（机械制造及其自动化专业论文）曲轴加工复合车床双驱动原理及方法研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 曲轴是发动机的重要部件之一，也是受力情况最为复杂的部件之一。其加 工质量直接影响着发动机的整体性能，这对曲轴加工设备提出了很高的要求。 在这一背景下，研究曲轴加工设备的驱动原理和方法，寻求适合的同步驱动方 案，这不仅在学术上有重要价值，而且具有重大的实用意义。 传统的多刀车削机床，因其采取单边驱动的方式，扭矩传递距离比较大， 曲轴会在加工过程中产生较大的扭转变形，影响相位角精度。本课题所研究的 曲轴加工复合车床，采用双驱动方式，由头、尾架同步驱动曲轴旋转。大大提 高了曲轴加工精度。 本论文在对传统曲轴加工工艺和设备进行详细分析的基础上，研究了曲轴 在加工过程中的受力和变形问题，提出了曲轴加工复合车床双驱动的必要性。 以曲轴加工复合车床为例，探讨了双驱动的两种主要实现方式，并对同步精度 进行分析和计算。本论文主要包括四部分内容：一是曲轴受力分析及加工精度 计算。对加工过程中曲轴的受力情况进行分析，得知曲轴的弯曲变形量较小， 而且在精加工阶段可以得到一定补偿，而由扭转变形引起的曲轴连杆颈相位角 误差较大，且在后续加工中无法得到补偿。因此主要对扭转变形进行计算，分 析了其对加工精度的影响。二是双驱动的实现方法及同步误差分析。两种实现 机械系统同步的方法是机械同步和控制同步，分别对其误差来源及误差控制方 法进行分析，提出了几种控制方案，并对其控制效果进行分析。三是曲轴加工 复合车床双驱动系统若干关键零件的结构设计。四是曲轴相位角检测装置的设 计及应用。传统曲轴连杆颈相位角检测方法，由于其通用性差、检测效率低、 误差大等原因，不能满足曲轴大批量生产时的需要。本文对传统曲轴连杆颈相 位角的测量方法进行了误差分析，研究了一种测量误差小、检测效率高的新型 数显测量仪，并介绍了其结构原理和使用方法。 论文研究内容对曲轴加工技术及汽车制造业具有实用价值，具有广泛的应 用前景。 关键词：曲轴加工，相位角，双驱动，同步控制 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c r a n k s h a f ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t si nt h ee n g i n e , a l s ow i t ht h em o s t c o m p l i c a t e dw o r kf o r c e i t sp r o c e s s i n gq u a l i t yd i r e c t l ya f f e c t st h eq u a l i t yo ft h e o v e r a l le n g i n ep e r f o r m a n c e ，w h i c hr e q u e s tc r a n k s h a rm a c h i n i n ge q u i p m e n tw i t hh i g h q u a l i t y i nt h i sc o n t e x t ，i t si m p e r a t i v et os t u d yd r i v i n gp r i n c i p l e sa n dm e t h o d so f c r a n k s h a f t m a c h i n i n ge q u i p m e n t ，a n d f i n d a p p r o p r i a t es y n c h r o n i z a t i o n d r i v e n p r o g r a m ，t h i si sn o to n l ya c a d e m i cv a l u e ，b u ta l s oo fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h et r a d i t i o n a lm u l t i t o o l l a t h e ，d u et oi t su n i l a t e r a ld r i v i n gm o d ea n dl a r g e t o r q u et r a n s m i s s i o nd i s t a n c e ，c a n n o tm e e tt h ea c c u r a c yo fc r a n k s h a f tp h a s ea n g l e i n t h i sa r t i c l e ，c r a n k s h a f ti sd r i v e ns y n c h r o n o u s l yb yt h eh e a d s t o c ka n dt a i l s t o c k ，t h a t g r e a t l yi m p r o v e dc r a n k s h a f tm a c h i n i n ga c c u