滚压校直过程曲轴动态弹性形变分析

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2013年 9月第 41卷 第 17期机床与液压MACHINE TOOL& HYDRAULICSSep．2013Vo1．4l No．17DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2013．17．007滚压校直过程曲轴动态弹性形变分析燕松山，牛文强，陈晓辉，曾凡琮，江连会(武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070)摘要：在线测量与校直能够实现一次性校直出合格的曲轴，这样可以显著提高曲轴滚压校直的效率和精度。但在在线校直过程中，滚压机构及曲轴运动引起的惯性力及顶尖夹紧力会造成曲轴整体的动态弹性变形，从而引起在线测量结果的偏差，这种偏差如果过大将无法实现在线校直。运用Workbench瞬态动力学柔体分析模块，建立了滚压校直机构动力学分析模型，分析滚压钳惯性力、顶尖力等对曲轴弹性变形的影响。研究表明：滚压机构惯性力及顶尖力均可引起曲轴的弹性变形，该弹性变形大小处于允许的误差范围之内。研究结果为在线测量与滚压校直的实现提供了可靠的理论支持。

关键词：曲轴；滚压校直；在线检测；弹性变形中图分类号：TH112；TK406；TP182 文献标识码：A 文章编号：1001—3881(2013)17—028—4Research on the Dynamic ElastiC Deformation of Crankshaftin the Rolling and Alignment ProcessYAN Songshan，NIU Wenqiang，CHEN Xiaohui，ZENG Faneong，JIANG Lianhui(Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei 430070，China)Abstract：Online inspection and alignment can greatly improve the crankshaft roling and alignment eficiency and precision withone time．But in the machining process，the clamp inertial force and apex force wil lead to elastic distortion of crankshaft，which hassome efect on the measure result．Model of the rolling mechanism was built by means of Workbench．In addition，the influences of theclamp inertial and apex force were analyzed．It is demonstrated that the clamp inertial force and apex force lead to the elastic de~rma—tion of crankshaft which wil interfere the accuracy of measure result．The deformation is within limits of the error．The research pro—rides theoretical support on online inspection and alignment system.

Keywords：Crankshaft；Rolling and alignment；On—line inspection；Elastic deform ation传统的曲轴滚压校直方法需要在滚压完成后，对曲轴进行几次测量与校直，这样不仅降低了校直效率，且精度一般。在线测量与校直能够实现一次性准确校直，大大提高了校直的效率和精度。但在曲轴滚压校直加工过程中，曲轴受到滚压力、顶尖夹紧力及由滚压钳自身产生的惯性力对曲轴的作用，从而产生曲轴整体的弹性变形，造成在线测量结果的误差。而如果该弹性变形量过大，超 出了曲轴滚压校直的范围，则在线校直失去意义，无法实现。如果该变形量处于允许的误差范围之内，则实现在线检测与校直便成为了可能，这样在滚压校直过程中就可以剔除弹性变形量，得出准确的待修正塑性变形量 ，这对提高滚压校直精度、改善曲轴滚压质量具有非常重要的工程意义。

曲轴滚压校直过程是一动态过程，在线检测中，往往关心的是测量机上的实时数据，即每个相位时刻的弹性变形情况，而不是某一时刻。通常的静态分析模型只能得出某几个时刻的变形情况，而很难准确地反映出整个过程中的变化 ，因此需要通过建立动力学模型来研究。通过借助ANSYS有限元仿真软件，建立了曲轴滚压校直机构的动力学分析模型，对顶尖力及滚压钳惯性力对曲轴整体变形动态影响规律进行了分析。该研究对于曲轴滚压校直在线检测与校直系统的设计具有重要的指导意义。

1 滚压校直机构分析模型的建立与简化针对该问题 ，需要对整个滚压模型加以研究。滚压过程是动态过程，滚压机构复杂，求解繁琐，因此需要在保证求解精度的前提下对模型进行简化。选取试验用四缸曲轴为研究对象，在滚压过程中，只有4个连杆颈上的滚压钳是随着曲轴的旋转而运动的，因此，只考虑作用于连杆颈上的4个滚压钳所产生的惯性力。

对于单个的滚压钳，结构复杂 ，无法直接进行有限元网格划分，所以需要对钳体进行必要的简化。简收稿日期：2012—08—16基金项目：国家重大科技专项课题 (2011ZX4002-021)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 (2011-IV-O19)作者简介：燕松山 (1963一)，男，博士，讲师，研究方向为机械结构优化设计及理论研究。E—mail：yansongshan###
· 30· 机床与液压 第41卷处，紧接着是连杆颈连接处，然后是2、4号主轴颈处，发生最小应力的地方为3号主轴颈处。这说明曲轴在该时刻，大致呈向下凹的趋势，且靠近1号主轴颈的轴端相对于5号主轴颈曲率更大，这符合理论分析结果 。

