張晉燁，張海云，趙玉剛，張 軍，王顯達(dá)

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

0 引言

曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)中的作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中曲軸受力情況復(fù)雜，曲軸加工的每一個(gè)工藝環(huán)節(jié)都會(huì)影響曲軸的最終精度及使用壽命[1-2]。由于國(guó)內(nèi)對(duì)其研究較少，曲軸拋光大多數(shù)還保留著幾十年前的拋光工藝，這種工藝常見的問題為拋光效率低下及拋光精度不足等問題[3-6]。目前曲軸拋光機(jī)的拋光原理是依靠曲軸的自身轉(zhuǎn)動(dòng)使磨料在外力作用下沖擊曲軸表面從而吸附磨粒完成曲軸拋光，在拋光過程中磨粒受到軸向力及切向力作用，其中軸向力決定了磨粒進(jìn)入曲軸表面的程度，切向力決定了曲軸的表面精度。根據(jù)Preston公式及切削力變化可得，高轉(zhuǎn)速條件下曲軸拋光效率高但是表面質(zhì)量較差，而中低轉(zhuǎn)速能夠提高曲軸表面質(zhì)量但是拋光效率低下。研究表明磨料振動(dòng)在保證非球面面型精度的前提下能夠大幅度降低表面粗糙度并提高拋光效率，因此將其應(yīng)用于曲軸拋光中可以獲得較高的表面質(zhì)量[7-8]?；谝陨蠋c(diǎn)本文將振動(dòng)與曲軸磨料拋光相結(jié)合用于改進(jìn)目前的曲軸拋光工藝，對(duì)今后曲軸制造工藝的提高有重要的意義[9-10]。

1 拋光機(jī)改進(jìn)方案

傳統(tǒng)曲軸拋光機(jī)由機(jī)械部分、液壓部分、電氣控制系統(tǒng)組成，研究振動(dòng)對(duì)曲軸拋光的影響需要確定傳統(tǒng)拋光機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)布局，因此本文將傳統(tǒng)拋光機(jī)進(jìn)行三維建模并將振動(dòng)裝置應(yīng)用于模型，圖1為具體的改裝方案：改裝后拋光機(jī)的機(jī)械部分由機(jī)床、夾緊轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、振動(dòng)裝置組成，其中機(jī)床由底座2和托盤3通過銷軸連接在一起;夾緊轉(zhuǎn)動(dòng)裝置由頭架箱4、尾架箱6、雙作用式單桿液壓缸5等組成，頭架箱4負(fù)責(zé)提高曲軸旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力同時(shí)負(fù)責(zé)曲軸的定位，而尾架箱6在活塞桿的帶動(dòng)下沿導(dǎo)軌水平移動(dòng)負(fù)責(zé)對(duì)曲軸的夾緊，振動(dòng)裝置9與沙箱連接，沙箱周圍增加軸承及導(dǎo)軌，沙箱的運(yùn)動(dòng)軌跡為往復(fù)平面運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)裝置由振動(dòng)馬達(dá)、變速箱、偏心軸、連桿、搖桿、沙箱組成，經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算沙箱的振動(dòng)幅度為L(zhǎng)2=300mm，振動(dòng)馬達(dá)的擺動(dòng)幅度為β2=50°。

1.沙箱 2.機(jī)床 3.托盤 4.頭架箱 5.固定式液壓缸 6.尾架箱 7.轉(zhuǎn)動(dòng)式液壓缸 8.偏心裝置 9.導(dǎo)軌圖1 拋光機(jī)三維造型

2 運(yùn)動(dòng)仿真分析

為了探究改裝后曲軸拋光機(jī)的干涉現(xiàn)象及振動(dòng)裝置工作過程中速度及加速度的變化趨勢(shì)、分析工藝參數(shù)對(duì)實(shí)際拋光效果的影響，本文運(yùn)用UG運(yùn)動(dòng)仿真模塊進(jìn)行干涉性實(shí)驗(yàn)及仿真實(shí)驗(yàn)，本次運(yùn)動(dòng)仿真分為二個(gè)部分：干涉實(shí)驗(yàn)和建模仿真實(shí)驗(yàn)。如圖2所示拋光機(jī)的前處理由9組構(gòu)件、12組運(yùn)動(dòng)副組成。