r a c y i nt h i st h e s i s ，b a s e do na n a l y s i so ft h et r a d i t i o n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n d c r a n k s h a f tm a c h i n i n ge q u i p m e n t ，i ts t u d i e dt h ef o r c ea n dd e f o r m a t i o no ft h e c r a n k s h a f t ，p r o p o s e d t h e n e c e s s i t y o fd u a l - d r i v e ，d i s c u s s e dt h et w om a i n i m p l e m e n t a t i o n sm e t h o d ，a n dc a l c u l a t e ds y n c h r o n i z a t i o ne r r o r i tc a nb ed i v i d e di n t o f o u rp a r t s f i r s t ，c r a n k s h a f ts t r e s s a n a l y s i s a n dm a c h i n i n gp r e c i s i o nc a l c u l a t i o n t h r o u g ha n a l y s i s ，w ek n o wt h a tt h eb e n d i n gd e f o r m a t i o n eo fc r a n k s h a f ti ss m a l l ，a n d c a nb ec o m p e n s a t e di nt h es u b s e q u e n tp r o c e s s i n g i nc o m p a r i s o n ，t h ep h a s ea n g l ee r r o r , c a u s e db yt h et o r s i o n a ld e f o r m a t i o n ，i sl a r g e ，a n dc a n n o tb ec o m p e n s a t e d s o ，i t m a i n l yc a l c u l a t et h et o r s i o n a ld e f o r m a t i o no ft h ec r a n k s h a f t ，a n da n a l y z e si m p a c to n t h em a c h i n i n ga c c u r a c y s e c o n d ，t h em e t h o do fd u a l d r i v ea n ds y n c h r o n i z a t i o ne l l o r c a l c u l a t i o n t h e r ea r et w om e t h o d st oa c h i e v es y n c h r o n o u sd r i v e ( m e c h a n i c a lm e t h o d a n de l e c t r i c a lm e t h o d ) r e s p e c t i v e l ya n a l y s i st h es o u r c eo ft h e i re l l o ra n de r r o r c o n t r o lm e t h o d ，p r o p o s e ds e v e r a l c o n t r o lp r o g r a m s ，a n d a n a l y s i st h e i rc o n t r o l e f f e c t s t h i r d ，s t r u c t u r ed e s i g no fk e yp a r t si nt h ed u a l d r i v es y s t e m l a s t ，d e s i g na n d a p p l i c a t i o no fc r a n k s h a f tp h a s ea n g l em e a s u r i n gi n s t r u m e n t t r a d i t i o n a lm e a s u r i n g m e t h o do fe r a n k s h a f ip h a s ea n g l ed o e sn o tm e e tt h el a r g e s c a l ep r o d u c t i o n ，d u et oi t s p o o ra d a p t a b i l i t y , l o we f f i c i e n c ya n dl a r g ee r r o r t h i sp a p e rc