（机械制造及其自动化专业论文）曲轴加工复合车床刀架机构的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 曲轴加工复合车床通过随动车削的方式对瞌轴连杆轴颈进行加工。车床采 用平行四边形刀架机构来实现随动车削。通过对随动车削曲轴连杆轴颈的过程 进行分析，可以得到刀尖点的运动轨迹为一个圆，这个圆的半径为曲轴连杆侧 臂的长度，由此确定了采用平行四边形机构作为刀具运动的执行机构。接着将 进一步对刀尖点相对于连杆轴颈表面上点的相对运动进行研究，利用a d a m s 软 件对由平行四边形刀架机构和曲轴组成的系统进行仿真，当曲轴和刀架机构同 步转动时，得到了刀尖点绕曲轴连杆轴颈作圆周运动，而且圆的半径刚好等于 轴颈的半径。根据上面的研究可以说明平行四边形刀架机构可以完成曲轴连杆 轴颈的随动车削。 刀架的曲柄长度必须等于曲轴的连杆侧臂长度，加工不同类型的曲轴时， 就要对刀架的曲柄长度进行调整。经过分析，确定了曲柄长度调整方式，将曲 柄截断并通过转动副进行连接，然后利用机构自身转动来实现自动调整。对具 体的调整过程进行了分析，同时完成了曲柄转动角的计算。另外采用偏心轮机 构对刀架曲柄进行结构设计，可以提高刀架的刚度。而且设计了动平衡装置， 可以平衡刀架转动过程中产生的惯性力。 完成了刀架的结构设计后，通过p r o e 软件建立刀架的三维模型，利用a d a m s 软件对虚拟样机进行运动学仿真，一方面可以检测机构运转过程中的干涉情况， 另一方面可以得到机构中各连接位置的受力情况。通过对曲柄和连杆铰接处的 受力进行分析，说明了动平衡装置可以有效平衡惯性力。连杆作为刀架机构中 关键零件，利用a n a s y s 软件对其进行了有限元分析。根据应变图反映的情况对 连杆结构进行改进，使连杆受力时产生较小的变形，最大位移控制在0 1 8 4 m m 以内，从而满足了连杆的刚度要求。 关键词：随动车削，平行四边形刀架机构，曲柄长度调整，动平衡，运动学仿 真，有限元分析 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec r a n k s h a f tm a c h i n i n gc o m p l e xl a t h et u m e dt h ec r a n ka r l nj o u m a lw i t ht h ew a y o fp a r a l l e l o g r a mf o l l o w u pc u t t i n gm e t h o d s t h el a t h eu s e dp a r a l l e l o g r a mt o o lm o u n t a c h i e v i n gf o l l o w - u pc u t t i n g b ya n a l y z e dt h ep r o c e s s i n go ff o l l o w - u pc u t t i n g , i t s o b t a i n e dt h a tt h et r a j e c t o r yo ft o o l sv e r t e xw a sac i r c l e ，a n dt h ec i r c l e sr a d i u s e q u a l e dt h el e n g t ho fc r a n k s h a f t ss i d ea r n l i t sd e t e r m i n e dt h a tu s e dp a r a l l e l o g r a m m e c h a n i s ma st o o lm o v e m e n t se x e c u t i v eb o d y a f t e rt h a t ，i td i df u r t h e rs t u d yo n r e l a t i v em o t i o nb e t w e e nt o o l sv e r t e xa n dp o i n to ft h ec r a n ka r mj o u m a lb yu s i n g a d a m ss o f t w a r e w h e nt h e c r a n k s h a f ta n dt o o lm o u n tm e c h a n i s mm a d e s y n c h r o n o u sr o t a t i o n ，t h et o o lv e r t e x st r a j e c t o r yw a sa l s oac i r c l ew h i c hh a dt h e $ a l t l e r a d i u sa sc r a n ka r n lj o u m a l sr a d i u s a l lt h i ss t u d yc o n c l u d e dt h a tt h ep a r a l l e l o g r a m t o o lm o u n tc o u l df i n i