曲軸的復(fù)合加工技術(shù)

1、曲軸的復(fù)合加在2000年以辰曲軸加工出現(xiàn)新的加工工藝I即復(fù)合加工工藝，采用此工藝的復(fù)合機(jī)床具有工序集成的突出優(yōu)勢.國外在這方面具有代表性的是奧地利的WFL公司。該公司生產(chǎn)的臥式車銃復(fù)合加工中心能在一次裝夾的情況下完成所有粗加工工序加工后的曲軸能直接進(jìn)行清加工而我國在這方面的代表則為沈陽數(shù)控機(jī)床有隔責(zé)任公司.該公旬生產(chǎn)的CKZ8O-5車銃加工中心通過直線光柵尺和圓度光尺檢測從而實(shí)現(xiàn)五軸中四軸的閉壞控制.提高加工精度.并且該加工中心有非常完備的刀庫.隱實(shí)規(guī)自動(dòng)換刀，可以在不改變裝夾位置的情況下一次性完成枕.車、鉆以及攻絲零加工工序.而在曲軸精知工領(lǐng)域的代衷則為CBN數(shù)控磨床，它能實(shí)現(xiàn)在不議變裝夾位

2、置的情況下的全部曲軸主軸頸和連桿頸的骸削即擺動(dòng)丫腸磨削工藝時(shí)叫圖1WM40G車銃復(fù)合加工中心本課題的研究對象是基于正弦機(jī)構(gòu)的曲軸加工復(fù)合車床的刀架機(jī)構(gòu)，該刀架采用隨動(dòng)車削方式對曲軸連桿軸頸和主軸頸進(jìn)行加工.隨動(dòng)加工方式在很多曲軸加工機(jī)床中被采用，比如在數(shù)控高速外銃工藝中，通過建立曲軸旋轉(zhuǎn)速度和銃刀進(jìn)給量的聯(lián)動(dòng)控制機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)在一次裝夾的情況下隨動(dòng)跟蹤銃削曲軸連桿頸.高速外銃工藝是利用伺服控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)切削運(yùn)動(dòng)，而在本課題中將采用另一種機(jī)構(gòu)一正弦刀架機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)曲軸連桿頸的隨動(dòng)車削.曲軸連桿頸隨動(dòng)切削加工的過程如圖2-1所示.曲紬以主軸為旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，刀具水平放置，刀具同步跟隨曲軸連桿頸

3、外圓進(jìn)行高速高精度車削.曲軸與機(jī)床主軸一起以速度3轉(zhuǎn)動(dòng).圖2-1連桿軸頸加工示意圖下面擬對夾具刀尖點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行計(jì)算.我們將曲軸連桿軸頸運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)的情況作為初始位置，規(guī)定曲軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方向?yàn)檎较?，曲軸連桿軸頸的直徑為R,連桿側(cè)臂的長度為1,分別以主軸頸軸心和連桿軸頸軸心為原點(diǎn)建立靜坐標(biāo)系和動(dòng)坐標(biāo)系.刀尖點(diǎn)在動(dòng)坐標(biāo)系o'x'y1中的坐標(biāo)方程為：八(21)y=_Rsm0動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)。相對靜止坐標(biāo)切的坐標(biāo)方程為:(2-2)x°=sin0yc.=l<osB經(jīng)分析得到動(dòng)坐標(biāo)系。'卩和靜坐標(biāo)系叩之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為:(2-3)x«x4>.+x

4、lcos0-j,sin0尸兒+x'sin0+y'cos0將公式(2-1X(2-2)帶入公式(2-3)中可以得到刀尖點(diǎn)A在靜止坐標(biāo)系中的坐標(biāo)方程為：I(2-4)y=lKos0將公式(2-4)的參數(shù)方程轉(zhuǎn)化成軌跡方程為:(x-/?)2+/=/2(2-5)從以上分析可以看出，刀具在對曲軸的連桿軸頸進(jìn)行隨動(dòng)車削時(shí)，刀尖點(diǎn)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)以曲軸連桿側(cè)臂長為半徑的圓.至此，可以總結(jié)出實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)切削的兩個(gè)必要條件：1刀具必須做圓周平動(dòng)。2.刀具做圓周平動(dòng)軌跡圓的半徑必須和曲軸連桿側(cè)臂長度相等本文擬釆用正弦機(jī)構(gòu)來帶動(dòng)刀具實(shí)現(xiàn)圓周平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)切削，并且正弦機(jī)構(gòu)的曲柄長度必須和曲軸連桿

