磨料振動對曲軸拋光的影響*

張晉燁，張海云，趙玉剛，張 軍，王顯達

(山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255049)

0 引言

曲軸在發動機中的作用是將活塞的往復運動轉化為旋轉運動，在運動過程中曲軸受力情況復雜，曲軸加工的每一個工藝環節都會影響曲軸的最終精度及使用壽命[1-2]。由于國內對其研究較少，曲軸拋光大多數還保留著幾十年前的拋光工藝，這種工藝常見的問題為拋光效率低下及拋光精度不足等問題[3-6]。目前曲軸拋光機的拋光原理是依靠曲軸的自身轉動使磨料在外力作用下沖擊曲軸表面從而吸附磨粒完成曲軸拋光，在拋光過程中磨粒受到軸向力及切向力作用，其中軸向力決定了磨粒進入曲軸表面的程度，切向力決定了曲軸的表面精度。根據Preston公式及切削力變化可得，高轉速條件下曲軸拋光效率高但是表面質量較差，而中低轉速能夠提高曲軸表面質量但是拋光效率低下。研究表明磨料振動在保證非球面面型精度的前提下能夠大幅度降低表面粗糙度并提高拋光效率，因此將其應用于曲軸拋光中可以獲得較高的表面質量[7-8]?；谝陨蠋c本文將振動與曲軸磨料拋光相結合用于改進目前的曲軸拋光工藝，對今后曲軸制造工藝的提高有重要的意義[9-10]。

1 拋光機改進方案

傳統曲軸拋光機由機械部分、液壓部分、電氣控制系統組成，研究振動對曲軸拋光的影響需要確定傳統拋光機的工作原理及結構布局，因此本文將傳統拋光機進行三維建模并將振動裝置應用于模型，圖1為具體的改裝方案：改裝后拋光機的機械部分由機床、夾緊轉動裝置、振動裝置組成，其中機床由底座2和托盤3通過銷軸連接在一起;夾緊轉動裝置由頭架箱4、尾架箱6、雙作用式單桿液壓缸5等組成，頭架箱4負責提高曲軸旋轉的動力同時負責曲軸的定位，而尾架箱6在活塞桿的帶動下沿導軌水平移動負責對曲軸的夾緊，振動裝置9與沙箱連接，沙箱周圍增加軸承及導軌，沙箱的運動軌跡為往復平面運動。振動裝置由振動馬達、變速箱、偏心軸、連桿、搖桿、沙箱組成，經設計計算沙箱的振動幅度為L2=300mm，振動馬達的擺動幅度為β2=50°。

1.沙箱 2.機床 3.托盤 4.頭架箱 5.固定式液壓缸 6.尾架箱 7.轉動式液壓缸 8.偏心裝置 9.導軌圖1 拋光機三維造型

2 運動仿真分析

為了探究改裝后曲軸拋光機的干涉現象及振動裝置工作過程中速度及加速度的變化趨勢、分析工藝參數對實際拋光效果的影響，本文運用UG運動仿真模塊進行干涉性實驗及仿真實驗，本次運動仿真分為二個部分：干涉實驗和建模仿真實驗。如圖2所示拋光機的前處理由9組構件、12組運動副組成。

圖2 連桿及運動副分布圖

(1)干涉實驗：對于機構干涉性實驗，本次仿真運動借助STEP函數進行驗證：

J003的驅動函數設定為：step(time，50,0,100,900)；J007的驅動函數設定為：step(time，0,0,50,550)；J009的驅動函數設定為：(step(time，100.0001,0,100,1)+step(time，400.0001,0,400，-1))*shf(time，0,25,2d，0,0)當驅動設定完成后，解算方案顯示gruebler=0證明沒有多余的冗雜約束，進行“求解”及“動畫”演示，演示過程表明該運動方案能夠按照預想路線運動并且在運動過程中各構件無干涉現象。

(2)建模仿真實驗：本次改裝方案后拋光機的工作行程由四個運動模塊組成，首先由頭尾架箱夾緊曲軸并帶動曲軸旋轉，隨后托盤旋轉將曲軸送入沙箱內，最后沙箱內的松散磨料在振動裝置的帶動下開始拋光。由于托盤的轉動涉及多個構件及運動合成定理，因此對該運動模塊的仿真能夠驗證該三維模型的準確性。在實際工作情況中活塞桿1的工作行程為L1=900mm，托盤的轉動范圍為β1=60°，在托盤運動過程中存在活塞桿移動、液壓缸轉動及托盤轉動，其中活塞桿的移動為伴隨運動V活、液壓缸的轉動為牽連運動V液、托盤的轉動為絕對運動V拖，托盤的速度與活塞桿速度之間的關系根據運動合成定理可知：