s ht h ec r a n ka r mj o u r n a l sf o l l o w - u pc u t t i n g t h et o o lm o u n t sc r a n km u s te q u a lt ot h el e n g t ho fc r a n k s h a f t ss i d ea r l n ，i tn e e dt o c h a n g et h el e n g t ho ft o o lm o u n t sc r a n kw h e np r o c e s s e dd i f f e r e n tc r a n k s h a f t t h e w a yo fm a k i n gc h a n g eo fc r a n k sl e n g t hh a db e e nd e t e r m i n e d ，i nw h i c hw a y , t h e c r a n kh a db e e ni n t e r r u p t e da n db e e nc o n n e c t i o nw i t hr o t a t i o np a i r , t h e ni tm a d e c h a n g i n gb yo w nt u r n i n g s p e c i f i ca d j u s t m e n tp r o c e s s i n gh a db e e na n a l y z e d ，a n dt h e c r a n k sr o t a t i o na n g l eh a db e e nc a l c u l a t e da tt h es a m et i m e t h ec r a n k ss t r u c t u r a l d e s i g nu s e de c c e n t r i cw h e e lm e c h a n i s m ，w h i c hc o u l di m p r o v et h ew h o l es t i f f n e s s m e a n w h i l e ，b a l a n c i n ge q u i p m e n th a db e e nd e s i g n e d ，w h i c hc o u l dp o i s et h ei n e r t i a l f o r c ep r o d u c e di nt h et u r n i n gp r o c e s s a f t e rf i n i s h i n gt h es t r u c t u r a ld e s i g n ，i te s t a b l i s h e dt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lb y u s i n go fp r o es o f t w a r e ，a n di ts i m u l a t e dt o o lm o u n tm e c h a n i s mb yu s i n ga d a m s s o f t w a r e o no n eh a n d ，t h es i m u l a t i o nc o u l dd i s c o v e ri n t e r f e r e n c e ，o nt h eo t h e rh a n d ， i tc o u l do b t a i ne v e r yc o m p o n e n t sf o r c e i tc o n c l u d e dt h a tt h eb a l a n c i n ge q u i p m e n t c o u l dp o i s et h ei n e r t i a lf o r c ee f f e c t i v e t h e1 i n kw a st h ek e yp a r ti nt o o lm o u n t m e c h a n i s m ，i tm a d ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sb yu s i n ga n a s y ss o f t w a r e u n d e rt h e f e e d b a c ko fs t r a i nc l o u dc h a r t ，i tm a d ei m p r o v e m e n to nl i n ks t r u c t u r a l ，w h i c hc o u l d e n s u r et h el i n kj u s tp r o d u c i n gl i t t l ed e f o r m a t i o nu n d e rf o r c e ，a n dt h em a x i m u m i l 武汉理工大学硕士学何论文 d i s p l a c e m e n th a db e e