5、側(cè)空長度相等.2.2正弦刀架機(jī)構(gòu)的可行性分析前面分析了刀具在對連桿軸頸進(jìn)行隨動(dòng)車削時(shí)刀尖點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并總結(jié)出了能夠?qū)崿F(xiàn)隨動(dòng)切削的必要條件，接下來將分析采用正弦刀架機(jī)構(gòu)進(jìn)行隨動(dòng)切削的可行性.利用ADAMS軟件對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，將刀尖點(diǎn)和曲軸連桿頸表面上與刀尖點(diǎn)相對應(yīng)的一點(diǎn)作為研究對象，畫出刀尖點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，說明刀尖點(diǎn)做圓周平動(dòng)，滿足隨動(dòng)切削的必要條件，求出刀尖點(diǎn)相對于曲軸連桿頸表面上相對應(yīng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，證明用正弦機(jī)構(gòu)作為隨動(dòng)切削機(jī)構(gòu)是可行的.2.24正弦刀架機(jī)構(gòu)模型的建立在ADAMS軟件中建立機(jī)構(gòu)模型的方法有兩種，一種是直接利用ADAMS軟件中的建模命令進(jìn)行建模。由于ADAMS軟件所

6、提供的建模功能與Pn)/E這種專業(yè)的建模軟件相比較為繁瑣且效率不高，因此這種建模方式一般運(yùn)用于模型結(jié)構(gòu)較為簡單的結(jié)構(gòu)中。另外一種是首先通過Pro/E進(jìn)IT建模然后利用Pro/E和Admas間的接口軟件Mechpro將模型導(dǎo)入，這種方法主要用于模型較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中.由于只需要建立簡單的正弦機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)研究，機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，因此選擇直接在ADAMS軟件中利用建模命令進(jìn)行建模.在ADAMS中建立正弦機(jī)構(gòu)刀架的簡化幾何模型，如圖2-2所示：fL.圖22正弦刀架機(jī)構(gòu)簡化幾何模型圖中正弦機(jī)構(gòu)分別由導(dǎo)軌、平動(dòng)滑塊、曲柄組成，其中導(dǎo)軌和機(jī)架之間用移動(dòng)副進(jìn)行約束，使得導(dǎo)軌在機(jī)架上沿看X軸進(jìn)行左右移動(dòng)；平動(dòng)

7、滑塊和導(dǎo)軌之間也用移動(dòng)副約束，使得平動(dòng)滑塊在導(dǎo)軌上沿著Y軸進(jìn)行上下移動(dòng)；曲柄和機(jī)架之間用旋轉(zhuǎn)副約束：曲軸和機(jī)架之間同樣用旋轉(zhuǎn)副約束。平動(dòng)滑塊的左端為刀尖點(diǎn)Marker，與其重合的Marker.B點(diǎn)為曲軸連桿軸頸表面上一點(diǎn)。經(jīng)過測量模型中曲柄長度為250iiin與曲軸連桿側(cè)臂長度相等，連桿軸頸半徑為30nm2.23正弦刀架機(jī)構(gòu)的仿真及結(jié)果分析在ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，施加電機(jī)驅(qū)動(dòng)為3607s,并設(shè)置好仿真時(shí)間為Is,步長為100步，保證正弦刀架機(jī)構(gòu)和曲軸同步轉(zhuǎn)動(dòng).首先測量刀尖點(diǎn)的位置隨時(shí)間變化的規(guī)律，并繪制出刀尖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡圖，以證明刀具做圓周平動(dòng)，滿足隨動(dòng)切削的必要條件刀尖點(diǎn)相對于機(jī)架在X軸

