霍洪旭

（通用技術集團機床工程研究院有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110142）

曲軸的應用領域比較廣泛，如船舶、機車、重卡及工程機械等，隨著我國機械行業(yè)的迅速發(fā)展，對曲軸的需求量逐漸增加，隨之而來曲軸加工過程中的難題成為設計者最關注的問題[1]。一方面，曲軸主軸頸加工容易產生切削振動，引起工件表面橢圓度及端面跳動超差，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線一般采用桁架機械手直接送料并與主軸頂尖剛性接觸，機械手的齒輪箱和電機瞬時負載較大，機械手的故障率增加。此外，在曲軸自動化生產過程中，一些大中型曲軸需要托料架輔助支撐，并采用無觸點開關實現到位檢測，極易受鐵屑和切削液影響導致誤判和失靈。

許多學者已經在加工曲軸方面開展了一些研究。楊繼珍結合CK43160 車床及曲軸的加工工藝設計了一種曲軸連桿軸頸車床曲軸支撐裝置，能提高機床的加工精度[1]。王華程等開發(fā)了自動補償功能中心架，保證曲軸回轉加工精度[2]。康文生總結了減摩涂層注塑成型技術在導軌上的應用[3]。陳亞菊等通過具體案例，充分論證了高精度定位膠結構定位在機床裝配中的優(yōu)勢所在[4-5]。肖紅梅分析了灌膠處鐵面的表面粗糙度對灌膠質量的影響[6]。經過分析發(fā)現，每一種理論都有一定的局限性和缺乏應用型，有待改進。

本研究基于SUC500DHT5 雙頭臥式數控車床，通過對數控車床主軸頸加工問題的跟蹤和工況的調研，并結合曲軸的加工工藝設計了一種新型高剛性曲軸支撐裝置，來滿足實際切削需求。其操作簡便、剛性強、送料速度快、避免鐵屑貼附以及成本低廉，并能提高機床的加工效率。利用Simulation 模塊，對托料架進行拓撲優(yōu)化，既滿足了目標重量，又滿足應力需求，得到輕質、高效的托料裝置。對進一步優(yōu)化曲軸主軸頸生產工藝提供了參考。

1 新型中心架結構介紹

本研究為了使加工曲軸主軸頸時更加平穩(wěn)，減小沖擊和變形，設計一種新型中心架及其托料支撐結構，如圖1 所示。

圖1 車床中心架體結構圖

本結構主要由復合導軌、液壓中心架、進給系統(tǒng)、油缸鎖緊裝置、浮板潤滑裝置、氣檢托料結構和擺動驅動機構等結構組成。擺動驅動機構既可以實現軸向送料，又能夠減輕托料架鐵屑堆積，更能夠減小床頭箱、尾臺的支撐載荷。

（1）復合導軌

目前，機床常用導軌主要有滾動導軌、滑動導軌和復合導軌3 種。滾動導軌具有摩擦阻力小、隨動性和高速運動性能好、定位精度和重復定位精度高等優(yōu)點，但在重載情況下其接觸應力大，抗振性、剛性較差；滑動導軌承載能力大，抗振性、剛性好，但其具有動靜摩擦比較大、運動靈敏度較低、低速時易“爬行”、易磨損、使用壽命較短的缺點。若單獨使用滾動導軌或者滑動導軌均難以達到重型機床理想的性能指標和精度要求。復合導軌由注塑導軌和滾動體構成，主要導向采用滾動導軌，主要支承采用注塑導軌，更加適合重型切削加工，如圖2所示。

圖2 復合導軌結構圖

注塑導軌采用注塑成型技術，具有降低機床導軌摩擦阻力、提高機床加工精度、提高機床低速運動平穩(wěn)性等優(yōu)點。由于注塑成型常使用膠粘劑在原有表面拓印，也被稱作復印成型法。與此同時，膠粘劑固化收縮率在0.01 cm/cm 左右，常因固化過程溫差影響，導致表面收縮、開裂，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程包括：①粗化溝槽；②油溝復?。虎蹏娡棵撃?；④灌膠及加壓；⑤固化；⑥開模；⑦檢測。