nc o n t r o l l e d u n d e ro 18 4 m m i tm e tt h el i n k ss t i f f n e s s r e q u i r e m e n t k e y w o r d ：f o l l o w - u pc u t t i n g ，p a r a l l e l o g r a mt o o lm o u n tm e c h a n i s m ，c h a n g i n go f c r a n k sl e n g t h ，d y n a m i cb a l a n c e ， k i n e s i o l o g ys i m u l a t i o n ；，f e a 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：丞拯银日期：2 旦f q ：! 丝 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：涨银银导师( 签名) ：q 钐彳n 期2 。f 。箩、26 武汉理工人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 目前世界汽车工业发达国家对曲轴的加工十分重视，不断改进曲轴加工工 艺，设计并制造出许多优秀的加工设备，曲轴的制造技术水平有了很大改进。 这给国内曲轴生产装备的技术条件提出了挑战，要求我们必须加快对曲轴加工 先进装备的设计制造步伐。 同时，国内汽车市场呈现出的持续快速发展趋势。据中国汽车工业协会发 布的最新统计资料，2 0 0 9 年中国汽车产销量分别为1 3 7 9 1 万辆和1 3 6 4 5 万辆， 同比增长4 8 3 和4 6 1 5 。其中乘用车产销分别为1 0 3 8 3 8 万辆和1 0 3 3 1 3 万 辆，同比增长5 4 1 1 和5 2 9 3 ；商用车产销分别为3 4 0 7 2 万辆和3 3 1 3 5 万辆， 同比增长3 3 0 2 和2 8 3 9 。市场对曲轴需求量会越来越高，为国内新型曲轴加 工机床的研发提供了机遇和广阔的前景。 曲轴是发动机的核心部件，曲轴加工质量的高低直接影响发动机的使用寿 命和可靠性。曲轴加工复合车床可以一次装夹完成所有曲轴主轴颈和连杆轴颈 的加工。对机床刀架机构进行设计，并通过虚拟样机技术和有限元分析技术进 行研究，一方面可以为机床的研发以及改进提供重要的理论参考，另一方面， 可以节约研发资金、缩短研发周期，对目前曲轴制造行业的技术发展具有重要 意义。 1 2 曲轴加工技术概述 陆轴作为发动机最重要的构件之一，通常由主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平 衡块以及前后端组成。一个曲拐由单个主轴颈、连杆颈和曲柄构成。直列式发 动机曲轴的曲拐个数等于气缸数，v 型发动机曲轴曲拐个数是气缸数的一半【1 1 。 发动机工作时，曲柄承受很大的气体压力和惯性力矩，同时承受交变载荷 的冲击作用。另外，曲轴自身又做高速旋转运动，因此曲轴必须具有很大的强 度和刚度，能够抗击冲击负载的作用，具有耐磨和良好的润滑特性。制造曲轴 所用的材料一般采用中碳钢或者中碳合金钢。曲轴的主轴颈表面需要进行高频 淬火或者渗碳等热处理，再经过精磨，获得高的精度。 武汉理工大学硕士学位论文 目前车用发动机曲轴材质主要有球墨铸铁和钢两类。由于球墨铸铁曲轴成 本只有调质钢曲轴成本的1 3 左右，且球墨铸铁的切削性能良好，可获得较理 想的结构形状，并且和钢质曲轴一样可以进行各种热处理和表面强化处理来提 高曲轴的抗疲劳强度、硬度和耐磨性。所以球墨铸铁曲轴在国内外得到了广泛 应用。据统计资料显示，车用发动机曲轴采用球墨铸铁材质的比例在美国为9 0 ， 英国为8 5 ，日本为6 0 ，此外，德国、比利时等国家也已经大批量采用。国内 采用球墨铸铁曲轴的趋势则更加明显，中小型功率柴油机曲轴8 5 以上采用球 墨铸铁，而功率在1 6 0 k w 以上的发动机曲轴多采用锻钢曲轴。 1 2 。1 曲轴的粗加工和半精加工工艺 曲轴粗加工和半精加工工艺主要经历了以下几个阶段的发展川3 】 【4 】捌：曲轴 主轴颈和连杆轴颈的多刀车削工艺；数控车削和数控铣削工艺；数控车拉和数 控高速铣削工艺。 曲轴主轴颈及连杆轴颈的多刀车削工艺。生产效率和自动化程度相对较低。 粗加工设备多采用多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆轴颈，工序的质量稳定性差， 容易产生较大的内应力，难以达到合理的加工余量。在粗加工完成以后还要进行 去应力回火处理以释放内应力。采用这种粗加工方式要为后续的精加工工序预 留较大的加工余量，以便去除弯曲变形量。 数控车削工艺、数控外铣工艺。数控设备价格相对便宜，不需要复杂的刀具， 但只适合小批量生产。 数控内铣铣削工艺。内铣设备价格较高，刀具费用也很高，但适合大批量生 产。数控内铣的加工性能要优于普通外铣，对于锻钢曲轴，内铣工艺更有利于 断屑，刚性特别好。 数控车拉、车一车拉工艺。该技术在国外大量用于半精i j h - v 曲轴的主轴颈和 连杆轴颈。