a r r i e so nt h ee l l o r a n a l y s i st ot h et r a d i t i o n a lc r a n k s h a f tp h a s ea n g l em e a s u r i n gt e c h n i q u e ，a n dp r o p o s ea d i g i t a lm e a s u r i n gi n s t r u m e n tw i t hs m a l le r r o ra n dh i g he f f i c i e n c y , a l s oi n t r o d u c e dt h e n 武汉理工大学硕士学位论文 p r i n c i p l eo f i t ss t r u c t u r ea n du s a g e t h ec o n t e n t so ft h i sp a p e rh a sap r a c t i c a lv a l u et ot h ec r a n k s h a f tm a c h i n i n g t e c h n o l o g ya n dt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y , i th a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：c r a n k s h a f tm a c h i n i n g ，p h a s ea n g l e ，d u a ld r i v e ，s y n c h r o n i cc o n t r o l i i i 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： 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c ：卜两翮c ：枷之日期汕、厂 武汉理工大学硕七学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在金融危机的影响下，汽车市场的竞争日趋激烈，汽车发动机制造及加工 技术水平将面临大幅提升的历史性机遇和挑战。曲轴，作为发动机最重要的部 件之一，其加工质量和精度直接影响发动机的整体性能。曲轴制造技术是发动 机制造技术的集中体现，也是代表着一个国家制造业水平的重要标志之一。进 入2 1 世纪以后，曲轴在制造工艺上发生了巨大变化，传统的多刀车削工艺和普 通磨削工艺，由于加工精度低和柔性差等原因，正逐步退出历史舞台。高速、 高效的复合加工技术迅速进入汽车制造业，在曲轴加工生产中已有广泛应用。 但国内此类设备长期依靠进口，价格昂贵。因此改进曲轴加工工艺，研制一种 加工精度高、效率高、适应性强、性能稳定的曲轴加工复合车床迫在眉睫。 曲轴加工复合车床是加工发动机曲轴的专门化车床。由于连杆轴颈的中心 与曲轴的旋转中心不重合，而曲轴的刚度往往又较差，所以曲轴连杆颈车床有 它自己的特点。传统的曲轴多刀车削机床和普通磨削机床，因其采取单边驱动 的方式，在加工过程中，会产生较大的扭转变形，影响加工精度。新型的曲轴 加工机床大部分都采取双驱动的方式，要求机床的头架、尾架同步运行，以减 小曲轴加工过程中产生的扭转变形，保证曲轴加工精度。可以使机器在最佳的 工况下工作，获得较高的工作效率和工艺指标，进而获得较高的经济效益和社 会效益。 1 2 国内外研究现状分析 工程中的许多机械，例如大型同步轧机、三峡工程中使用的升船机、辊式 破碎机、煤球机、大型闸门、纺织工厂中的纱锭、冶金工厂中的多轴辊道、拉 伸式矫直机、双滚筒或多滚筒驱动的带式输送机、造纸机、桥式或龙门起重机 等机械设备，都要求它们的回转轴有接近相同的速度或有相同的相位，即所谓 “同步乜钉 。这就要求采用适当的方法来满足它们的工作要求，目前实现机械系 统同步的方法，主要有机械的方式和控制的方法。 机械的方法是传统的实现同步的方法，其机构较复杂，体积较大，同步误 武汉理工火学硕士学位论文 差主要来源于同步机构各部件的机械加工、机械装配及工作过程中的弹性变形， 因此机械同步方式对机械加工、装配的要求比较高。其优点是控制系统比较简 单。机械同步方式是传统的实现机械系统同步的方法。 控制的方法实现机械系统同步，即“控制同步 。机械系统的控制同步是 门新兴的跨学科的综合性科学技术，是机械技术、电力电子技术和信息技术的 有机结合。它的发展和其他相关技术的发展密切联系在一起，控制同步的主要 对象是电动机，主要控制参数是位移、速度和相位。 2 0 世纪8 0 年代以来，传统的控制理论与智能控制理论都得到了迅速发， 并在工程实际中得到了广泛地应用，解决了许多工程实际问题，获得了巨大的 经济效益和社会效益。因此，采用控制的方法实现同步不仅已成为现实，而且 还获得良好的控制效果，既能获得满意的精度，又能获得良好的工作稳定性。 1 3 曲轴传统加工工艺及设备概况 1 3 1 曲轴结构简介 曲轴是带有曲柄的轴，它是发动机最重要的部件之一，它的作用是将发动 机各缸的往复功汇总起来，并以回转运动的方式传递出去。