低壓輔助注塑成型法是利用密封圈使導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，使導軌結合面形成真空，保持模腔內膠粘劑完整，減小灌膠表面的收縮、變形和翹曲，從而提高導軌的接觸率，如圖3所示。

圖3 低壓輔助注塑成型法

（2）油缸鎖緊與浮板潤滑裝置

中心架體軸向移動依靠絲杠傳動，鎖緊依靠液壓活塞，如圖4 所示。通過液壓活塞起浮帶動浮板擠壓床身導軌面，實現液壓鎖緊。液壓載荷停止，浮板因重力下沉，浮板脫離導軌面，此時可通過絲杠帶動中心架軸向移動?；钊c壓板依靠星型密封圈實現密封，較普通O 型密封圈能夠承受更大的壓力。

圖4 油缸鎖緊與浮板潤滑裝置

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

（3）擺動驅動機構

目前，四缸曲軸加工主軸頸仍以半自動化為主，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托料機構；②車削加工產生大量鐵屑，易在托料架位置堆積，影響上料。為此，設計一款擺臂式托料架尤為重要。

擺臂式托料架技術難點在于：①角行程驅動器防水防塵等級低，無耐腐蝕能力；②為了更好地排屑，擺動角度大于120°；③驅動器輸出扭矩較小，需對零件進行拓撲優(yōu)化。

圖5 所示為全封閉式擺臂托料架的驅動機構，其中角行程驅動器選用費斯托型號為DSM-63-270-P-A-P，6 bar 時理論扭矩 40 N·m。驅動器采用隱藏式安裝在中心架體內部，通過兩端的O 型密封圈和唇型密封圈有效保護設備的使用壽命。

圖5 擺動驅動機構

（4）氣檢托料機構

目前，中心架體托料架均采用接近開關或紅外傳感器來檢測工件是否到位，但是曲軸加工時會產生大量鐵屑，而鐵屑極容易誤觸發(fā)接近開關，不利于自動化加工。本研究采用HYDROBLOCK 氣檢閥VS10 檢測曲軸，并集成在V 型架上，用以實現曲軸主軸頸的支撐及檢測，如圖6 所示。氣檢閥檢測曲軸到位情況，采用普通圓線彈簧做為托料架旋轉后復位的動力源，具有振動小、耐用性強的優(yōu)點。與此同時，該裝置與桁架式機械手配套使用，組成自動上下料單元，實現了無人化加工，滿足了自動化生產需求。

圖6 氣檢托料機構

2 托料架拓撲優(yōu)化及安全系數計算

2.1 托料架有限元分析

（1）托料架靜力學分析

根據設計要求，托料架材料為Q235A，添加材料信息時，取彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.33，密度為7 850 kg/m3?；赟olidWorks 2022 建立初始托料架三維模型并進行網格劃分和添加約束與載荷，提交運算求解，其靜力學分析結果如圖7所示。

圖7 初始托料架靜應力分析結果云圖

（2）托料架模態(tài)分析

可利用Simulation 模塊靜力學分析中的有限元網格模型，對初始托料架進行模態(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

通過以上靜力學及模態(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和模態(tài)分析結果均滿足設計要求，說明其本身設計是合理的。但由圖7 可知，初始托料架的小變形區(qū)和小應力區(qū)過多，變形和應力較大的區(qū)域較少，且最大應力值4.42×107N/m2遠小于Q235A 材料的屈服強度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床共振的頻率相差很多，可知該初始托料架設計過于保守，故可利用拓撲優(yōu)化尋求結構對材料的最佳利用，得到最佳的材料分配方案[7]。