其加工形式可分为三种：直线车拉、内环刀具旋转车拉和外环刀具 旋转车拉。其突出优点是可对宽轴径进行分层加工，切削效率高、精度高，加 工后的曲轴可以直接进行精磨，节省粗磨工序。但车拉刀具结构复杂，技术含 量高，并且长期依靠进口。 数控高速外铣工艺。对平衡块侧面需要加工的曲轴，比数控车削、数控内 铣、车一车拉的生产效率还要高。以四缸曲轴为例，c n c 车一车拉工艺加工连杆轴 颈要二道工序，而c n c 高速外铣只要一道工序即可完成( 应用工件回转和铣刀进 2 武擞理工：k 学硕十学位论文 给伺服连动控制技术，可以一次装央不改变曲轴回转中心随动跟踪铣削皓轴 的连杆轴颈) 。其优点包括：切削速度高( 可高达3 5 0 m i n d n ) 、切削和工序循 环时间较短、切削力较小、工件温升较低、刀具寿命高、换刀次数少、加工精 度更高且柔性更好，因此c n c 高速外铣将是曲轴主轴颈和连杆轴颈粗加工的发展 方向。 1 2 2 曲轴的精加工工艺 曲轴的精加工通过磨削来实现。曲轴磨削技术包括单序加工和复合加工等 工艺”。单序加工磨削效率很高，磨削完成后轴颈的跳动量易于控制，各轴颈 尺寸的致性能够在砂轮一次修整完毕后得到保证。但醣工艺方式柔性差，只 能加工一个系列产品。加工衄轴前端和后端的有宽砂轮组合磨削等。例如，磨 削四拐曲轴主轴颈采用的工艺有五砂轮磨削( 如图卜i ) ，磨削四拐眭轴连杆颈 采用的工艺有艘砂轮磨削( 如罔12 ) 。 图卜2 般砂轮磨自4 连杆颈戮 武漫理t ：大学硕士学位论文 哙f 耐姘耐瓠 虢 武汉理丁大学硕士学位论文 的动态性能和足够的跟踪精度，以保证连杆轴颈所满足的形状公差。c b n 砂轮的 应用是对连杆轴颈进行随动磨削的重要条件。因为c b n 砂轮具有很高的耐磨性， 所咀在磨削时损耗小，砂轮直径基本上不会改变，修整一次可以完成6 0 0 8 0 0 根曲轴的磨削。c b n 砂轮可咀在很高的磨削速度下进行丁作，磨自速度为1 2 0 1 4 0 r u i s ，磨削效率非常高。 ! 嘲 啪 螫霭毛 目1 - 5 曲轴琏杆轴颈硅动蘑削原理 23 曲轴的复合j n t 技术 随着时代的进步，曲轴制造业复台加t 技术有了一定程度的应用。奥地利 w f l 公司提出“一l 臾装夹壳全加工”的概念，生产的卧式车铣复合加工中心具 有一定的代表性。该加工中心集双主轴车削中心、五轴加工中心、镗、铣、钻 和三坐标功能干一体，能够对曲轴进行完全加工，加工后的益轴可以直接转入 精加工工序。如图卜6 所示的就是车铣复合加工中心的一种。目前国内也生产了 类似的复合机床，如沈阳数控机床有限公司生产的c k z 8 0 5 车铣加工中心。该机 床一次装夹可以完成车、铣，钻、镗、攻丝等加工。 囤卜6m 蛐g 车铣复合加i 冲心 武汉理工大学硕十学位论文 1 3 机床刀架研究方法及内容概述 本文以曲轴复合加工车床的刀架系统作为研究对象，主要研究内容如下： ( 1 ) 要对随动切削过程中刀尖点的运动轨迹进行研究，以便确定采用什么 机构作为刀具运动的执行机构。 ( 2 ) 确定采用平行四边形机构作为执行机构以后，要进一步对刀尖点相对 于曲轴连杆轴颈的相对运动规律进行分析，对平行四边形刀架机构能否完成切 削任务做出评价。分析过程首先建立平行四边形机构对曲轴连杆轴颈进行随动 车削的简单模型，然后在a d a m s 软件中对模型的运转过程进行运动学仿真。 ( 3 ) 要对刀架系统曲柄长度的调整方式进行研究。不同类型益轴的尺寸也 是不一样的，随动车削过程中，平行四边形刀架机构的曲柄长度要保证和曲轴 连杆侧臂长度相同。将刀架机构的曲柄截断通过转动副进行连接，并通过刀架 本身的转动完成曲柄长度的自动化调整。同时还要对曲柄长度的具体调整过程 进行分析，建立数学几何模型，推导曲柄转动角调整的具体表达式。 ( 4 ) 要解决刀架机构的动平衡问题。在工作过程中，平行四边形刀架系统 以3 0 0 6 0 0 n m i n 的转速高速运转，刀架连杆产生很大的惯性力，要设计平衡 装置，保证刀架系统能够j 下常工作。 ( 5 ) 对设计其他部件进行设计和选型，要完成整个刀架机构的结构设计并 通过p r o e 软件建立三维模型。 ( 6 ) 要验证刀架结构设计的合理性并对连杆进行有限元计算。刀架部分初 步设计完成后，借助a d a m s 软件进行运动学分析，检验机构的干涉，提取机构铰 接处的支反力以及驱动力矩，并设定不同的转速进行分析比较，为实验提供数 据支持。同时借助a n a s y s 软件对刀架的连杆进行静力学分析，通过对应变云图 的分析，逐步改进结构，保证连杆的满足一定的刚度和强度。 6 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章刀架结构设计 2 1 平行四边形刀架机构随动切削方式的研究 本课题的研究对象是曲轴加工复合车床中的刀架机构。该刀架采用随动车 削方式对曲轴连杆轴颈和主轴颈进行加工。随动加工方式在很多曲轴加工机床 中都有所应用，如在数控高速外铣工艺中，采用工件回转和铣刀进给伺服连动 控制技术，可以一次装夹，不改变曲轴回转中心随动跟踪铣削曲轴的连杆轴颈。 