圖2 連桿及運(yùn)動(dòng)副分布圖

(1)干涉實(shí)驗(yàn)：對(duì)于機(jī)構(gòu)干涉性實(shí)驗(yàn)，本次仿真運(yùn)動(dòng)借助STEP函數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證：

J003的驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)定為：step(time，50,0,100,900)；J007的驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)定為：step(time，0,0,50,550)；J009的驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)定為：(step(time，100.0001,0,100,1)+step(time，400.0001,0,400，-1))*shf(time，0,25,2d，0,0)當(dāng)驅(qū)動(dòng)設(shè)定完成后，解算方案顯示gruebler=0證明沒有多余的冗雜約束，進(jìn)行“求解”及“動(dòng)畫”演示，演示過程表明該運(yùn)動(dòng)方案能夠按照預(yù)想路線運(yùn)動(dòng)并且在運(yùn)動(dòng)過程中各構(gòu)件無干涉現(xiàn)象。

(2)建模仿真實(shí)驗(yàn)：本次改裝方案后拋光機(jī)的工作行程由四個(gè)運(yùn)動(dòng)模塊組成，首先由頭尾架箱夾緊曲軸并帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，隨后托盤旋轉(zhuǎn)將曲軸送入沙箱內(nèi)，最后沙箱內(nèi)的松散磨料在振動(dòng)裝置的帶動(dòng)下開始拋光。由于托盤的轉(zhuǎn)動(dòng)涉及多個(gè)構(gòu)件及運(yùn)動(dòng)合成定理，因此對(duì)該運(yùn)動(dòng)模塊的仿真能夠驗(yàn)證該三維模型的準(zhǔn)確性。在實(shí)際工作情況中活塞桿1的工作行程為L(zhǎng)1=900mm，托盤的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為β1=60°，在托盤運(yùn)動(dòng)過程中存在活塞桿移動(dòng)、液壓缸轉(zhuǎn)動(dòng)及托盤轉(zhuǎn)動(dòng)，其中活塞桿的移動(dòng)為伴隨運(yùn)動(dòng)V活、液壓缸的轉(zhuǎn)動(dòng)為牽連運(yùn)動(dòng)V液、托盤的轉(zhuǎn)動(dòng)為絕對(duì)運(yùn)動(dòng)V拖，托盤的速度與活塞桿速度之間的關(guān)系根據(jù)運(yùn)動(dòng)合成定理可知：

V拖=V活·secθ，

(1)

式中，θ為托盤與地面的角度，則當(dāng)θ為0°即托盤與底座契合時(shí)，活塞桿的速度決定了托盤的契合速度。因此只要觀察托盤的運(yùn)動(dòng)變化曲線及最終速度是否符合理論變化即可驗(yàn)證三維模型的準(zhǔn)確性，與之相關(guān)的運(yùn)動(dòng)副有J003、J004、J005,其中J003為活塞桿移動(dòng)的滑動(dòng)副，所以應(yīng)對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)設(shè)置并且“解算方案”中時(shí)間及步數(shù)應(yīng)根據(jù)驅(qū)動(dòng)確定。圖3為驅(qū)動(dòng)10mm/s勻速運(yùn)動(dòng)下的托盤速度變化圖，可以看出托盤的速度變化符合sec函數(shù)的變化規(guī)律，其與機(jī)床的契合速度V終=10.5mm/s≈10mm/s,其轉(zhuǎn)動(dòng)角度為55°與實(shí)際托盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度及運(yùn)動(dòng)速度差別不大，綜上可以確定該三維建模與實(shí)際情況下的曲軸拋光機(jī)基本相似。

