曲軸主軸頸車(chē)床中心架體設(shè)計(jì)與托料裝置拓?fù)鋬?yōu)化

霍洪旭

（通用技術(shù)集團(tuán)機(jī)床工程研究院有限公司沈陽(yáng)分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110142）

曲軸的應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛，如船舶、機(jī)車(chē)、重卡及工程機(jī)械等，隨著我國(guó)機(jī)械行業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)曲軸的需求量逐漸增加，隨之而來(lái)曲軸加工過(guò)程中的難題成為設(shè)計(jì)者最關(guān)注的問(wèn)題[1]。一方面，曲軸主軸頸加工容易產(chǎn)生切削振動(dòng)，引起工件表面橢圓度及端面跳動(dòng)超差，影響了曲軸的加工精度。另一方面，目前曲軸主軸頸加工生產(chǎn)線一般采用桁架機(jī)械手直接送料并與主軸頂尖剛性接觸，機(jī)械手的齒輪箱和電機(jī)瞬時(shí)負(fù)載較大，機(jī)械手的故障率增加。此外，在曲軸自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，一些大中型曲軸需要托料架輔助支撐，并采用無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)到位檢測(cè)，極易受鐵屑和切削液影響導(dǎo)致誤判和失靈。

許多學(xué)者已經(jīng)在加工曲軸方面開(kāi)展了一些研究。楊繼珍結(jié)合CK43160 車(chē)床及曲軸的加工工藝設(shè)計(jì)了一種曲軸連桿軸頸車(chē)床曲軸支撐裝置，能提高機(jī)床的加工精度[1]。王華程等開(kāi)發(fā)了自動(dòng)補(bǔ)償功能中心架，保證曲軸回轉(zhuǎn)加工精度[2]。康文生總結(jié)了減摩涂層注塑成型技術(shù)在導(dǎo)軌上的應(yīng)用[3]。陳亞菊等通過(guò)具體案例，充分論證了高精度定位膠結(jié)構(gòu)定位在機(jī)床裝配中的優(yōu)勢(shì)所在[4-5]。肖紅梅分析了灌膠處鐵面的表面粗糙度對(duì)灌膠質(zhì)量的影響[6]。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，每一種理論都有一定的局限性和缺乏應(yīng)用型，有待改進(jìn)。

本研究基于SUC500DHT5 雙頭臥式數(shù)控車(chē)床，通過(guò)對(duì)數(shù)控車(chē)床主軸頸加工問(wèn)題的跟蹤和工況的調(diào)研，并結(jié)合曲軸的加工工藝設(shè)計(jì)了一種新型高剛性曲軸支撐裝置，來(lái)滿足實(shí)際切削需求。其操作簡(jiǎn)便、剛性強(qiáng)、送料速度快、避免鐵屑貼附以及成本低廉，并能提高機(jī)床的加工效率。利用Simulation 模塊，對(duì)托料架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，既滿足了目標(biāo)重量，又滿足應(yīng)力需求，得到輕質(zhì)、高效的托料裝置。對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化曲軸主軸頸生產(chǎn)工藝提供了參考。

1 新型中心架結(jié)構(gòu)介紹

本研究為了使加工曲軸主軸頸時(shí)更加平穩(wěn)，減小沖擊和變形，設(shè)計(jì)一種新型中心架及其托料支撐結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 車(chē)床中心架體結(jié)構(gòu)圖

本結(jié)構(gòu)主要由復(fù)合導(dǎo)軌、液壓中心架、進(jìn)給系統(tǒng)、油缸鎖緊裝置、浮板潤(rùn)滑裝置、氣檢托料結(jié)構(gòu)和擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)組成。擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)既可以實(shí)現(xiàn)軸向送料，又能夠減輕托料架鐵屑堆積，更能夠減小床頭箱、尾臺(tái)的支撐載荷。

（1）復(fù)合導(dǎo)軌

目前，機(jī)床常用導(dǎo)軌主要有滾動(dòng)導(dǎo)軌、滑動(dòng)導(dǎo)軌和復(fù)合導(dǎo)軌3 種。滾動(dòng)導(dǎo)軌具有摩擦阻力小、隨動(dòng)性和高速運(yùn)動(dòng)性能好、定位精度和重復(fù)定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，但在重載情況下其接觸應(yīng)力大，抗振性、剛性較差；滑動(dòng)導(dǎo)軌承載能力大，抗振性、剛性好，但其具有動(dòng)靜摩擦比較大、運(yùn)動(dòng)靈敏度較低、低速時(shí)易“爬行”、易磨損、使用壽命較短的缺點(diǎn)。若單獨(dú)使用滾動(dòng)導(dǎo)軌或者滑動(dòng)導(dǎo)軌均難以達(dá)到重型機(jī)床理想的性能指標(biāo)和精度要求。復(fù)合導(dǎo)軌由注塑導(dǎo)軌和滾動(dòng)體構(gòu)成，主要導(dǎo)向采用滾動(dòng)導(dǎo)軌，主要支承采用注塑導(dǎo)軌，更加適合重型切削加工，如圖2所示。