曲轴在工作过程中， 受力非常复杂，它总是兼受着弯曲、扭转和压缩等多种载荷的作用。这些负荷 不仅数值很大，而且又是周期性变化的，这就可能引起曲轴的弯曲和扭转变形， 甚至产生裂纹和折断n 1 。曲轴上的轴颈是在各主轴承或连杆大端轴承上转动的， 因此它还是个易损件。 如图1 1 所示，曲轴是由自由端1 、功率输出端3 和若干个曲拐2 组成。曲拐2 由主轴颈4 、连杆轴颈5 和曲柄6 组成。曲轴自由端是指曲轴第一个曲拐以前的部 分。大部分发动机在这一端安装带动凸轮轴的定时齿轮或链轮，并通过齿轮或 皮带轮带动齿轮滑油泵、冷却水泵、扫气泵、风扇和发电机等。曲轴功率输出 端是指曲轴最后一个曲拐以后的部分。曲轴的功率输出端又称飞轮端，因为在 这一端上一般都装有飞轮。它是发动机功率的主要输出端，在这一端上往往带 有法兰，用紧配螺栓将飞轮装于其上。按照气缸数目和排列方式不同，若干个 曲拐按照一定的方位排列跟自由端、功率输出端一起构成完整的曲轴。图1 1 为 四缸汽车发动机曲轴示意图。 2 武汉理工大学硕士学位论文 654 图1 1 四缸发动机曲轴示意图 1 3 2 曲轴主要技术要求 曲轴在发动机中的重要性和它在运转中受力情况的复杂性就要求它的形 状、尺寸、精度和粗糙度等必须满足较高的技术要求。以下是曲轴在制造过程 中与曲轴加工设备有关的主要技术要求晗1 。 1 主轴颈和连杆轴颈的直径尺寸公差：要求不低于i t 6 。 2 主轴颈和连杆轴颈的圆度公差：要求不大于尺寸公差的1 2 。曲轴在运 转时，如果轴颈上存在较大的圆度，会使轴承上受力不均匀，并破坏油膜，加 剧轴承的磨损。较大的圆度还会使轴承受到很大的冲击负荷，容易使轴承上的 耐磨合金层产生裂纹和剥落。 3 连杆轴颈中心线和主轴颈中心线的平行度要求：当曲轴用两端主轴颈支 承测量平行度时，要求平行度不大于1 0 0 ：0 0 2 。连杆轴颈轴线与主轴颈轴线若 存在较大的不平行度，则会给发动机机活塞连杆装置的安装带来困难，在运转 中会造成敲缸和加剧活塞、气缸以及滑块侧面等的不均匀磨损。 4 相位角要求：曲轴各连杆轴颈中心线对第一连杆轴颈中心线的角度偏差 不大于士1 5 。 5 轴颈表面粗糙度要求：表面粗糙度会影响轴颈和轴承的耐磨性。粗糙度 太差会加速轴颈和轴承的磨损，引起轴承发热和烧熔。同时，表面粗糙度还会 影响曲轴的疲劳强度。粗糙度愈差轴颈表面凹凸不平愈显著，应力集中也愈严 重，则疲劳强度也愈低，使用同久后就易产生裂纹甚至发展到断裂。对应力集 武汉理工大学硕士学位论文 中敏感性较大的合金钢曲轴，这一点尤为重要。表面粗糙度还会影响轴颈的耐 腐蚀性能，因为凹凸不平的表面最易腐蚀。因此，粗糙度直接影响到瞳轴的使 用寿命。根据0 c t 4 8 1 2 0 0 5 发动机曲轴技术条件，轴颈表面的粗糙度推荐如 表1 1 。 表1 1 曲轴轴颈表面的粗糙度( r a ) 限值 序号 项目 表面粗糙度，1 t m 1 主轴颈和连杆轴颈 r a 三0 3 2 2 轴颈圆角 r a 兰0 6 3 3 止推凸台端面 r a 耋o 6 3 4 油封轴颈 r a 三0 6 3 5 其他轴颈 r a 量1 2 5 6 主轴颈和连杆轴颈润滑油孔口 r a 耋1 2 5 6 曲轴轴颈表面的跳动量：曲轴各轴颈及表面的每一项跳动量超标时，均 会影响曲轴整体性能。例如：主轴颈的径向跳动量较大时，会使曲轴受到附加 弯曲应力，并会使主轴承加速磨损、发热，甚至烧熔。根据( q c t 4 81 - 2 0 0 5 发动 机曲轴技术条件，当曲轴用两端主轴颈支承时，曲轴各轴颈及端面的跳动量限 值如表1 2 ( 曲轴长度大于1 5 m ，且曲拐数多于6 个时，测量跳动量时允许采用 中间辅助支承。) 表1 2 曲轴轴颈表面的跳动量 名称 跳动量限值，m m 序号 曲轴长度耋1 5 m曲轴长度 1 5 m l 中问主轴颈 0 0 4o 0 5 2 装正时齿轮轴颈o 0 30 0 4 3 装皮带轮轴颈 0 0 40 0 5 4 装正时齿轮靠第一主轴颈端面 0 0 50 0 5 5 装飞轮法兰盘轴颈 0 0 30 0 5 6 止推凸台端面 1 0 0 ：0 0 2 51 0 0 ：0 0 2 5 7 装整体油封轴颈 0 0 3o 0 4 8 装非整体油封轴颈 0 0 40 0 5 9 装飞轮法兰盘端面1 0 0 ：0 0 21 0 0 ：0 0 2 4 武汉理1 二大学硕七学位论文 1 3 3 曲轴的制造工艺简介 曲轴的制造主要是包括曲轴毛坯制造和机械加工两个阶段。中小型发动 机曲轴由于尺寸较小，重量轻，一般都采用整根式制造，而大型发动机的曲 轴由于尺寸、重量、工艺等原因，采用组合式制造。 