V拖=V活·secθ，

(1)

式中，θ為托盤與地面的角度，則當θ為0°即托盤與底座契合時，活塞桿的速度決定了托盤的契合速度。因此只要觀察托盤的運動變化曲線及最終速度是否符合理論變化即可驗證三維模型的準確性，與之相關的運動副有J003、J004、J005,其中J003為活塞桿移動的滑動副，所以應對其進行驅動設置并且“解算方案”中時間及步數應根據驅動確定。圖3為驅動10mm/s勻速運動下的托盤速度變化圖，可以看出托盤的速度變化符合sec函數的變化規律，其與機床的契合速度V終=10.5mm/s≈10mm/s,其轉動角度為55°與實際托盤的轉動角度及運動速度差別不大，綜上可以確定該三維建模與實際情況下的曲軸拋光機基本相似。

圖3 托盤運動變化軌跡圖

3 拋光結果分析

為了檢驗該振動裝置能否提高曲軸拋光精度及拋光效率，本文對傳統曲軸拋光機及添加振動裝置后的拋光機進行了多組對照試驗，在實驗中曲軸及拋光磨料的規格為：曲軸材料：35CrMoA、長度：2263mm、體積：52277013mm3密度：7.75×10kg/m3、重量：4086.5N；拋光磨料選用白玉剛，其堆積密度：1.53～1.99g/cm3、顆粒密度：3.95～4.0g/cm3，其他工藝參數設置：頭尾架箱的轉速設定為20r/min，活塞桿速度為V=10mm/s。圖4a為磨粒振動拋光前后曲軸表面粗糙度變化程度，圖4b為傳統拋光前后曲軸表面粗糙度變化程度，從圖中可以看出相比于傳統曲軸拋光方式，由于在復合拋光過程中磨粒的慣性力與曲軸表面摩擦產生的摩擦力耦使拋光過程穩定、拋光后曲軸表面粗糙度起邊幅度不大，拋光后曲軸表面表面粗糙度低。圖5a、圖5b為拋光半個小時后曲軸拋光表面粗糙度變化情況，從圖中可以看出在相同時間內復合拋光方式的效率是傳統拋光方式效率的三倍。這是由于振動裝置傳遞的慣性力增大使磨粒收到的向心力增大從而導致曲軸表面粗粗糙迅速降低，同時由于前期磨料迅速使磨料后期去除能力下降，復合式拋光效率下降。

(a)磨粒振動拋光前后表面粗糙度對比

(b)傳統拋光前后表面粗糙度對比圖圖4 表面粗糙度對比

(a)傳統拋光半小時后粗糙度對比圖

(b)磨粒振動拋光半小時后粗糙度對比圖圖5 相同時間內表面粗糙度對比

圖6借助運動分析軟件觀察了沙箱速度及加速度在不同頻率下對復合拋光效果的影響,從圖中可以看出振動頻率的提高縮短了沙箱的振動周期，同時速度變化趨于平緩導致拋光過程越來越穩定并且隨著頻率的升高，速度譜線圖的幅值增大，與X、Y軸圍成的面積越來越大，拋光效率顯著提高，而增大振動頻率會導致加速度出現峰值次數變多從而使切向力增大降低拋光精度。因此需要根據實際情況設置相應的振動頻率進行實際曲軸拋光工藝。

(a)不同頻率下沙箱速度對比圖

(b)不同頻率下沙箱加速度對比圖圖6 沙箱速度及加速度變化

4 結束語

大量仿真及實驗結果表明添加磨料振動后的復合曲軸拋光的精度及效率均優于傳統曲軸拋光，這對復雜回轉體零件拋光具有較好的借鑒價值。由于該拋光方式較為新穎，本文只是初步探索了其應用于曲軸拋光的可行性，今后可對其拋光工藝參數設計方差實驗從而分析影響拋光精度及效率的工藝關鍵參數空間，同時借助有限元軟件建立拋光仿真模型并闡述其微觀拋光機理，對曲軸拋光行業的拓展將具有長遠的意義。