圖2 復(fù)合導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖

注塑導(dǎo)軌采用注塑成型技術(shù)，具有降低機(jī)床導(dǎo)軌摩擦阻力、提高機(jī)床加工精度、提高機(jī)床低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性等優(yōu)點(diǎn)。由于注塑成型常使用膠粘劑在原有表面拓印，也被稱作復(fù)印成型法。與此同時(shí)，膠粘劑固化收縮率在0.01 cm/cm 左右，常因固化過(guò)程溫差影響，導(dǎo)致表面收縮、開(kāi)裂，因此本研究采用低壓輔助注塑成型法。本研究選用TONSAN 研制的TS355 膠粘劑，低壓輔助注塑成型過(guò)程包括：①粗化溝槽；②油溝復(fù)印；③噴涂脫模劑；④灌膠及加壓；⑤固化；⑥開(kāi)模；⑦檢測(cè)。

低壓輔助注塑成型法是利用密封圈使導(dǎo)軌面和被粘接面形成封閉模腔，灌膠后堵塞出膠口，利用低壓氣體直接注入到灌膠口內(nèi)，使導(dǎo)軌結(jié)合面形成真空，保持模腔內(nèi)膠粘劑完整，減小灌膠表面的收縮、變形和翹曲，從而提高導(dǎo)軌的接觸率，如圖3所示。

圖3 低壓輔助注塑成型法

（2）油缸鎖緊與浮板潤(rùn)滑裝置

中心架體軸向移動(dòng)依靠絲杠傳動(dòng)，鎖緊依靠液壓活塞，如圖4 所示。通過(guò)液壓活塞起浮帶動(dòng)浮板擠壓床身導(dǎo)軌面，實(shí)現(xiàn)液壓鎖緊。液壓載荷停止，浮板因重力下沉，浮板脫離導(dǎo)軌面，此時(shí)可通過(guò)絲杠帶動(dòng)中心架軸向移動(dòng)。活塞與壓板依靠星型密封圈實(shí)現(xiàn)密封，較普通O 型密封圈能夠承受更大的壓力。

圖4 油缸鎖緊與浮板潤(rùn)滑裝置

中心架浮板通過(guò)圓柱銷(xiāo)和油銷(xiāo)進(jìn)行軸向固定。與此同時(shí)，浮板上表面貼JBL 導(dǎo)軌板，并在上表面加工油槽，移動(dòng)時(shí)瞬間形成薄油膜，有效保證了移動(dòng)的平滑，降低浮板的磨損。由于浮板的上下移動(dòng)，油銷(xiāo)雙向通過(guò)O 型密封圈進(jìn)行密封，其中間環(huán)槽可用頂絲與之固定，有效保證了潤(rùn)滑油順利流到浮板的油槽中。

（3）擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

目前，四缸曲軸加工主軸頸仍以半自動(dòng)化為主，其中主要難題是：①四缸曲軸工件較短，W軸空間難以布局自動(dòng)托料機(jī)構(gòu)；②車(chē)削加工產(chǎn)生大量鐵屑，易在托料架位置堆積，影響上料。為此，設(shè)計(jì)一款擺臂式托料架尤為重要。

擺臂式托料架技術(shù)難點(diǎn)在于：①角行程驅(qū)動(dòng)器防水防塵等級(jí)低，無(wú)耐腐蝕能力；②為了更好地排屑，擺動(dòng)角度大于120°；③驅(qū)動(dòng)器輸出扭矩較小，需對(duì)零件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。

圖5 所示為全封閉式擺臂托料架的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中角行程驅(qū)動(dòng)器選用費(fèi)斯托型號(hào)為DSM-63-270-P-A-P，6 bar 時(shí)理論扭矩 40 N·m。驅(qū)動(dòng)器采用隱藏式安裝在中心架體內(nèi)部，通過(guò)兩端的O 型密封圈和唇型密封圈有效保護(hù)設(shè)備的使用壽命。

