曲軸切削過程的仿真分析

李定海 楊蘇勤

（西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)，四川峨眉 614202）

1 引言

曲軸是CNG壓縮機(jī)重要的部件，它的幾何參數(shù)不僅影響著CNG壓縮機(jī)的質(zhì)量，而且很大程度上影響著CNG壓縮機(jī)的可靠性和使用壽命[1-3]。曲軸加工過程中由彎曲變形殘留的殘余變形及殘余應(yīng)力對(duì)曲軸的彎曲疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生較為嚴(yán)重影響，而曲軸的破損有可能引起CNG壓縮機(jī)其他零件的嚴(yán)重?fù)p壞。隨著對(duì)CNG壓縮機(jī)工作性能要求的逐漸提高，曲軸工作條件愈加復(fù)雜，曲軸在周期變化的氣體壓力、往復(fù)和旋、轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起的慣性力以及它們的扭、彎矩、沖擊荷載共同作用下工作，使曲軸承受扭轉(zhuǎn)、彎曲(彎矩較大，由力學(xué)知識(shí)可知其是曲軸的主要控制指標(biāo))荷載。因此曲軸加工要求非常高。

前面表達(dá)式中相關(guān)參數(shù)說明，切削速度υc，是指切削刀具選定點(diǎn)對(duì)曲軸主運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度，單位為m/min；背吃刀量ap，是指垂直于進(jìn)給速度方向測(cè)量的切削層最大尺寸，單位為mm；CFc、CFp、CFf—切削力公式系數(shù)，根據(jù)加工條件由實(shí)驗(yàn)確定；xF、yF、nF—表示各因素對(duì)切削力的影響程度指數(shù)；KFc、KFp、KFf—不同加工條件對(duì)各切削力的影響修正系數(shù)。

2 切削力計(jì)算

刀具在切削曲軸時(shí)，加工層與工件內(nèi)部產(chǎn)生彈性、塑形變形反力；流出的碎屑和工件運(yùn)動(dòng)與刀具之間均產(chǎn)生摩擦力，前面幾種作用力的合力用F表示。由于F是一個(gè)空間方向，為了方便計(jì)算和測(cè)量將F分解為3個(gè)分力，主切削力Fc，主運(yùn)動(dòng)方向沿著曲軸切線切削力分力；進(jìn)給力Ff，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的切削力分力；背向力Fp，垂直于工作平面上的切削力分力[4-6]。切削力表示為指數(shù)形式的實(shí)驗(yàn)公式為

3 曲軸有限元模型的建立

本文選用Ansys14.0軟件中的solid185單元來給切削加工過程中的曲軸建模，曲軸分75087個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為29688個(gè)（因?yàn)槭莿?dòng)力分析，所以曲軸單元不宜分的太小，本文采用單元長(zhǎng)度為0.02m，參見圖1）。曲軸材料的彈性模量為150GPa，密度為7800kg/m3，泊松比為0.29. 曲軸約束與實(shí)際加工一致的形式進(jìn)行約束加載，即曲軸近端圓截面中部部分節(jié)點(diǎn)ux=uy=uz=0，另外一端的部分ux=uy=0。切削荷載用實(shí)驗(yàn)擬合切削的移動(dòng)力來模擬刀具的切削力，分析采用瞬態(tài)分析法，求解方法采用full方法。

4 切削過程引起位移計(jì)算

本文模擬不同速度情況下刀具在曲軸切削過程的位移動(dòng)力響應(yīng)，分析刀具位置在一些關(guān)鍵位置情況，曲拐轉(zhuǎn)折處8個(gè)截面，中部的變截面、以及跨中附近的6個(gè)截面，總共選取較為關(guān)鍵的14個(gè)截面來進(jìn)行分析，但是限于篇幅，本文僅給出刀具在第二個(gè)曲拐處和跨中兩個(gè)處的分析數(shù)據(jù)，而動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)又僅提取剛度較小的曲拐處的位移動(dòng)力響應(yīng)值來進(jìn)行分析。

5 曲軸切削加工過程分析

圖1 切削力在曲拐處時(shí)曲拐處節(jié)點(diǎn)ux位移

圖2 切削力在跨中處時(shí)曲拐處節(jié)點(diǎn)ux位移

圖3 切削力在跨中處時(shí)曲拐處節(jié)點(diǎn)ux位移

圖4 切削力在跨中處時(shí)曲拐處節(jié)點(diǎn)ux位移

說明：橫坐標(biāo)是表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示動(dòng)力響應(yīng)位移值（為了作圖方便，圖中數(shù)據(jù)均被放大10倍，單位是mm）。