高速外铣是通过复杂的伺服控制技术来实现随动切削，本课题中，将以另一种 机构平行四边形刀架机构来实现曲轴连杆颈的随动车削。 本节将详细推导在对曲轴连杆轴颈进行随动车削加工过程中刀尖点的运动 轨迹，确定采用平行四边形机构作为刀具运动的执行机构。利用a d a m s 软件对 平行四边形刀架机构进行运动学仿真，得到机构中刀尖点和曲轴连杆轴颈表面 上一点的相对运动规律，证明平行四边形刀架机构可以完成曲轴连杆轴颈的随 动车削，最后对随动车削原理进行详细阐述。 2 1 1 曲轴连杆轴颈随动车削刀尖点的运动轨迹分析 对曲轴连杆轴颈进行随动车削，加工过程如图2 - 1 所示。曲轴主轴与机床 主轴重合，刀具水平放置，刀尖点紧贴连杆轴颈表面进行车削。曲轴在机床主 轴的带动下以速度彩逆时针转动。 y o x -x：、一天弋。 图2 - 1 连杆轴颈段加：i ：示意图 为了确定刀具运动的执行机构，下面对刀尖点a 的运动轨迹进行分析。某 武汉理工大学硕十学位论文 段连杆轴颈转动到最高点时作为初始位置，曲轴的逆时针转动作为正方向，分 别以主轴颈轴心为原点建立静坐标系，以连杆轴颈轴心为原点建立动坐标系。 在动坐标系o 石y 中刀尖点的坐标方程为： x = r c o s y t ：胍i n 秒广 q 。1 ) 原点0 在静坐标系咖中的坐标方程为： = j s i n 0 i ：l c o s 9 ， ( 2 - 2 ) 又图2 - 1 可得动坐标系o x 少与静坐标系o x y 之间的变换关系为 x = x o + 工c o s 0 + y s i n 0 y = y ) + x 、s i n 0 一y ，c o s 0j ( 2 3 ) 将( 2 1 ) 、( 2 2 ) 式带入( 2 3 ) 式中可以得到刀尖点a 在静坐标系中的坐 标方程为： 州x = 1 一s i n o p + r ) 协4 ) y = z c o s p 广 ( 2 - 4 ) 又由( 2 4 ) 得到a 点的轨迹方程为： ( x 一尺) 2 + y 2 = ，2( 2 5 ) 由此可知在对连杆轴颈进行随动车削时，刀尖点的运动轨迹是一个以曲轴 连杆侧长为半径的圆，可以利用平行四边形机构来带动刀具完成圆周平动运动， 而且平行四边形机构的曲柄长度必须和曲轴连杆侧臂长度相等。 武汉理工大学硕士学位论文 2i2 平行四边形刀架机构的分析 前面确定了采用平行四边形机构作为刀具运动的执行机构接下来将对平 行四边形机刀架机构进行分析。利用a d a m s 时机构进行运动学仿真，以刀尖点 和曲轴连杆轴颈表面上的一点作为研究对象这睡个点在仞始状态下相互重合。 现在要研究平行四边形刀架机构在转动过程中这两个点的相对运动规律。 l 、在a d a m s 中建立甲行四边形刀架机构的几何模型，如图2 2 所示： 幽2 - 2 平行西边形刀架机+ 勾摸刑 其中的平行四边形机构分别由h a n d e l 、h a n d l e 2 和l i n k e r 组成1 i n k e r 的左端为刀尖点a ，和其重合的b 点为曲轴连杆轴颈表面上一点，两个参考点分 别为m a r k e ra 和m a r k e rb 。 2 、在a d a m s 中进行运动学分析，旌加电机驱动并设置好参数，保证平行四 边形机构和曲轴同步转动。平行四边形机构转动侗后，可以得到m a r k e ra 相 对于m a r k e r _ b 的位置随时问变化的规律，如图2 - 3 所示： 图2 3 a ) u 曲线 圈2 - 3 b y _ t 曲线 将上面两曲线转换到x 、y 坐标系下就可以得到两点的相对运动轨迹曲线 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 3 c x y 图 由上图可以得到结论，当平行四边形机构转过一圈时，i a r k e r刚好相对_a 于m a r k e r b 的运动轨迹为一个半径为连杆轴颈的圆。这也说明了刀尖点可以紧 贴着连杆轴颈进行相对转动，完成随动车削任务。 至此，可以证明平行四边形刀架机构可以完成对曲轴连杆轴颈的随动车削， 车削原理为：曲轴主轴颈与机床主轴同轴安装，由机床主轴驱动旋转，曲柄轴 颈作平面回转运动。刀架为平行四边形连杆机构，其机构的曲柄长度等于曲轴 曲柄的长度，车刀安装在平行四边形连杆机构的连杆上。平行四边形连杆机构 的曲柄与被加工曲柄轴颈的曲柄一起作同相位同转速的旋转运动，连杆则带动 车刀作跟随曲柄轴颈的圆周平动。曲柄轴颈运动与连杆运动的复合，使得曲柄 轴颈与车刀刀尖的相对运动为定轴转动，从而实现车刀对曲柄轴颈的车削。 l o 武汉理_ 亡大学硕士学位论文 2 2 刀架曲柄长度调整方案设计 曲轴的类型是多种多样的，有四缸机曲轴、六缸机曲轴等。不同类型的曲 轴，其尺寸也有很大的差异。当对不同类型的曲轴毛坯进行加工时，必须对平 行四边形刀架机构的曲柄长度进行调整，这样才能对曲轴的连杆轴颈进行随动 车削。 2 2 1 刀架曲柄长度调整的选型 将平行四边形机构的曲柄截断，然后通过不同的运动副进行连接，其中 a d = b c ，o d = 0 c ，如图2 - 4 所示。 