圖5 擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

（4）氣檢托料機(jī)構(gòu)

目前，中心架體托料架均采用接近開(kāi)關(guān)或紅外傳感器來(lái)檢測(cè)工件是否到位，但是曲軸加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量鐵屑，而鐵屑極容易誤觸發(fā)接近開(kāi)關(guān)，不利于自動(dòng)化加工。本研究采用HYDROBLOCK 氣檢閥VS10 檢測(cè)曲軸，并集成在V 型架上，用以實(shí)現(xiàn)曲軸主軸頸的支撐及檢測(cè)，如圖6 所示。氣檢閥檢測(cè)曲軸到位情況，采用普通圓線彈簧做為托料架旋轉(zhuǎn)后復(fù)位的動(dòng)力源，具有振動(dòng)小、耐用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。與此同時(shí)，該裝置與桁架式機(jī)械手配套使用，組成自動(dòng)上下料單元，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化加工，滿足了自動(dòng)化生產(chǎn)需求。

圖6 氣檢托料機(jī)構(gòu)

2 托料架拓?fù)鋬?yōu)化及安全系數(shù)計(jì)算

2.1 托料架有限元分析

（1）托料架靜力學(xué)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，托料架材料為Q235A，添加材料信息時(shí)，取彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.33，密度為7 850 kg/m3。基于SolidWorks 2022 建立初始托料架三維模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分和添加約束與載荷，提交運(yùn)算求解，其靜力學(xué)分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 初始托料架靜應(yīng)力分析結(jié)果云圖

（2）托料架模態(tài)分析

可利用Simulation 模塊靜力學(xué)分析中的有限元網(wǎng)格模型，對(duì)初始托料架進(jìn)行模態(tài)分析。提取初始托料架的前六階模態(tài)，其模態(tài)振型如圖8 所示，并提取初始托料架前六階頻率，見(jiàn)表1。

表1 初始托料架前六階頻率 Hz

圖8 初始托料架前六階振型圖

通過(guò)以上靜力學(xué)及模態(tài)分析，獲得了初始托料架的最大變形、振型以及各階頻率值，可以確定該初始托料架的靜力學(xué)和模態(tài)分析結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明其本身設(shè)計(jì)是合理的。但由圖7 可知，初始托料架的小變形區(qū)和小應(yīng)力區(qū)過(guò)多，變形和應(yīng)力較大的區(qū)域較少，且最大應(yīng)力值4.42×107N/m2遠(yuǎn)小于Q235A 材料的屈服強(qiáng)度2.35×108N/m2。由圖8 可以看出，初始托料架固有頻率和引起曲軸加工機(jī)床共振的頻率相差很多，可知該初始托料架設(shè)計(jì)過(guò)于保守，故可利用拓?fù)鋬?yōu)化尋求結(jié)構(gòu)對(duì)材料的最佳利用，得到最佳的材料分配方案[7]。

2.2 托料架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

SolidWorks 提供了簡(jiǎn)單易用的拓?fù)鋬?yōu)化解決方案，能夠快速地優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)[8]。本研究采用Simulation 模塊進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，并結(jié)合靜應(yīng)力分析對(duì)初始托料架模型進(jìn)行目標(biāo)去除。目標(biāo)去除率γ小于最大去除率γmax。

式中：[σ]為材料的屈服極限，N/m2；σmax為載荷狀態(tài)下材料的最大屈服力，N/m2；η0為去除材料安全系數(shù)。

采用Simulation 模塊對(duì)初始托料架模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析。具體設(shè)置包括：①目標(biāo)和約束參照最佳強(qiáng)度質(zhì)量比；②網(wǎng)格品質(zhì)準(zhǔn)則采用雅克比16 點(diǎn)[9]；③設(shè)置拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)去除率γ=32%。為了獲取拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程中有限元迭代的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，查看數(shù)據(jù)收斂圖，如圖9 所示。

圖9 數(shù)據(jù)收斂圖

由圖9 可以看出，在迭代至 15 次之后結(jié)果開(kāi)始趨于收斂。迭代求解完成后，拓?fù)浣Y(jié)果如圖10a所示。其結(jié)構(gòu)可以導(dǎo)出實(shí)體模型，并在SolidWorks中進(jìn)行設(shè)計(jì)修整，如圖10b 所示。