圖1-圖4可以看出曲軸在不同位置切削力作用下的位移動(dòng)力響應(yīng)曲線相似，在不同速度情況響應(yīng)周期有所不同。由前面的切削力理論計(jì)算可以知道，隨著切削速度增加，切削力也逐漸增加，由響應(yīng)曲線可以看出，曲軸縱向、橫向位移明顯增大。計(jì)算速度最小時(shí)，圖1、圖3的橫向位移分別為為0.12mm、0.14mm，當(dāng)速度達(dá)到最大時(shí)，兩個(gè)圖中最大位移分別為0.31mm、0.31mm，最大位移是最小位移的2.58倍、2.21倍；圖2、圖4中豎向位移響應(yīng)情況與橫向位移相似，最大位移與最小位移比值為2.79倍、1.87倍，可以看出豎向位移中位移響應(yīng)隨著速度和切削力變化時(shí)，變化較大，而其中自重引起的是一個(gè)恒定的豎向位移，對(duì)于豎向動(dòng)力響應(yīng)位移可能曾打，有一部分是減小所致。由于切削過程中引起曲軸位移較大（此計(jì)算中并未考慮刀具和支架的變形），這樣在加工過程中就需要對(duì)曲軸進(jìn)行多次的矯正，這樣必然引起曲軸有殘余內(nèi)力和變形存在，由于曲軸后期運(yùn)行條件復(fù)雜，并且是承受動(dòng)力荷載對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生不利影響，所以減小曲軸加工過程的變形勢(shì)在必行。

6 總結(jié)與結(jié)論

本文應(yīng)用移動(dòng)荷載代替切削刀具的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)實(shí)際的加工情況，在計(jì)算中分析了多種情況下刀具切削曲軸的各個(gè)位置的響應(yīng)情況，本文限于篇幅僅僅提取了曲拐處的位移進(jìn)行討論。得到了許多對(duì)實(shí)際有指導(dǎo)意義的結(jié)論，現(xiàn)總結(jié)如下。

(1)通過對(duì)比曲軸的動(dòng)力響應(yīng)圖可以發(fā)現(xiàn)，速度增加響應(yīng)時(shí)間變短的同時(shí)位移也迅速增加，在是加工的切削速度可以根據(jù)加工效率來確定切削速度。

(2)曲軸動(dòng)力響應(yīng)位移值較大，可見其剛度偏小，由于曲軸曲拐較多，導(dǎo)致其剛度顯著減小。條件允許的情況下增加跟隨支架、增加其他輔助設(shè)備來提高剛度是非常有必要。曲軸加工位移減小，曲軸在加工過程中可以有效減少加工過程的矯正次數(shù)，從而達(dá)到降低因矯正留下殘余應(yīng)力和變形的目的；并達(dá)到降低成本的同時(shí)也能加工出高質(zhì)量的曲軸供CNG壓縮機(jī)使用。

從以上的計(jì)算和分析可以知道，本文對(duì)曲軸動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)其動(dòng)力位移大，剛度偏小，在實(shí)際加工過程值得重視，對(duì)于提高曲軸加工精度以及降低成本都有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 李連生，唐斌，王樂，“往復(fù)壓縮機(jī)曲軸變工況條件下有限元分析”[J]，流體機(jī)械，Vol.39，No.12,2011,pp14-17.

[2] 薛隆泉，劉榮昌，崔亞輝，“曲軸圓角滾壓運(yùn)動(dòng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)”[J]，機(jī)械工程學(xué)報(bào),Vol.38，No.1,2002,pp146-148.

[3] Z. P.Mourelatos,“An efficient crankshaft dynamic analysis using substructuring with ritz vectors”, Journal of Sound and vibration,Vol.238, NO.3,2000, pp495-527.

[4] 王浩青，“切削力理論計(jì)算公式局限性的探討”，煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)與工程版),Vol.14,NO.2,2001,pp142-147.

[5] Liqiang Zhang, Dazhong Wang and Keyong Wang,"Modeling and Analysis for Five-Axis High Speed Milling Process Based on Cutter Optimal Kinematics Performance",Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology,Vol.4,No. 22, 2012,pp 4718-4723.

[6] Nosratollah Solhjoei, Amir vafaei,etc.,"High Speed Milling of Al2O3 Particles Reinforced Aluminum MMC",Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology,Vol.4,No.17, 2012,pp3015-3020.