以整体式曲轴为例，由毛坯到成品的大致工艺过程如下： 1 铸锻件毛坯正火处理，合金钢锻件毛坯退火处理； 2 铸锻件毛坯切割试棒作化学成分、机械性能和金相分析等检验； 3 铸锻件毛坯划曲轴轴心线和表面加工线，并钻曲轴两端顶针孔； 4 粗车主轴颈、法兰外圆和端面，以及曲臂； i - n 面等 5 曲柄成形加工( 铸造、模锻和镦锻的曲轴毛坯无此工序) 6 粗车曲柄轴颈和曲臂内侧面； 7 粗车曲臂； 8 中空主轴颈和曲柄轴颈的划线和钻孔；( 铸造曲轴中空主轴颈和曲拐轴颈的 空心部分一般也是直接铸出，略经加工或不加工) ； 9 中间热处理：合金钢曲轴的淬火和回火处理；碳素钢和球墨铸铁曲轴的退 火或回火处理； 1 0 精车主轴颈、法兰外圆和端面以及曲臂外侧面等； 1 1 精车曲柄轴颈和益臂内侧面； 1 2 精车曲臂( 铸造曲轴的曲臂一般不加工或仅作粗加工) ； 1 3 精加工各轴颈孔； 1 4 轴颈润滑油孔的划线和钻孔； 1 5 法兰螺钉孔的划线、钻孔和精镗孔； 1 6 键槽的划线和铣键槽； 1 7 主轴颈和曲柄轴颈的光整加工： 1 8 钳工修整：去毛刺、修光润滑油孔口等； 1 9 全面检验( 包括无损探伤) 合格后即为成品。 根据曲轴的大小、结构及其毛坯制造方法，上述顺序会略有调整，有些工 序前后可以调换，有些工序也可以增减或合并。 武汉理t 大学硕士学位论文 1 3 4 曲轴主轴颈及连杆轴颈加工工艺 曲轴的机械加工一般分成粗加工、精加工和光整加工三个阶段，但有些曲 轴在粗精加工之间还插入半精加工，而在曲轴单件生产中又常将光整加工与精 加工合并。对于自由锻曲轴毛坯，往往因机械加工余量较大，主轴颈的形状又 常呈多角形，故在粗加工前先进行荒车，以车去大量多余金属并及时发现轴颈 表面的缺陷。目前，常见的曲轴主轴颈及连杆轴颈加工工艺如下： 1 曲轴主轴颈及连杆轴颈多刀车削工艺 2 0 世纪7 0 年代以前，发动机曲轴粗加工采用的加工方式是多刀车床车削 陆轴主轴颈和连杆轴颈。采用这种方式加工精度较低、柔性很差、工序质量稳 定性低，且容易产生较大的内部应力，难以达到合理的加工余量。在粗加工后 一般需要进行去应力回火处理，释放应力。因此粗加工需要给后续精加工工序 留较大的加工余量，以去除弯曲变形量。 2 数控车削工艺 数控车削设备价格相对便宜，不需要复杂的刀具，但只适合小批量生产。 3 普通磨肖u 工艺 传统的磨削工艺，砂轮进给和修整均为手动进给，轴径和台肩的磨削余量 大，砂轮耐用度低，质量稳定性差。而且对技术工人的要求非常高。 4 数控内铣铣削工艺 c n c 内铣铣削工艺是目前国际上曲轴连杆颈粗加工的先进加工方法之一， 尤其适合加工大功率锻钢曲轴连杆颈。内铣机床有多种加工形式，使用最多的 是曲轴固定型c n c 曲轴内铣加工工艺。其主要特点是：生产效率高、加工精度好、 适用范围广、柔性好。具有代表性的工艺装备有德国h e l l e r 公司开发的c n c 数 控曲轴内铣机床系列。其主要功能特点是：曲轴固定后不动，铣刀跟随连杆颈铣 削；具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特点。控制系统通过输入零件 的基本参数即可生成自动加工程序。 5 数控车车拉工艺 c n c 车一车拉工艺能通过一次设定即可完成所有同心圆的车削，具有在同 一台机床上完成车一车拉( 车侧端面) 加工，效率高；通过使用特殊卡盘和刀具 系统实现柔性加工。适用于平衡块侧面不需加工，轴颈有沉割槽的曲轴。其中 拉削工艺可用高效的梳刀代替，梳刀加工通常放到该工序的最后工步，通过微 6 武汉理工大学硕士学位论文 量的径向进给和纵向车削实现高速精加工。采用梳刀工艺的优点是：精度高、效 率高、切屑易清理、轴向进刀量小等。 6 数控高速外铣工艺 德国b o e h r i n g e r 公司专为汽车发动机曲轴设计制造的柔性数控铣床，型号 为v d f3 1 5o m 一4 ，该设备应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。采用一体化复合材 料结构床身，工件两端电子同步旋转驱动，具有干式切削、加工精度高、切削 效率高等特点；使用s i e m e n s8 4 0 dc n c 控制系统，设备操作说明书在人机界面 上，通过输入零件的基本参数即可自动生成加工程序，可以加工长度4 5 0 - 7 0 0 m m 、回转直径在3 8 0 m m 以内的各种曲轴，连杆轴颈直径误差为0 0 2 m m 。 7 数控磨削工艺 c n c 曲轴磨床以德国埃尔温勇克机器制造有限公司( 3 u n k e r ) 的摆动跟踪 系列磨床为例，该设备采用了用于高速加工的c b n 砂轮和使用油冷却曲轴的组 合，适用于加工汽车发动机曲轴，质量可靠。主要性能有：在加工过程中检测 并修正轴颈圆度和尺寸；带有“学习功能”的控制系统，附加对圆度偏差和干 扰量的自动补偿，可进行补偿的干扰量是：温度，机械及动力影响，磨削余量 的变化，材料以及金相结构的变化，砂轮的可切削性，机床的磨损状况；磨削 主轴颈和连杆轴颈一次装央，理论上的偏差为零；切入式磨削及摆动式磨削； 对“敏感工件”的支撑，在主轴上采用自动对中心的三点式中心架；c n c 控制 的冷却剂供给保障了磨削区域的持久用量；采用静压圆型导轨，无爬行现象， 确保持久的高精确度( x 轴导轨，进给丝杠，止推轴承) ；减震抗扭转床身，使 用矿物的合成材料浇注而成，具有良好的吸震抗弯功能；砂轮轴适用于高达 1 4 0 m s 的磨削。 目前，国内已有很多文献，1 对曲轴加工的新工艺及装备进行了研究，得 出了一些有意义的结果。