8、方向的位移隨時(shí)間變化規(guī)律如圖2-3所示：圖2-3刀尖點(diǎn)相對于機(jī)架在X軸方向的位移變化規(guī)律從曲線圖中可以看出，刀尖點(diǎn)在X軸方向的位移在£70-170mm±間呈正弦規(guī)律變化，變化周期為01秒。將位移最大值減去位移最小值得500mm,正好等于曲柄長度的2倍堆小刀尖點(diǎn)相對于機(jī)架在Y軸方向的位移隨時(shí)間變化規(guī)律如圖2-4刀尖點(diǎn)相對于機(jī)架在Y軸方向的位移變化規(guī)律圖2-4刀尖點(diǎn)相對于機(jī)架在Y軸方向的位移變化規(guī)律從曲線圖中可以看出，刀尖點(diǎn)在Y軸方向的位移在250250個(gè)之間呈余弦規(guī)律變化，變化周期為01秒。其曲線的最大值正好等于曲柄長度。下面轉(zhuǎn)換坐標(biāo)軸，將X方向的位移作為Y軸、以Y方向的位移

9、為X軸，將上述兩條曲線轉(zhuǎn)換到一個(gè)坐標(biāo)系下就得到刀尖點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2-5所示：圖25刀尖點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖從曲線圖中可以看出，刀尖點(diǎn)的軌跡為一個(gè)半徑為250曬的圓.由此可以看出刀具做圓周平動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)軌跡圓的半徑等于曲軸連桿側(cè)臂長度，說明正弦機(jī)構(gòu)滿足隨動(dòng)切削的必要條件.下面測量Marker_A相對于Marker.B點(diǎn)的位置隨時(shí)間變化的規(guī)律，以證明利用正弦機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)切削的可行性Marker相對于Marker.B點(diǎn)在X軸方向的位移隨時(shí)間變化規(guī)律如圖26所示：圖27Marker相對于Marker.B點(diǎn)在X軸方向的位移隨時(shí)間變化規(guī)律從曲線圖中可以看出，Markers相對于MarkerJ點(diǎn)在X軸方向的位移在

10、060之間呈余弦規(guī)律變化，變化周期為0.1秒.Marker相對于Marker.B點(diǎn)在Y軸圖2-7Marker相對于MarkerJ點(diǎn)在Y軸方向的位移隨時(shí)間變化規(guī)律從曲線圖中可以看出，Marker_A相對于Marker_B點(diǎn)在X軸方向的位務(wù)在30+30之間呈正弦規(guī)律變化，變化周期為0.1秒。以X方向位移為X軸、以Y方向位移為Y軸將以上兩條曲線轉(zhuǎn)換到一個(gè)坐標(biāo)系下，就可以得到兩點(diǎn)相對運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，如圖28所示：圖2-8Marker_A相對于Marker_B點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡從上圖中我們可以得到結(jié)論，當(dāng)正弦機(jī)構(gòu)刀架旋轉(zhuǎn)一周后，Marker相對于Marker.B的運(yùn)動(dòng)軌跡為一個(gè)圓，而且該圓的半徑和連桿軸頸半徑相等.因此說明刀尖點(diǎn)可以緊貼著連桿軸頸進(jìn)行相對轉(zhuǎn)動(dòng)，完成切削任務(wù)經(jīng)過仿真驗(yàn)證，可以說明正弦刀架機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對曲軸連桿軸頸的隨動(dòng)車削，車削原理如下：將曲軸安裝到機(jī)床上，曲軸以主軸頸為旋轉(zhuǎn)中心由機(jī)床主軸帶動(dòng)進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，曲軸連軒頸作平面回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).刀架機(jī)構(gòu)為正弦機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)的曲柄長度必須和曲軸連桿頸側(cè)臂的長度相等.正弦機(jī)構(gòu)的曲柄和被加工曲軸連桿頸的曲柄一起做同相位同轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)車刀做跟隨曲軸軸頸的圓周平動(dòng).將曲軸軸頸的運(yùn)動(dòng)跟車刀的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行復(fù)合產(chǎn)生了車刀刀尖相對于曲軸