图2 - 4 b 连杆打断用使用铰接副 图2 4 a 中使用的是移动副的连接方式。这种方式是通过两杆之间的相对直 线移动来实现曲柄长度的调整。调整需要通过增加使a d ( b e ) 相对于d o ( c o 。) 作直线运动的执行机构来实现。 图2 - 4 b 采用转动副的连接方式。这种方式通过两杆之间的相对转动实现曲 柄长度的调整。调整可以直接利用0 ( o ) 点的转动来实现。 通过转动副的连接方式不需要增加机构，既可以节省空间又有利于实现自 动化调整，所以这里采用第二种调节方式。 2 2 2 刀架曲柄长度调整机构的调整分析 将平行四边形机构的曲柄截断，通过转动副进行连接后，整个机构就成了 六连杆机构。根据连杆o d 、0 c 的转动方向不同，可以即那个机构调整到如图 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 所示的四种位置。此时点o ( o ) 和点么( b ) 之间的距离可以在( a d + d o ) 以 及( a d d o ) 之间连续变化。 图2 - 5 a图2 - 5 b 图2 - 5 c图2 5 d 由于机构由四连杆机构变成了六连杆机构，计算其自由度为d o f = 3 ，可以 通过增加运动副的方式来减少整个机构的自由度。在连杆a b 上添加一个移动 副，使其保持水平姿态进行上下滑动，如图2 - 6 所示。 图2 6 增加移动副后，图2 6 所示的机构中活动杆件的个数不变，但是由于移动 副的加入，a d 、b c 杆上两点a 、b 的轨迹均为沿着竖直方向的直线，a 、b 之间 的距离始终保持不变，且a 、b 之间用双转动副杆相联，故带入了1 个虚约束， 所以图2 - 6 所示机构的自由度d o f = 2 。这样以来，只要分别在o d 、0 d 上添 加大小相等、方向相反或相同的角速度，机构就能完成确定的运动，并实现图 2 5 所示的四种位置。 在结构设计时，o d 、0 。c 的转动通过同步带轮同步驱动。对于a 、b 两种 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 情况，仅用同步带轮就能实现等速同向转动，但对于c 、d 两种情况，还必须要 有换向机构，无疑这在结构上增加了刀架的体积。由于要保证在变距的过程中 连杆保持平动的姿态，就必须要在连杆上加限位滑移的装置。考虑到这些情况， 本文再做探讨，试图找到更佳的方式柬实现机构到达a 、b 的位置来进行变距。 如图2 - 7 所示，还是利用前面提到的六连杆机构，只是调整方式上做一些 变化。在变距之前，先将彳、口两处铰接点锁死，这样以来，六连杆机构就成 了平行四边形机构。 图2 - 7 锁死铰接点a 、b 2 2 3 刀架曲柄长度调整过程分析 设初始状态下，刀架的连杆处在最高位置。当被加工曲轴的连杆侧臂长，和 刀架o a 、0 d 连线长，不相等时，就必须对刀架曲柄长度进行调整，使彳、d 点 距离为，。调整过程如下所述。 图2 - 8 调整a 0 长度 如图2 - 8 所示，先锁死a 、b 铰接点，将o d 、o c 同向等速转动一定角度仅， 使o a = 0 一b = ，仅的大小可以通过计算得到。在图中_ _ a o d = 仅，“。o a = ， 则l d o a = 仅一，另外o d = o c = 6 ，d a = c b = a ，a o a 。d 中根据三角形公 式可以得到： 武汉理t 大学硕士学位论文 a 一= a r c c o s ( 6 2 + z ”一面a 2 ) 声= a r c c 。s ( 口2 + z ”一面b 2 ) ( 2 ) 由( 1 ) 、( 2 ) 式可得 & = a r c c 。s ( “广一刍) + 一s “2 一丽b 2 ) ( 3 ) 此时可以发现刀尖点的相位发生了改变，但是只要根据几何关系，固定d 、 c 处的转动副，释放彳、b 的转动副，让o d 与d c 同时再反向旋转角度即可 让刀尖点恢复到原相位位置，如图2 - 9 所示。 l 、k 。 奠 。 a j | ， 。 f 、j、 d ，她 图2 - 9 恢复刀尖点初始相位 这样加工不同类型的曲轴时，就可以对刀架曲柄的长度进行精确的调整。 公式( 3 ) 中所有的数据都是已知的，可以利用计算机编程，直接输入被加工曲 轴的连杆侧臂长度，即可由伺服电机进行自动的调节，施行起来比较方便。 1 4 武汉理： 大学硕十学位论文 2 3 刀架机构的结构设计 完成了平行四边形刀架机构的曲柄长度调整方案设计以后，接下来将对整 个刀架进行结构设计。 刀架的工作转速为3 0 0 6 0 0 n m i n ，在高速转动过程中，刀架的连杆部分 将产生很大的惯性力。这些惯性力对刀架乃至整个机床而言都是有害的，将引 起在刀架铰接处的冲击载荷，影响零件的使用寿命，同时也会引起整个刀架机 构的振动，影响加工精度。这就要求考虑设计动平衡装置以平衡连杆产生的惯 性力。 另外，刀架系统在切削力、惯性力、夹紧力以及重力的作用下，产生相应 的变形，将会破坏刀具和工件之间的成形运动的位置关系和速度关系，影响车 削运动的稳定性。必须在结构设计中从多方面提高系统的刚度。 