供了一種新方法。
關鍵詞：隨動刀架；動平衡；動（dòng）力學仿（fǎng）真；優化（huà）
發動機曲軸連杆頸的傳統粗加工（gōng）工（gōng）藝具有以下特點：以連杆頸（jǐng）軸線為工件旋（xuán）轉中心對其進行車削加（jiā）工，導致整個曲軸的質（zhì）心偏離旋轉中心（xīn）軸線，從而產生較大的慣性力（lì）及慣性力矩。為避免因工件慣（guàn）性力過大而導致工藝係統振動，一般設置切削（xuē）速度為40～60r／min，僅為最佳切削速度的1／10，生產效率較低。而曲軸複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杆軸頸進行加工。理論上工件（jiàn）在旋轉過程中不存在慣性力，因此工作轉速範圍可達（dá）300～600 r／min.，是一種加工（gōng）速度、效率、精度都比較高的切削加工（gōng）設備。由於其隨動（dòng）刀架為（wéi）平行四邊形機構，當刀架高速工作時，屬（shǔ）於偏心旋轉，會產生很大的慣性力和慣性力矩，從而產生紮刀、衝擊載荷與振動等現象，降低（dī）刀（dāo）架機構的傳動效率和縮短使用壽命（mìng），嚴重降低了曲軸連杆軸頸的加工精度。因此必須（xū）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（ér）減少刀架（jià）振動，保證工件的加工精度。
1.隨動車削加工原理（lǐ）
曲（qǔ）軸複合車床隨動刀架（jià）采用平行四邊形的形式，其曲柄的（de）長度（dù）與加工曲軸連杆（gǎn）軸頸中心線偏心距一（yī）致[2]，連杆一端延伸部分安裝刀具。工作時，曲軸繞其主軸中心線（xiàn）高（gāo）速旋轉，刀架的曲柄與曲軸的曲柄作同相位同轉速（sù）的旋轉運動：曲軸連杆軸頸（jǐng）相對於隨（suí）動刀架上的刀具作定軸轉動，轉動半徑為曲軸連杆軸頸半徑，從而實（shí）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（jī）構加工原理（lǐ）圖
圖2普通鉸鏈四杆機構
由式(2)可確定平衡慣性力所需（xū）的配重參數（shù）。通過以上分析（xī）采（cǎi）用在前後曲柄兩端添加配重（chóng）塊（kuài）的方式對刀架機（jī）構進行慣性力、慣性力矩（jǔ）的平衡。設計曲柄為滑板形式可實現曲柄長（zhǎng）度的調節，配重（chóng）塊亦通過滑板連接。通過SolidWorks設（shè）計的平衡（héng）刀架三維模型（xíng）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（shù）代入刀架平衡公式，可（kě）求（qiú）得單塊配重塊質（zhì）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（wéi）模（mó）型以ParaSolid格式導入到ADAMS中¨]。為了降低仿真模型的複雜程度．不考慮螺栓的質量。統一將螺栓連接的兩構（gòu）件通（tōng）過布（bù）爾（ěr）操作結合在（zài）一起，在其（qí）餘各構件連接處添加約束關係，添（tiān）加（jiā）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（dòng）後曲（qǔ）柄的旋轉（zhuǎn）軸（zhóu）實現驅動（dòng）的傳遞（dì），以減少衝擊。所以要另外創（chuàng）建1個由（yóu）2個旋轉副組成的耦合副。創建約束後，將切（qiē）削力載荷添加到連杆安裝車刀的一端，x方向切削力為（wéi）790 N，Y方向為一（yī）2 900 N【8 J。刀架的轉動（dòng）速度為600 r／min。創建設計變量DV一1，初（chū）始值為3．90 kg，在一定範圍內進（jìn）行變化∽J。設置單塊配重塊質量關聯設計變量DV一1。由（yóu）於慣性力平衡後，慣性（xìng）力矩能同時平衡，且慣（guàn）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（guàn）性力X軸分量測量函數（shù）。以單塊配重塊質（zhì）量為優化變量，以慣性力x軸分量最大值（zhí）最小為優化目標進（jìn）行優化Ⅲ1。考慮最大（dà）速度工況，在前曲（qǔ）柄與大地之間的旋（xuán）轉副添加旋轉驅動，轉速設為3 600。／s，並設置仿真時間0．2 s、仿真步數100。虛擬樣機見圖4。
圖（tú）4刀（dāo）架虛擬樣機
經過多次優化計算得到優化過程（chéng）見圖5。從圖6可（kě）看出（chū）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（fèn）量最大值為0．77 N。同理可得出慣性力y分（fèn）量變化圖及慣性力矩變化圖。
圖6慣性力X分量最（zuì）大值隨單（dān）塊配重塊（kuài）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（xiǎn）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（pèi）重塊後（hòu）慣性力x、y分量及慣性（xìng）力矩最大值明顯減小，平衡效果顯（xiǎn）著。
圖7未平衡前慣性力隨時間變（biàn）化圖
優化的配（pèi）重塊質量、理論計算配重塊（kuài）質量與未加平衡質量的刀架慣性力及慣性力矩仿真（zhēn）結果（guǒ）見表3。
表3平衡效果表
通過表3可知（zhī）添加配重塊的方（fāng）法能大（dà）幅度減小慣性力及慣性力矩。在理論計算的基（jī）礎上，通過虛擬樣機技術對配重質量進行（háng）優化，得到最優配重（chóng），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（yǒu）效減小機床振動與噪聲，提高曲軸加工效（xiào）率與精度。
4.結束語（yǔ）
采用配重法對（duì）刀架慣性力及慣性力矩進行平衡，用SolidWorks設（shè）計（jì）平衡刀架模型後導入（rù）ADAMS對理（lǐ）論配（pèi）重質量進行優化。通過仿真對比，不（bú）僅驗證了配（pèi）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（huà）的配重質量。基（jī）本消除了慣性力及慣性力矩，對刀架（jià）的動平（píng）衡設計有一定（dìng）的指導意義，同時可（kě）為其他連杆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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