曲軸切削過程的仿真分析

李定海 楊蘇勤

（西南交通大學峨眉校區，四川峨眉 614202）

1 引言

曲軸是CNG壓縮機重要的部件，它的幾何參數不僅影響著CNG壓縮機的質量，而且很大程度上影響著CNG壓縮機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力對曲軸的彎曲疲勞強度產生較為嚴重影響，而曲軸的破損有可能引起CNG壓縮機其他零件的嚴重損壞。隨著對CNG壓縮機工作性能要求的逐漸提高，曲軸工作條件愈加復雜，曲軸在周期變化的氣體壓力、往復和旋、轉運動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、彎曲(彎矩較大，由力學知識可知其是曲軸的主要控制指標)荷載。因此曲軸加工要求非常高。

前面表達式中相關參數說明，切削速度υc，是指切削刀具選定點對曲軸主運動的瞬時速度，單位為m/min；背吃刀量ap，是指垂直于進給速度方向測量的切削層最大尺寸，單位為mm；CFc、CFp、CFf—切削力公式系數，根據加工條件由實驗確定；xF、yF、nF—表示各因素對切削力的影響程度指數；KFc、KFp、KFf—不同加工條件對各切削力的影響修正系數。

2 切削力計算

刀具在切削曲軸時，加工層與工件內部產生彈性、塑形變形反力；流出的碎屑和工件運動與刀具之間均產生摩擦力，前面幾種作用力的合力用F表示。由于F是一個空間方向，為了方便計算和測量將F分解為3個分力，主切削力Fc，主運動方向沿著曲軸切線切削力分力；進給力Ff，進給運動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]。切削力表示為指數形式的實驗公式為

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個單元，節點數為29688個（因為是動力分析，所以曲軸單元不宜分的太小，本文采用單元長度為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. 曲軸約束與實際加工一致的形式進行約束加載，即曲軸近端圓截面中部部分節點ux=uy=uz=0，另外一端的部分ux=uy=0。切削荷載用實驗擬合切削的移動力來模擬刀具的切削力，分析采用瞬態分析法，求解方法采用full方法。

4 切削過程引起位移計算

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

5 曲軸切削加工過程分析

圖1 切削力在曲拐處時曲拐處節點ux位移

圖2 切削力在跨中處時曲拐處節點ux位移

圖3 切削力在跨中處時曲拐處節點ux位移

圖4 切削力在跨中處時曲拐處節點ux位移

說明：橫坐標是表示時間，縱坐標表示動力響應位移值（為了作圖方便，圖中數據均被放大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力響應曲線相似，在不同速度情況響應周期有所不同。由前面的切削力理論計算可以知道，隨著切削速度增加，切削力也逐漸增加，由響應曲線可以看出，曲軸縱向、橫向位移明顯增大。計算速度最小時，圖1、圖3的橫向位移分別為為0.12mm、0.14mm，當速度達到最大時，兩個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隨著速度和切削力變化時，變化較大，而其中自重引起的是一個恒定的豎向位移，對于豎向動力響應位移可能曾打，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曲軸進行多次的矯正，這樣必然引起曲軸有殘余內力和變形存在，由于曲軸后期運行條件復雜，并且是承受動力荷載對結構疲勞強度也會產生不利影響，所以減小曲軸加工過程的變形勢在必行。

6 總結與結論

本文應用移動荷載代替切削刀具的運動，根據實際的加工情況，在計算中分析了多種情況下刀具切削曲軸的各個位置的響應情況，本文限于篇幅僅僅提取了曲拐處的位移進行討論。得到了許多對實際有指導意義的結論，現總結如下。

(1)通過對比曲軸的動力響應圖可以發現，速度增加響應時間變短的同時位移也迅速增加，在是加工的切削速度可以根據加工效率來確定切削速度。

(2)曲軸動力響應位移值較大，可見其剛度偏小，由于曲軸曲拐較多，導致其剛度顯著減小。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，從而達到降低因矯正留下殘余應力和變形的目的；并達到降低成本的同時也能加工出高質量的曲軸供CNG壓縮機使用。

從以上的計算和分析可以知道，本文對曲軸動力響應計算發現其動力位移大，剛度偏小，在實際加工過程值得重視，對于提高曲軸加工精度以及降低成本都有一定的現實意義。

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