曲轴切削过程的仿真分析

李定海 杨苏勤

（西南交通大学峨眉校区，四川峨眉 614202）

1 引言

曲轴是CNG压缩机重要的部件，它的几何参数不仅影响着CNG压缩机的质量，而且很大程度上影响着CNG压缩机的可靠性和使用寿命[1-3]。曲轴加工过程中由弯曲变形残留的残余变形及残余应力对曲轴的弯曲疲劳强度产生较为严重影响，而曲轴的破损有可能引起CNG压缩机其他零件的严重损坏。随着对CNG压缩机工作性能要求的逐渐提高，曲轴工作条件愈加复杂，曲轴在周期变化的气体压力、往复和旋、转运动引起的惯性力以及它们的扭、弯矩、冲击荷载共同作用下工作，使曲轴承受扭转、弯曲(弯矩较大，由力学知识可知其是曲轴的主要控制指标)荷载。因此曲轴加工要求非常高。

前面表达式中相关参数说明，切削速度υc，是指切削刀具选定点对曲轴主运动的瞬时速度，单位为m/min；背吃刀量ap，是指垂直于进给速度方向测量的切削层最大尺寸，单位为mm；CFc、CFp、CFf—切削力公式系数，根据加工条件由实验确定；xF、yF、nF—表示各因素对切削力的影响程度指数；KFc、KFp、KFf—不同加工条件对各切削力的影响修正系数。

2 切削力计算

刀具在切削曲轴时，加工层与工件内部产生弹性、塑形变形反力；流出的碎屑和工件运动与刀具之间均产生摩擦力，前面几种作用力的合力用F表示。由于F是一个空间方向，为了方便计算和测量将F分解为3个分力，主切削力Fc，主运动方向沿着曲轴切线切削力分力；进给力Ff，进给运动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]。切削力表示为指数形式的实验公式为

3 曲轴有限元模型的建立

本文选用Ansys14.0软件中的solid185单元来给切削加工过程中的曲轴建模，曲轴分75087个单元，节点数为29688个（因为是动力分析，所以曲轴单元不宜分的太小，本文采用单元长度为0.02m，参见图1）。曲轴材料的弹性模量为150GPa，密度为7800kg/m3，泊松比为0.29. 曲轴约束与实际加工一致的形式进行约束加载，即曲轴近端圆截面中部部分节点ux=uy=uz=0，另外一端的部分ux=uy=0。切削荷载用实验拟合切削的移动力来模拟刀具的切削力，分析采用瞬态分析法，求解方法采用full方法。

4 切削过程引起位移计算

本文模拟不同速度情况下刀具在曲轴切削过程的位移动力响应，分析刀具位置在一些关键位置情况，曲拐转折处8个截面，中部的变截面、以及跨中附近的6个截面，总共选取较为关键的14个截面来进行分析，但是限于篇幅，本文仅给出刀具在第二个曲拐处和跨中两个处的分析数据，而动力响应数据又仅提取刚度较小的曲拐处的位移动力响应值来进行分析。

5 曲轴切削加工过程分析

图1 切削力在曲拐处时曲拐处节点ux位移

图2 切削力在跨中处时曲拐处节点ux位移

图3 切削力在跨中处时曲拐处节点ux位移

图4 切削力在跨中处时曲拐处节点ux位移

说明：横坐标是表示时间，纵坐标表示动力响应位移值（为了作图方便，图中数据均被放大10倍，单位是mm）。

图1-图4可以看出曲轴在不同位置切削力作用下的位移动力响应曲线相似，在不同速度情况响应周期有所不同。由前面的切削力理论计算可以知道，随着切削速度增加，切削力也逐渐增加，由响应曲线可以看出，曲轴纵向、横向位移明显增大。计算速度最小时，图1、图3的横向位移分别为为0.12mm、0.14mm，当速度达到最大时，两个图中最大位移分别为0.31mm、0.31mm，最大位移是最小位移的2.58倍、2.21倍；图2、图4中竖向位移响应情况与横向位移相似，最大位移与最小位移比值为2.79倍、1.87倍，可以看出竖向位移中位移响应随着速度和切削力变化时，变化较大，而其中自重引起的是一个恒定的竖向位移，对于竖向动力响应位移可能曾打，有一部分是减小所致。由于切削过程中引起曲轴位移较大（此计算中并未考虑刀具和支架的变形），这样在加工过程中就需要对曲轴进行多次的矫正，这样必然引起曲轴有残余内力和变形存在，由于曲轴后期运行条件复杂，并且是承受动力荷载对结构疲劳强度也会产生不利影响，所以减小曲轴加工过程的变形势在必行。

6 总结与结论

本文应用移动荷载代替切削刀具的运动，根据实际的加工情况，在计算中分析了多种情况下刀具切削曲轴的各个位置的响应情况，本文限于篇幅仅仅提取了曲拐处的位移进行讨论。得到了许多对实际有指导意义的结论，现总结如下。

(1)通过对比曲轴的动力响应图可以发现，速度增加响应时间变短的同时位移也迅速增加，在是加工的切削速度可以根据加工效率来确定切削速度。

(2)曲轴动力响应位移值较大，可见其刚度偏小，由于曲轴曲拐较多，导致其刚度显著减小。条件允许的情况下增加跟随支架、增加其他辅助设备来提高刚度是非常有必要。曲轴加工位移减小，曲轴在加工过程中可以有效减少加工过程的矫正次数，从而达到降低因矫正留下残余应力和变形的目的；并达到降低成本的同时也能加工出高质量的曲轴供CNG压缩机使用。

从以上的计算和分析可以知道，本文对曲轴动力响应计算发现其动力位移大，刚度偏小，在实际加工过程值得重视，对于提高曲轴加工精度以及降低成本都有一定的现实意义。

[1] 李连生，唐斌，王乐，“往复压缩机曲轴变工况条件下有限元分析”[J]，流体机械，Vol.39，No.12,2011,pp14-17.

[2] 薛隆泉，刘荣昌，崔亚辉，“曲轴圆角滚压运动及结构参数的优化设计”[J]，机械工程学报,Vol.38，No.1,2002,pp146-148.

[3] Z. P.Mourelatos,“An efficient crankshaft dynamic analysis using substructuring with ritz vectors”, Journal of Sound and vibration,Vol.238, NO.3,2000, pp495-527.

[4] 王浩青，“切削力理论计算公式局限性的探讨”，烟台大学学报( 自然科学与工程版),Vol.14,NO.2,2001,pp142-147.

[5] Liqiang Zhang, Dazhong Wang and Keyong Wang,"Modeling and Analysis for Five-Axis High Speed Milling Process Based on Cutter Optimal Kinematics Performance",Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology,Vol.4,No. 22, 2012,pp 4718-4723.

[6] Nosratollah Solhjoei, Amir vafaei,etc.,"High Speed Milling of Al2O3 Particles Reinforced Aluminum MMC",Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology,Vol.4,No.17, 2012,pp3015-3020.