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_ _ — 亡 = = 加 棚 m， z00(10 Y图 3 30 r／min曲轴的等效应力云图通过 workbench中的probe后处理分别测得 1、2、3、4、5号主轴颈在不同相位中的变形量如图4所示。不难看出：第一个周期由于速度从 0到 3．14rad／s过渡，所以不稳定 ，之后的两个周期趋于稳定；3轴的变形量最大，然后依次为2轴、4轴、1轴、5轴，其中3轴在 t=4．067 1 S时的跳动量 6．O1 X 10mm为最大径向跳动。由于与顶尖相连的轴段较长(长于夹头夹紧的轴段几倍)，因此2轴径向跳动量略大于4轴，1轴略大于5轴，故分析结果符合实际情况。

8．O06．00茸 4．00昌2．OOo·O0蓑~" -2．。0． 6．00l一1号主轴颈 2—2号主轴颈 3—3号主轴颈4—4号主轴颈 5—5号主轴颈8-00 时 间／s图4 3．14 rad／s转速下曲轴各个主轴颈的径向跳动选取3轴作为研究对象，通过研究发现顶尖力的大小对曲轴 的弹性变形也会有一定影响 ；如图 5所示。不难看出曲轴分别在顶尖力为0、2．5、3 MPa时曲轴的弹性变形情况，最大变形都发生在t=4．067 1S，大小分别 为 6．Ol X 10～、7．73 X 10～、8．82 X10～mm。由数据可知，顶尖力的大小对曲轴变形的影响与滚压钳惯性力的影响为同一数量级，且变形量随顶尖力增大而逐渐增大 ，因此在讨论曲轴的整体变形时，顶尖力大小必须考虑在内。

10．0 1一无顶尖力 2- 2·5 MPaY~ 3-3 MPa顶尖力雹量0一 ×龄图5 顶尖力大小对曲轴弹性变形的影响3．2 曲轴在不同转速下的弹性变形规律分析为了讨论转速对曲轴变形的影响，此处将顶尖力设为固定值，仍然选择3号主轴颈作为研究对象，分别讨论了曲轴转速分别为30、40、50 r／min情况下曲轴3号主轴颈每一个相位的弹性变形量。设初始相位为图1所示位置，随着曲轴的转动，相位角依次增大，数值分析结果如图6所示。由结果可知：在第二个周期的0．492 8 rad相位角时 3号主轴颈的径 向跳动量达到最大，3轴最大的径向跳动分别为 8．57×10‘ 、8．74 X 10～、8．94 X 10～mm，不难看出随着转速的增大，曲轴的变形量也随之增大，但该大小依然处于1 mm以内，满足精度要求。因此，转速对于曲轴的影响可以忽略 。

角度／rad图 6 曲轴不同转速大小对弹性变形的影响3．3 数值分析与实验结果对比为了验证数值分析的准确性，选取四缸曲轴作为研究对象，在042滚压机床上进行实验测量，其中，在滚压校直测量中，撤消滚压钳 口的滚压力 ，尾架顶尖力大小为2．5 MPa，主轴转速为30 r／min，分别测量了2号、3号主轴颈的径 向跳动情况。测量结果如图6所示，对于2轴、3轴，一个周期内，整体变形趋势与数值分析一致，最大变形量分别为 104和 1 13m，与数值分析结果88．2 m相差2～3 mm左右，满足精度要求，故数值分析结果处于可靠范围。

lm 2轴 2—3轴 ＼： 舄景譬’ ’ {， 《 i 聂嚣蓦鹫景刍 t"／g，r 、图7 主轴颈 2轴、3轴实验结果H S _
4 5 B 4 B 6 3 1 S 6 ， # 9 ， 1 3 l 5 6 7 a 2 ，
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一目日 ×】、秧肿娜肿 肿 肿脚2 l 1 O i 一目j 0’【×)～龄第 17期 燕松山 等 ：滚压校直过程曲轴动态弹性形变分析 ·31·4 结论通过对曲轴滚压测量与校直过程中滚压力、顶尖力及滚压钳惯性力对在线测量的影响规律分析，得出了以下结论：(1)曲轴圆角滚压过程中，曲轴连杆颈上的滚压钳产生的惯性力引起的曲轴整体弹性变形规律；(2)曲轴尾架顶尖力大小对曲轴整体弹性变形有相 同数 量级 的影 响，而 滚压机 转速 为 15 ～50r／rain时，对曲轴弹性变形的影响可以忽略不计；(3)结合实验数据，验证了数值分析的准确性；(4)在线校直工况中，曲轴弹性变形处于允许的误差范围内，在线校直方案可以实现。研究为圆角滚压机床在线测量与校直系统提供可靠的理论指导 。

参考文献：【1】李继凯．曲轴校直工艺探讨[J]．汽车工艺与材料，2005(4)：26—30.