圖3 托盤運(yùn)動(dòng)變化軌跡圖

3 拋光結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)該振動(dòng)裝置能否提高曲軸拋光精度及拋光效率，本文對(duì)傳統(tǒng)曲軸拋光機(jī)及添加振動(dòng)裝置后的拋光機(jī)進(jìn)行了多組對(duì)照試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中曲軸及拋光磨料的規(guī)格為：曲軸材料：35CrMoA、長(zhǎng)度：2263mm、體積：52277013mm3密度：7.75×10kg/m3、重量：4086.5N；拋光磨料選用白玉剛，其堆積密度：1.53～1.99g/cm3、顆粒密度：3.95～4.0g/cm3，其他工藝參數(shù)設(shè)置：頭尾架箱的轉(zhuǎn)速設(shè)定為20r/min，活塞桿速度為V=10mm/s。圖4a為磨粒振動(dòng)拋光前后曲軸表面粗糙度變化程度，圖4b為傳統(tǒng)拋光前后曲軸表面粗糙度變化程度，從圖中可以看出相比于傳統(tǒng)曲軸拋光方式，由于在復(fù)合拋光過程中磨粒的慣性力與曲軸表面摩擦產(chǎn)生的摩擦力耦使拋光過程穩(wěn)定、拋光后曲軸表面粗糙度起邊幅度不大，拋光后曲軸表面表面粗糙度低。圖5a、圖5b為拋光半個(gè)小時(shí)后曲軸拋光表面粗糙度變化情況，從圖中可以看出在相同時(shí)間內(nèi)復(fù)合拋光方式的效率是傳統(tǒng)拋光方式效率的三倍。這是由于振動(dòng)裝置傳遞的慣性力增大使磨粒收到的向心力增大從而導(dǎo)致曲軸表面粗粗糙迅速降低，同時(shí)由于前期磨料迅速使磨料后期去除能力下降，復(fù)合式拋光效率下降。

(a)磨粒振動(dòng)拋光前后表面粗糙度對(duì)比

(b)傳統(tǒng)拋光前后表面粗糙度對(duì)比圖圖4 表面粗糙度對(duì)比

(a)傳統(tǒng)拋光半小時(shí)后粗糙度對(duì)比圖

(b)磨粒振動(dòng)拋光半小時(shí)后粗糙度對(duì)比圖圖5 相同時(shí)間內(nèi)表面粗糙度對(duì)比

圖6借助運(yùn)動(dòng)分析軟件觀察了沙箱速度及加速度在不同頻率下對(duì)復(fù)合拋光效果的影響,從圖中可以看出振動(dòng)頻率的提高縮短了沙箱的振動(dòng)周期，同時(shí)速度變化趨于平緩導(dǎo)致拋光過程越來越穩(wěn)定并且隨著頻率的升高，速度譜線圖的幅值增大，與X、Y軸圍成的面積越來越大，拋光效率顯著提高，而增大振動(dòng)頻率會(huì)導(dǎo)致加速度出現(xiàn)峰值次數(shù)變多從而使切向力增大降低拋光精度。因此需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置相應(yīng)的振動(dòng)頻率進(jìn)行實(shí)際曲軸拋光工藝。

(a)不同頻率下沙箱速度對(duì)比圖

(b)不同頻率下沙箱加速度對(duì)比圖圖6 沙箱速度及加速度變化

4 結(jié)束語

大量仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明添加磨料振動(dòng)后的復(fù)合曲軸拋光的精度及效率均優(yōu)于傳統(tǒng)曲軸拋光，這對(duì)復(fù)雜回轉(zhuǎn)體零件拋光具有較好的借鑒價(jià)值。由于該拋光方式較為新穎，本文只是初步探索了其應(yīng)用于曲軸拋光的可行性，今后可對(duì)其拋光工藝參數(shù)設(shè)計(jì)方差實(shí)驗(yàn)從而分析影響拋光精度及效率的工藝關(guān)鍵參數(shù)空間，同時(shí)借助有限元軟件建立拋光仿真模型并闡述其微觀拋光機(jī)理，對(duì)曲軸拋光行業(yè)的拓展將具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義。