但尚未扭转曲轴加工设备长期依靠进口的局面，先进 曲轴加工技术需进一步的研究。 1 4 研究的内容和目标 1 4 1 曲轴加工复合车床简介 传统曲轴车床的卡盘由卡盘体、夹头和调整件三部分组成，卡盘体装在机 7 武汉理工大学硕士学位论文 床主轴上，夹头用于夹持工件，调整件可沿卡盘体的导轨槽调整位置，以调整 偏心量，夹头也可在调整件上转位。调整它跟夹头的相对位置，就可以调整被 加工曲轴的回转中心。当在加工曲轴颈时，偏心量e 等于零2 1 刘；而在加工连 杆颈时，应将被加工连杆颈的中心线调整到与机床主轴的回转中心线相重合。 醢轴加工复合车床采用平行四边形刀架结构，可以一次装夹，同时加工所 有曲轴连杆轴颈。当需要调节曲柄长度时，由伺服电机驱动调偏心轴转动，在 其偏心盘作用下，改变调偏心轴转回转中心与曲柄盘的中心的距离，从而改变 曲柄长度。减小了由夹具调整产生的误差，同时节省了调整时间，大大提高了 工作效率。其车削原理如图1 2 所示：曲轴主轴颈与机床主轴同轴安装；刀架 为平行四边形连杆机构，其曲柄长度等于曲轴连杆轴颈中心到主轴颈中心的偏 心距；刀具安装在平行四边形机构的连杆上。切削时，曲轴曲柄与平行四边形 机构的曲柄作同相位同转速的旋转运动，使得连杆轴颈与车刀刀尖的相对运动 为定轴转动，从而实现连杆轴颈的车削。 在机床试制阶段，样机仅设计了一个刀架，加工时用一个刀架逐个车削各 个连杆颈。单刀架曲轴车床生产率较低，所以主要应用于单件小批量生产。正 式投产后，可考虑双刀架或三刀架，同时加工同相位的连杆颈，以提高加曲轴 加工效率。 图1 2 复合加工车床车削原理图 武汉理上大学硕士学位论文 本机床的主要技术性能参数如表1 3 所示。 表1 3 机床主要技术性能参数 能加工的曲轴长度 8 0 0 一1 0 0 0 ( i n n ) 能加工的曲轴偏心距4 5 8 0 ( m m ) 主轴转速3 0 嗍0 0 ( r m i n ) 主动电机 1 5 k w ，1 0 0 0 r m i n 机床尺寸( 长x 宽x 高) 2 9 0 0 x 210 0 x 16 0 0 ( 咖) 机床重量( 3 5 4 2 ) t 1 4 2 研究内容 曲轴由于刚性较差，在加工过程中，较小的切削力就可使其产生弯曲和扭 转变形甚至引起整个工艺系统振动。因此，对曲轴在制造环节中的加工设备有 着很高的要求。本课题以曲轴加工复合车床为研究对象，在单驱动和双驱动模 式下，分别对曲轴进行受力分析，并比较其对曲轴加工精度的影响。提出双驱 动的必要性，并对双驱动的同步精度进行分析。本文主要内容及工作如下： ( 1 ) 通过查阅大量资料和文献，了解了曲轴的制造工艺，对传统曲轴加工工 艺和设备进行分析，确定本文的研究目标； ( 2 ) 分别在单驱动和双驱动模式下，对曲轴在加工过程中的变形及受力情况 进行分析，并分析了曲轴扭转变形对加工精度的影响，提出双驱动的必要性； ( 3 ) 对复合车床头架、尾架双驱动的实现方法进行研究，提出机械和电气两 种实现方法，并对两种方法的同步精度进行计算和分析； ( 4 ) 复合车床双驱动系统典型零件的结构设计； ( 5 ) 对通用检具进行曲轴相位角检测的方法及误差进行分析，+ 设计了一种新 型的曲轴相位角检测装置。 1 4 3 研究目标 本文的研究目标是：曲轴加工车床采取双驱动的方式，即被加工曲轴的旋 转运动是由头架和尾架的主轴同步的进行传动的。这种驱动方式可以减小曲轴 在加工过程中的扭转变形，从而减小曲轴连杆颈的相位角误差，提高曲轴加工 精度。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章曲轴受力分析及加工精度计算 2 1 单驱动模式下曲轴的加工误差分析 2 1 1 曲轴受力分析 在单驱动模式下车削曲轴连杆颈时，曲轴以主轴颈中心孔定位，以头架 上可浮动的三爪卡盘夹紧，尾架支承；由机床主轴驱动平行四边形刀架与曲 轴同速度同相位旋转，使得车刀与连杆轴颈做相对的定轴转动，依次完成各 个连杆轴颈的切削。图2 1 为四缸曲轴的连杆颈车削示意图。 图2 1 四缸曲轴的连杆颈车削示意图 切削过程中，曲轴受到传动力矩、切削总力和支座反力。根据力等效原则， 将外力进行分解、简化、分组n9 驯。首先将切削总力分解为三个分力：切削力 f c 、进给力f f 和背向力f p 。f c 为主切削力，它与基面垂直，与切削速度方向 一致。f c 是计算车刀强度，设计机床零件，确定机床功率所必需的数据。f f 为 进给力，它在基面内，并与进给方向平行。f f 是设计走刀机构，计算进给功率 所必需的数据。f p 为背向力，也称吃刀力，它在基面内，并与进给方向( 即工 件轴线方向) 垂直。它能使工件变形或产生切削振动，故对加工精度及加工表 面质量影响较大n0 川。 将切削力f c 向主轴颈中心线简化，得到力f c 和扭矩t o ；将背向力f p 向 l o 武汉理工大学硕士学位论文 主轴颈中心线简化，得到力f p 和扭矩t p ；将进给力f f 向主轴颈中心线简化， 得到力f f 和弯矩m ，再将m 向x y 平面和y z 平面分解，得到m x ，和m 炉简化后 的两组载荷分别对应弯曲变形和扭转变形。在小变形条件下，可以认为两组载 荷的作用是相互独立的。