【2】戴海港．轴类零件弯曲变形在线检测研究[D]．成都：西华大学，2011.

【3】张永军，韩红朝，李阳．基于弹性变形的齿轮测量精度有限元分析研究[J]．哈尔滨理工大学学报，2011(2)：66—69【4】黄继雄，杨光，余先涛．曲轴圆角滚压变形分析与滚压校直专家系统的研究[J]．组合机床与自动化加工技术，2005(11)：66—68.

【5】冯美斌，李满良，高凯．曲轴圆角滚压强化与滚压校直技术研究开发及应用 [C]／／12届汽车材料年会 ，济南，2000：53—60.

【6】HO Simon，LEE Yung—Li，KANG Hong—Tae，et a1．Optimiza—tion of a Crankshaft Roling Process for Durability[J]．In—temational Journal of Fatigue，2009(5)：799—808.

【7】李建霞，王良才．基于Matlab的四杆机构优化设计简介[J]．机电设备开发与创新，2010，23(1)：88—89.

【8】孟维云．曲柄摇杆机构综合优化设计及其软件开发[D]．济南：山东建筑大学，2009.

【9】盛小兵．曲轴圆角滚压强化工艺中曲轴变形的研究[D]．武汉：武汉理工大学，2008.

【10】SPITERI Paul，HO Simon，LEE Yung—Li．Assessment ofBending Fatigue Limit for Crankshaft Sections with Inclu—sion of Residual Stresses[J]．International Journal of Fa—tigue，2007(29)：318—329.

【11】成中清，蔡敢为，周晓蓉．6198柴油机曲轴有限元分析[J]．装备制造技术，2010(1)：27—32.

【12】朱正德．曲轴滚压校直——计算机辅助修正技术的典型应用[J]．汽车技术 ，2000(8)：15—18.

中国机床升级须通过智能创新提高用户附加值尽管中国机床行业在短短的几十年时间实现了跨越式发展 ，建立了完整的工业体系，走过了工业发达国家上百年的发展历程 ，但其中的差距依然存在，核心竞争力依然不足。

前瞻产业研究院 ~2013—2017年中国数控机床行业产销需求与前景预测分析报告》认为，中国机床要升级必须走差异化道路，通过智能创新提高用户的附加值。在中国机床整个市场消费额中，60％靠进口、合资，40％来自国产。而这40％的国产机床的竞争主要是中低端产品，进口的大多数是高端产品。中国机床尽管这十几年进步巨大，但桎梏性问题依然束缚着前进的步伐 ，一方面低端产能过剩，另一方面高端产能明显不足。

从供应端看，很多机床制造企业在遇到市场压力下，首先想到的是降价，并向供应链转压，而不是去想办法提高附加值。过分追求降低成本，造成配套品质下降，恶性价格竞争，企业效益不好，赢利有限，使企业减弱再发展能力。

再从用户端看，由于用户在使用上过于追求简单、方便、省事，直接导致机床过于标准化，工艺适应性不好。如果不能利用机床制造过程中的二次开发、创新，不能很好地整合上下游工艺路线，中国机床制造的水平将很难达到国际一流。

机床产业要转型升级 ，必须找到正确的方向和方法性 ，那就是要在营造企业各种多维化管理体系 (法律、制度、政策和措施)前提下，加强智能化制造，并建立与之协同并具有高独立的质量监控体系。

国家发改委、财政部、工信部共同发布了 《关于组织实施2013年智能制造装备发展专项的通知》，要求继续组织实施智能制造装备发展专项。2013年中国专项支持的主要 内容之一为数字化车间，旨在推进智能制造系统创新产品在机械制造、纺织、印刷、生物制药、复合材料等领域的应用和系统集成，提升制造 智能化水平。

机床制造要智能化，首先需要机床开发者的思维智能化，而智能化就必然要求与机床配套的数控系统要有很好的开放性，这是智能化制造的一个关键前提。

而中国很多主机厂由于长期以来使用不开放的数控系统，尽管看似使用方便，接线简单，但最后机床没有形成二次开发能力，久而久之搞机床研发的人也就失去了二次开发的意识。

毋庸置疑，中国机床企业都想发展进步，首先要观念更新，一个企业的创新必须有先进的创新理念和方法；其次要有深厚的企业文化底蕴，包括制度、体系，并贯穿到技术和管理中去；此外，一个优秀的企业还必须有健康的品质和高尚的社会责任，方可称得上从优秀到卓越。 (内容来源：前瞻网)