圖10 拓?fù)鋬?yōu)化

為了驗(yàn)證拓?fù)鋬?yōu)化的效果，對(duì)修整后托料架進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，其靜力學(xué)分析變形云圖如圖11 所示，并從質(zhì)量、變形和前六階頻率值三個(gè)方面對(duì)初始結(jié)構(gòu)、拓?fù)鋬?yōu)化托料架進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2 和表3。

表2 拓?fù)鋬?yōu)化型托料架性能分析對(duì)比表

表3 拓?fù)鋬?yōu)化托料架前六階頻率對(duì)比表 Hz

圖11 拓?fù)鋬?yōu)化托料架靜應(yīng)力分析結(jié)果云圖

由圖7 和圖11 可知，優(yōu)化前模型所受最大應(yīng)力為4.419×107N/m2，優(yōu)化后為1.214×108N/m2。優(yōu)化后應(yīng)力值仍符合強(qiáng)度要求。

由表2 和表3 可知，托料架經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后，與初始托料架相比，其質(zhì)量減小31.86%，基頻降低了6.64%。因此，經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化確定了托料架合理的結(jié)構(gòu)形態(tài)分布，并達(dá)到了提高結(jié)構(gòu)支撐剛度、減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量的目的[10]。

2.3 角行程驅(qū)動(dòng)器使用安全系數(shù)計(jì)算

曲軸和托料架自重主要依靠角行程驅(qū)動(dòng)器支撐，并且在曲軸確定情況下，采用拓?fù)鋬?yōu)化方法尋求最佳質(zhì)量，能夠有效的提高托料架使用安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 角行程驅(qū)動(dòng)器使用安全系數(shù)計(jì)算

驅(qū)動(dòng)所需扭矩：

角行程驅(qū)動(dòng)器輸出扭矩：

角行程驅(qū)動(dòng)器使用安全系數(shù)：

3 新型中心架工作原理

新型中心架工作過(guò)程：中心架壓板松開(kāi)和中心架張開(kāi)，通過(guò)絲杠帶動(dòng)中心架移動(dòng)到接料位置；再由角行程驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)托料架抬起后，桁架機(jī)械手拾取曲軸，并將曲軸主軸頸放置于托料架V 型架上；張開(kāi)浮動(dòng)卡盤(pán)同時(shí)退回機(jī)械手，絲杠帶動(dòng)曲軸送料到卡盤(pán)內(nèi)，并使卡盤(pán)頂尖與曲軸一端中心孔接觸，此時(shí)，尾臺(tái)套筒頂尖頂緊另一端曲軸中心孔后，托料架擺回、壓板鎖緊、中心架夾持曲軸主軸頸。

該裝置上下料無(wú)需人工操作，皆由程序控制，從而使曲軸主軸頸加工實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自動(dòng)化。氣動(dòng)和液壓控制原理分別如圖12 和圖13 所示。

圖12 氣動(dòng)原理圖

圖13 液壓原理圖

控制原理為：中心架壓板松開(kāi)壓力繼電器發(fā)出信號(hào)、中心架張開(kāi)到位開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)→絲杠驅(qū)動(dòng)到位發(fā)出信號(hào)→角行程驅(qū)動(dòng)器托起到位開(kāi)關(guān)檢測(cè)→桁架機(jī)械手上料完成檢測(cè)→氣檢閥到位檢測(cè)、浮動(dòng)卡盤(pán)油缸張開(kāi)到位發(fā)出信號(hào)→桁架機(jī)械手下料完成、絲杠驅(qū)動(dòng)到位發(fā)出信號(hào)→尾臺(tái)套筒壓力檢測(cè)、頂尖到位開(kāi)關(guān)檢測(cè)發(fā)出信號(hào)→浮動(dòng)卡盤(pán)油缸夾緊到位發(fā)出信號(hào)→角行程驅(qū)動(dòng)器擺回到位開(kāi)關(guān)檢測(cè)、壓板鎖緊和中心架夾持壓力繼電器發(fā)出信號(hào)→執(zhí)行切削程序。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）低壓輔助注塑成型法是利用低壓氣體輔助完成機(jī)床導(dǎo)軌的灌膠，能夠有效避免灌膠表面的收縮和開(kāi)裂，從而提高機(jī)床整體剛性。

（2）建立托料架三維實(shí)體模型，導(dǎo)入Simulation模塊求解分析，在滿足靜剛度和模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行三維拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后質(zhì)量減小31.86%，基頻降低6.64%，優(yōu)化后角行程驅(qū)動(dòng)器使用安全系數(shù)1.5，滿足靜剛度的要求。