其力学模型如图2 2 。 f c f 号k f z f 硷 f y 。一 c争pj 图2 2 曲轴力学模型( 单驱动) ( a ) 外力分析： 由静平衡条件可得： t t c t p = o ：c = 0 ：f p f x l - - f x 2 = o _ _ 4 = 0 ：f y - 一f f = o ：疋= 0 ：f c f z l - - f z 2 = 0 _ _ o m ：( 彳) = 0 ：m x y _ f p * l - + f x 2 术( 1 t + l z ) = o m ，( 么) = 0 ：m , z + f c * i - f z z 半( 1 t + 1 2 ) = o 由平衡方程得： t = t c t p f x = ( f p * i ：+ m ；，) ( 1 。+ 1 。) f x 2 = ( f p * l 。一m 。，) ( 1 。+ 1 。) f y ，= f f 武汉理工大学硕士学位论文 f z 。= ( f c * l ：一m ，。) ( 1 。+ 1 2 ) f z f ( f c * l ，+ m ，：) ( 1 。+ l ：) ( b ) 内力分析： 分别作轴的扭矩图和两个方向的弯矩图如图2 3 所示： t t c t p 图中， 图2 3 曲轴扭矩图和弯矩图( 单驱动) m ：生! 垒：墨二刍：丝兰 ，l + z 2 m ，：! ! ：垒：墨：垒：丝丝 f i + f 2 m ，：! ! ! 垒：墨! ! ：丝竺 。 ，l + ，2 耻盟铲 其中弯曲变形量较小，而且弯曲变形在精加工阶段可以得到补偿，而由扭 转变形产生的连杆颈相位角误差无法补偿，因此，下面着重对曲轴扭转变形进 行加工误荠分析。 2 1 2 边界条件的确定 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 周向位置的确定：切削过程中，曲轴和平行四边形刀架的相对位置如图2 4 所示。 g ) 图2 4 曲轴与刀架相对位置示意图 将切削力f c 和背向力f p 向曲轴主轴颈中心线简化后，产生扭矩t c 和 t p 。( 进给力f f 对扭矩不产生影响，因此不作考虑) 在图( a ) 、( d ) 位置， t = t c + t p ( 0 口 1 8 0 。) 在图( b ) 、( c ) 位置， t = t c - t p ( 1 8 0 。口 3 6 0 。) 显而易见，t m a x 出现在0 口 1 8 0 。区间内： 厂f a 咖s o f + d 2 ) + f p e s i n a ( o 口 9 0 。) t ( o f ) = l f o ( 咖s 口+ 必) + 螂i n 口9 0 。o f 1 8 0 武汉理工大学硕士学位论文 e 偏心距 d 连杆颈直径 ( 0 口 9 0 。) ( 9 0 。口 1 8 0 。) 求得：当口= a r c t 孤钐。时，t 取得最大值： k 一( a r c t a n f p f 。) = f ：c p 南+ 鲁，+ ，- p 赢f = 竿厅可 轴向位置的确定：曲轴总的扭转变形量是各段变形量的叠加，因此在车 削最后一个连杆轴颈时，曲轴的扭转变形最大。 2 1 3 曲轴扭转变形计算 曲轴在传动力矩和切削力矩的作用下，连杆轴颈中心线相对于主轴颈中心 线发生扭转。因曲轴各段受力情况不同，扭转角要分段计算，其扭转角为各主 轴颈扭转角和各曲柄弯曲变形产生的转角之和。 主轴颈受纯扭矩作用，由主轴颈扭转变形产生的相位角误差是各段扭转角 之和。 纪= 喜葛 t 主轴颈所受扭矩 ，主轴颈长度 g i 厂主轴颈抗扭刚度 由曲柄弯曲变形产生的扭转角等于各曲柄弯曲变形所产生的转角之和。 仍= 喜若 1 4 口 s q 一 础 ，p “ 口 斗 m 口 幽 口 c 。 c 厂1 = 口， 武汉理j 二大学硕士学位论文 卜曲柄所受弯矩( 等于主轴颈所受扭矩) 卜一弯矩传递距离 e i 曲柄抗弯刚度 在边界条件下，以图1 1 所示四拐曲轴为例，即在车削第四连杆颈，且 口= a r c t a n l 时，曲轴扭转变形最大。 总扭转角 。 一。 。 一4 已。x z 4 已。x e 确一坛一= 贯+ 言 u 1 包i 2 2 扭转变形对j o t 精度的影响 2 2 1 对平行度的影响 如图2 5 所示，取主轴颈中心线为y 轴，连杆轴颈的中心线为0 , 0 。7 ，发 生扭转变形后，其连杆轴颈的中心线为一空问直线0 。0 。”。假设0 2 ( x 。，y 。，z ，) ， 魄( x 。，y 。，z o 为直线上的点，n - 图2 5 连杆颈扭转示意图 空间直线方程为： 方向数为：( x 2 一x i ，y ：一y ，z 2 一z 。) y 轴方向数为：( 0 ，1 ，0 ) 主轴颈中心线与连杆轴颈中心线的夹角口 c o s ：f ：垒二坠；：；一 ( t - - x i ) 2 + ( 夕2 - y 1 ) 2 十( z 2 一z 1 ) 2 武汉理t 人学硕士学位论文 利用三角公式： t a n ：、s e c ：p - 1 。 t a n ：一! 垒二苎! 圣二兰! 