2 3 1 平行四边形机构的结构设计 为了提高结构的整体刚度，根据结构需要，这里将曲柄改为偏心盘的形式， 偏心盘的回转中心至几何中心的偏心距就等于曲柄的长度。这种形式也可以认 为是将转动副的半径扩大，使之超过曲柄的长度演化而成。 如图2 一1 0 所示，可以清楚的看出机构和结构的对应关系，偏心轴的回转中 心d 位于花键轴孔中心，偏心盘与偏心轴的回转中心为c ，连杆和偏心盘的回 转中心为b 。 连 图2 一1 0 铰接副对应关系 根据这种演化方式，可以将前面提到的六连杆机构设计成如图2 - 11 所示的 结构。连杆两端分别向外延伸的部分，是为刀具提供安装的位置。连杆与偏心 武汉理工太学硕十学位论文 盘之间使用角接触球轴承，保证两者之间能够正常转动。在实际工作中，因为 偏心轴与偏心盘之间的相对转动不是很频繁，另外为了方便锁死和松开这一处 的转动副，所以将两者之间通过锥面结合在一起，锥面锥度为l ：1 0 ，用小圆螺 母提供径向压力进行锁紧。 图2 - 1 1 刀架主体结构图 主体结构中各个主要零件模型如图2 1 2 所示： 捌21 2 a 偏心盘模型 圈2 - 1 2 b 偏心轴模型 圈2 - 1 2 c 连杆模型 武汉理丁大学硕十学位论文 2 3 2 动平衡装置的设计 刀架在运转过程中，偏心盘和偏心轴会产生很大的离心惯性力。这些惯性 力的产生将在运动副中引起附加的动载荷。这不仅会增大运动副中的摩擦和构 件中的内应力，降低机床效率和使用寿命，而且由于这些惯性力的大小和方向 一般都是周期性变化的，所以并将引起刀架及其基座产生强迫振动。如果其振 动的频率接近机床的共振频率，则将引起严重的后果。因此必须设计动平衡块 来平衡这些惯性力。根据结构需要，偏心盘和偏心轴平衡块放在前后曲柄的两 个回转中心处。下面将对曲柄系统进行动平衡的计算和设计。 刀架曲柄由偏心盘和偏心轴组成，其在转动的过程中会产生离心惯性力。 为了方便测量，可以在p r o e 中对偏心盘进行三维建模，通过测量可以知道其质 量为= 4 3 1 k g ，质心到几何中心的距离为x = 2 1 8 5 m m 。偏心轴偏心距为 1 5 m m ；曲柄盘偏心距为6 0 m m ，则： 刀架曲柄质心到回转中心最大距离，m 。= 6 0 - 2 1 8 5 + 1 5 = 5 3 1 5 m m ，最小距 离0 i n = 6 0 - 2 1 8 5 1 5 = 2 3 1 5 m m 刀架曲柄产生的最大离心惯性力： l ：聊缈2 k ：4 3 1 ( 6 0 0 x 2 n ) 2x 5 3 1 5 1 0 ：9 0 4 4 n o u 最小离心惯性力： 民。；垅缈2 k ：4 3 1 ( 6 0 0 x 2 n ) 2x 2 3 1 5 1 0 一：3 9 3 9 n 将喵柄平衡块设计成扇形块样式，如图2 1 3 所示，扇形的夹角为2 缈= 万2 ， 内径为，= 1 0 0 m m 。 图2 1 3 平衡块平面形状 外径和厚度通过试算曲柄盘平衡块质心为t = 1 8 0 m m 、t = 1 6 0 m m 、 1 7 武汉理- t 大学硕士学位论文 z = 1 5 0 m m 时分别得出，计算过程如下： 扇形质心计算公式： ，一2 r 3 一r 3s i n6 p 一3r 2 一，2 仍 带入已知数据后得到方程式：2 r 3 11 2 5 7 r r 2 一2 1 0 0 3 + 11 2 5 n 1 0 0 2 = 0 在m a t l a b 中计算，得到r = 2 1 8 5 m m 。 平衡块厚度： j z ：兰：一m ：型一1 ：t ， s p s2 。x cp s2 p s x c 扇形平衡块面积： s = s r s r = i 1 万r z _ r 2 ) = i 1 万( 2 1 8 5 2 一l 0 0 2 ) = 2 9 6 4 2 7 m 研2 带入乙= 5 3 1 5 r a m ，乞i 。= 2 3 1 5 r a m 曲柄盘平衡块厚度： k ，：竺塑一5 3 1 5 ：3 2 8 r a m , 圆整为3 3 所研 ，l m a x32x 7 8 x 1 0 - 6x296427x150 2 圆蜀芭刀3 3 7 研 j i l 幽= 而2 3 1 5 x 3 3 = 1 4 3 m m 当曲柄盘质心在最大值和最小值之间分档变动，假设质心位置变化分n 档， 只需要做，z l 块平衡块即可，每块平衡块的厚度为呜= 。 啦x 分别计算后结果如下表： 扇形块质心x扇形块内径r扇形块外径r扇形块厚度h m a x扇形块厚度h m i n ( n u n )( n u n ) ( m m ) ( n u n ) ( m m ) 1 8 01 0 02 7 31 3 65 4 1 6 01 0 02 3 72 1 48 5 6 1 5 01 0 02 1 8 53 31 4 3 根据结构要求选用第三组数据，即 d = 1 5 0 m m ，= 1 0 0 m m ，r = 2 1 8 5 m m ，j j l 一= 3 3 m m ，曩m i 。= 1 4 3 m m 设计好的曲柄平衡系统主要零件如图2 1 4 所示 1 8 武汉理= 太学硕士学位论文 刿2 - 1 4 a 可拆换甲衡块 目2 - 1 4 b 平衡块支架 平衡块支架的扇形区域用于安装更换的平衡块，大圆孔用于固定在刀架的 曲柄系统上。