2.2 托料架拓撲優(yōu)化設計

SolidWorks 提供了簡單易用的拓撲優(yōu)化解決方案，能夠快速地優(yōu)化產品設計[8]。本研究采用Simulation 模塊進行拓撲優(yōu)化，并結合靜應力分析對初始托料架模型進行目標去除。目標去除率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。

采用Simulation 模塊對初始托料架模型進行拓撲優(yōu)化分析。具體設置包括：①目標和約束參照最佳強度質量比；②網格品質準則采用雅克比16 點[9]；③設置拓撲優(yōu)化目標去除率γ=32%。為了獲取拓撲優(yōu)化過程中有限元迭代的準確數據，查看數據收斂圖，如圖9 所示。

圖9 數據收斂圖

由圖9 可以看出，在迭代至 15 次之后結果開始趨于收斂。迭代求解完成后，拓撲結果如圖10a所示。其結構可以導出實體模型，并在SolidWorks中進行設計修整，如圖10b 所示。

圖10 拓撲優(yōu)化

為了驗證拓撲優(yōu)化的效果，對修整后托料架進行靜力分析和模態(tài)分析，其靜力學分析變形云圖如圖11 所示，并從質量、變形和前六階頻率值三個方面對初始結構、拓撲優(yōu)化托料架進行對比，其結果對比見表2 和表3。

表2 拓撲優(yōu)化型托料架性能分析對比表

表3 拓撲優(yōu)化托料架前六階頻率對比表 Hz

圖11 拓撲優(yōu)化托料架靜應力分析結果云圖

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

由表2 和表3 可知，托料架經拓撲優(yōu)化后，與初始托料架相比，其質量減小31.86%，基頻降低了6.64%。因此，經過拓撲優(yōu)化確定了托料架合理的結構形態(tài)分布，并達到了提高結構支撐剛度、減小結構質量的目的[10]。

2.3 角行程驅動器使用安全系數計算

曲軸和托料架自重主要依靠角行程驅動器支撐，并且在曲軸確定情況下，采用拓撲優(yōu)化方法尋求最佳質量，能夠有效的提高托料架使用安全系數，計算結果見表4。

表4 角行程驅動器使用安全系數計算

驅動所需扭矩：

角行程驅動器輸出扭矩：

角行程驅動器使用安全系數：

3 新型中心架工作原理

新型中心架工作過程：中心架壓板松開和中心架張開，通過絲杠帶動中心架移動到接料位置；再由角行程驅動器驅動托料架抬起后，桁架機械手拾取曲軸，并將曲軸主軸頸放置于托料架V 型架上；張開浮動卡盤同時退回機械手，絲杠帶動曲軸送料到卡盤內，并使卡盤頂尖與曲軸一端中心孔接觸，此時，尾臺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。

該裝置上下料無需人工操作，皆由程序控制，從而使曲軸主軸頸加工實現全過程自動化。氣動和液壓控制原理分別如圖12 和圖13 所示。

圖12 氣動原理圖

圖13 液壓原理圖

控制原理為：中心架壓板松開壓力繼電器發(fā)出信號、中心架張開到位開關發(fā)出信號→絲杠驅動到位發(fā)出信號→角行程驅動器托起到位開關檢測→桁架機械手上料完成檢測→氣檢閥到位檢測、浮動卡盤油缸張開到位發(fā)出信號→桁架機械手下料完成、絲杠驅動到位發(fā)出信號→尾臺套筒壓力檢測、頂尖到位開關檢測發(fā)出信號→浮動卡盤油缸夾緊到位發(fā)出信號→角行程驅動器擺回到位開關檢測、壓板鎖緊和中心架夾持壓力繼電器發(fā)出信號→執(zhí)行切削程序。

4 結語

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

（2）建立托料架三維實體模型，導入Simulation模塊求解分析，在滿足靜剛度和模態(tài)分析的基礎上，進行三維拓撲優(yōu)化設計。優(yōu)化后質量減小31.86%，基頻降低6.64%，優(yōu)化后角行程驅動器使用安全系數1.5，滿足靜剛度的要求。