二 y 2 y l 当y l = o ，y z = l 时， t a n ：寻厄i 再丽 又在x o z 平面上，0 坐标为( o ，r ) ，0 2 坐标为( r s i no ，r c o s0 ) ，将 0 。、0 。”坐标带入式2 - 1 得： t a n = 圭瓜丽可忑丽 = r x 2 ( 1 _ c o s o ) 。 2 ，厅丽、 2 i 、了一 t a n = 警s i n i 0 式2 2 设在连杆轴颈长度a 上的不平行度为k ，则 k = at a no 将式2 - 2 带入得： ， 2 a r 0 尼= s l n 一 2 由此可见：连杆轴颈长度a 上的不平行度k 与扭转角0 成正比，其值： ， 2 a r 0 疗= 一s 1 n 一 2 2 2 2 对下道工序的影响 在下道工序磨削曲轴连杆颈时，机床旋转中心线为o 。o 。，而扭转变形后， 连杆轴颈实际中心线为0 , 0 。 。由于连杆轴颈中心线与机床旋转中心线不重合， 偏心距为r s i n0 ，直接导致连杆颈两侧磨不圆。为了保证下道工序的加工质量， 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 所留的加工余量必须大于2 r s i no 。 2 3 双驱动模式下曲轴的受力分析 2 3 1 曲轴受力分析 双驱动模式下，车削曲轴连杆颈时，以曲轴主轴颈中心孔定位，以头架和 尾架上可浮动的三爪卡盘夹紧，头架和尾架同时驱动曲轴旋转。平行四边形刀 架与曲轴同时做同相位、同转速的，使得车刀与连杆轴颈做相对的定轴转动。 其力学模型如图2 6 。 f c 。 z f x k i f x 2 陬1 爹p沙： 图2 6 曲轴力学模型( 双驱动) 因两端卡爪较短，双驱动模式下，还是以简支梁方式计算弯矩。因弯曲变 形在精加工阶段可以得到一定的补偿，故下面对曲轴的扭转变形进行分析。 由静平衡条件可得： t i + t 2 = t c + t p 2 3 2 边界条件的确定 周向位置的确定： 双驱动模式下，曲轴和平行四边形刀架的相对位置跟单驱动时完全相同， 因此，驱动力矩也等于单驱动时的驱动力矩，即： 1 7 武汉理- t 人学硕士学位论文 ( 正+ 正) 一：k = 半脬 轴向位置的确定： 经过分析得知，在切削中间位置时，乙取得最人值，对于图1 3 所示四缸 曲轴而言，在切削第二连杆颈末端或第三连杆颈首端时，扭转变形量最大。此 时， 丁 z 乃二堂坠 2 3 3 曲轴扭转变形计算 在双驱动模式下，以图2 1 所示曲轴为例，当口= a r c t 锄钐_ ，曲轴扭 转变形最大。最大扭转角 口。翌+ 2 t , e ：型+ 望 一l g i p + 日2 贡+ 苛 1 缈最脚x 百缈呦x 2 4 本章小结 采用双驱动方式加工曲轴连杆颈时，减小了扭矩的传递距离，从而减小了 曲轴的扭转变形。其最大扭转角约为单驱动时的1 4 ；由扭转变形引起的连杆 轴颈的不平行度也减小为单驱动时的1 4 ；同时，双驱动方式增大了工艺系统 的刚度，提高了工艺系统的稳定性。 武汉理工大学硕十学位论文 第3 章双驱动的实现方法及同步误差分析 3 1 双驱动的基本概况 传统的曲轴加工机床采用单边驱动，由头架的电机经减速器驱动被加工的 曲轴旋转，尾架只起支撑曲轴的作用。这种方式将会使曲轴产生较大的扭转变 形，加工精度无法达到要求。因此为了减小曲轴加工过程中产生的扭转变形， 提高曲轴的精度，曲轴加工机床采用双驱动方式，由头架、尾架同时驱动曲轴 旋转。 双驱动的难点是同步性问题，要求头架、尾架尽可能同步运行。目前，实 现机械系统同步的方法，主要有机械方式刚性同步和电气控制同步。 机械方式实现同步，机床体积较大，对机械加工、装配的要求比较高。其 优点是控制系统比较简单。机械同步方式是传统的实现机械系统同步的方法。 近年来，国内外学者对控制同步理论做了大量研究，取得了突破性进展。 以电气方式实现同步传动不仅成为现实，而且也获得了良好的效果心卜2 5 2 8 3 2 1 。在 多电机机械系统同步控制中，传统控制和智能控制等各种主要控制方法均得到 了采用，如p i d 控制、变结构自适应控制、模糊控制、神经网络控制等。 3 2 机械方式同步 本机床采用花键轴连接的方法来实现头架、尾架的同步。即电动机通过减 速装置驱动头架，同时通过花键轴将动力传到尾架，头、尾架同步驱动曲轴旋 转。其传动系统如图3 1 所示。 1 9 武汉理j 人学硕1 ，学位论立 玲 龄 l j 1 皮带轮复齿轮i3 齿轴4 - 齿轮r & 齿艳i v 氏花镑轴t 齿 时 齿轮v ig 齿转，【1 0 头槊理囊1 1 尾架硬尖 图3l 头、尾架同步驱动原理图 本机床的头架同定住床身r ，尾架装在尾架导轨h 它可以根据工件的长 短侧整纵向位霄。位置调整好后h 快速央紧装置央紧，通过手轮、偏心轴及拉 杆，就可将尾架央紧在床身导轨上。 图叶1 ，皮带轮与嚣轮i 同轴安装，尚轮i 儿与头架顶失同轴安装，齿轮v 【l 与尾架顶失同轴安装，其连接方式均采用键连接；6 为他键轴， - 端采用平键 与头架e 齿轮【v 连接，右i 采用往键手黾架上齿轮v 连接。动力山电机减速器 输出，1 到皮带轮一齿轮j ，经与齿轮i