其中平衡块支架l 的扇形块质量为1 43 培，是按照能够平衡的最小 惯性力设 t 的。当需要平衡的惯性力增加时只需要安装或更换合适的平衡块 就可以了。 233 同步带的选型 前面已经提到过，刀架在工作过程中，驱动转矩分别作用在前后两个曲柄 上，为了实现前后驯动的同步性，机构中采用同步带实现功能。另外，平衡块 的转动也要和曲柄实现同步转动，在此同样采用同步带传动。下面对平衡块同 步传动系统进行设计计算。 i ) 计算负载扭矩 负载周期性变化，星大负载扭矩：r = 2 t = 2 5 69 1 5 1 0 3 = 1 1 4 n 川 2 ) 选取带型 根据b 、n 由图1 3 - 1 7 确定选用h 型 3 ) 确定带轮节凰直径 根据结构尺寸限制，带轮节径d 2 7 0 r a m ，又根据曲柄盘与平衡块同步转动 要求，d = 以。 由表1 3 1 6 0 查得一= d 2 = 2 9 10 6 r a m ，带轮齿数：= = ，= 7 2 4 ) 带速 y = 型6 0 x l 址0 0 0 = ”- 2 6 9 0 1 x 0 1 0 0 6 x 0 6 0 0 = 9 川5 ，6 0 x 1 0 0 0 一 在5 2 5 m s 之问满足要求。 5 ) 根据结构要求初定中心距以= 3 8 5 m m 武汉理工大学硕士学位论文 6 初定带的节线长度 l o p , 2 a o + 2 ( 卅啪+ 警- 2 3 8 5 + 三( 2 9 1 0 6 + 2 9 1 0 6 h 6 8 4 砌加 7 ) 由表1 3 1 - 5 2 查得节线长度0 = 1 6 7 6 4 m m ，齿数乙= 1 3 2 基准额定功率昂= ( t , 1 , - 面m 矿v 2 一) v 式中，由表1 3 1 - 7 5 查得兀= 2 1 0 0 8 5 n ，m = o 4 4 8 k g m 计算po = 幽坠掣= 1 8 8 6 k 形 已知设计中同步带选用6 6 0 h 1 0 0 ，带宽2 5 4 m m 。 该带能提供的扭矩： k = 9550xp。乡39550x 1 8 8 6 3 3 n6 0 0 = 1 5 0 n m 11 4 n m ，设计满足要求。 查手册n 伽确定带动平衡块转动需用的同步带的型号为8 0 0 h1 0 0 ，同样经过 计算前后曲柄同步驱动所需同步带型号为6 6 0h1 0 0 。 2 3 3 同步带轮的设计参数 同步带轮的设计参数如下表所示： 周节制 齿数节距 带宽 大同步带轮 h7 21 2 7 m m2 5 4 m m 小同步带轮 h4 01 2 7 m m2 5 4 m m 2 3 4 刀架总体结构设计 刀架最终的设计结果如图2 - 1 5 所示： 武汉理上大学硕十学位论文 24 本章小结 幽2 1 5 刀架总体结构 本章采用平行四边形机构实现曲轴连杆轴颈的随动车削，提出了刀架曲柄 的长度调整方案，解决了提高系统刚度以及动平衡设计等问题，最终完成了整 个刀架系统的结构设计，并利用p r o e 软件对整机进行了实体建模。 武汉理工火学硕士学位论文 第3 章刀架机构力学分析 本章将分别计算在实际工况下，驱动工件和刀架转动所需的转矩，为进一 步研究机床的功率分配研究提供依据。接着将利用虚拟样机仿真技术对刀架整 体做运动学仿真，确定刀架各个零件铰接处，尤其是连杆上的受力情况，一方 面验证结构设计合理性，另一方面为连杆有限元分析提供数据。 3 1 驱动转矩分析 通过对刀架随动车削曲轴连杆轴颈所需的驱动转矩进行计算，一方面可以 为分析电机功率分配提供依据，另一方面，为验证刀架锁死装置是否可靠提供 数据支持。 对于本机床来说，电机功率的流向大致分为三个部分：工件、头( 尾) 架 系统以及刀架系统。可以通过计算转矩来间接的研究电机功率。这罩仅考虑工 件转动和刀架转所需的驱动转矩，如图3 - 1 所示，工作过程中曲轴和刀架是同 步转动的，两者之间通过内联传动链实现动力的传递。为了使问题变得简单， 在研究过程中将两部分分开进行讨论，分别计算驱动转矩。 ( b ) f t 图3 - 1 刀架机构切削工件简图 ( c ) 武汉理t 大学硕士学何论文 3 1 1 驱动曲轴所需转矩的计算 某批次曲轴连杆轴颈半径r = 3 5 m m ，曲轴连杆臂长为，= 7 5 m m ，刀架曲柄 长度调整为正= z 。加工过程中，连杆的受力情况为：作用于轴颈上大小和方向 不变的切削力= 7 9 0 n 、f ：= 2 9 0 0 n 以及驱动转矩互。某一瞬时对曲轴进行力 学分析，对d 。点求矩，列平衡方程： 石一( z c o s 0 + r ) 一曩，s i n o = 0 ( 3 一1 ) 代入数据，计算可得： 石= 2 1 7 5 c o s 0 + 5 9 2 5 s i n 0 + 1 0 1 5 ( 3 - 2 ) 3 1 2 驱动刀架所需转矩的计算 对于刀架系统，要使其能够平稳运转，必须在前后曲柄上同时施加转矩， 但在这罩只考虑驱动刀架总的转矩，所以在此仅将驱动转矩作用在一个曲柄上 进行计算。 前一章中完成了整个