曲軸連桿頸隨動加工的運動分析及應用

隨動加工技術是一種先進的數(shù)控加工技術，它是根據(jù)被加工零件的特點，即工件具有回轉(zhuǎn)特征，但工件回轉(zhuǎn)時切削點的軌跡并非為繞回轉(zhuǎn)中心的圓(非圓曲面)。比如，曲軸連桿頸外圓柱面的加工、凸輪軸的凸輪曲線就采用隨動加工技術。不過，隨動加工的控制系統(tǒng)擁有自己的專用插補模塊以期實現(xiàn)數(shù)控隨動加工來完成零件表面的成形。應用較廣的是曲軸和凸輪軸的外銑削加工及磨削加工。

隨動加工切削點的軌跡分析

1.曲軸連桿頸加工的運動分析

曲軸的裝夾如圖1所示，采用頂尖及浮動卡盤定位夾緊，并繞曲軸的主軸頸回轉(zhuǎn)。根據(jù)圖2所示的曲軸回轉(zhuǎn)運動為輔助運動，并由C軸控制;而刀具(外銑刀盤或砂輪)本身的旋轉(zhuǎn)運動為主運動，且速度較高;刀具支架的往復平動運動亦屬輔助運動(即隨動運動)，并由X軸控制。兩個輔助運動(C軸和X軸)的聯(lián)動即可實現(xiàn)插補加工，這就是隨動加工的運動形成。接下來進一步分析切削點的運動軌跡。

2. 曲軸連桿頸加工的切削點軌跡曲線

根據(jù)圖3建立笛卡爾坐標系。以曲軸主軸頸的回轉(zhuǎn)中心作為坐標原點，以刀具的往復運動作為X軸，并以遠離工件為正向，與X軸垂直的坐標軸為Y軸。設曲軸以角速度ω0繞主軸頸中心點O回轉(zhuǎn)(C軸控制)，連桿頸(曲拐)中心在點A，OA相當于曲柄，刀具的回轉(zhuǎn)中心為點B，其切削點設為點P(X,Y),刀具支架相當于滑塊，AB就相當于連桿。設連桿軸分布圓半徑OA=R0,連桿軸半徑AP=r,銑刀盤半徑BP=R1,OA與X軸正向的夾角為α。那么，切削點的軌跡方程為(推導過程從略)

從(1)式可以看出，軌跡曲線是非橢圓曲線，在這里我們稱之為連桿隨動曲線(見圖4)。

由圖4可見，雖然連桿隨動曲線類似于橢圓，屬非圓封閉曲線，但它不是真正的橢圓，比橢圓曲線較復雜(也有長軸和短軸)。

隨動加工的插補分析

1. B點的運動方程

2. 在數(shù)控機床中的應用

將B點的運動方程(6)式編入機床的數(shù)控系統(tǒng)(編入過程從略)。之后，只需要輸入曲軸的相關參數(shù)(連桿軸分布圓半徑OA=R0,連桿軸半徑AP=r,銑刀盤半徑BP=R1)，即可實現(xiàn)對曲軸連桿頸外圓的加工。

首先，設定加工的起始位置，在這里我們設定圖2中曲軸0°位置為連桿頸加工的起始位置。之后，設定曲軸每轉(zhuǎn)0.5°(此角度可任意設定，但設定范圍最好在0.3°～0.8°之間)，銑刀盤進行一次進給，進給量系統(tǒng)會根據(jù)(6)式自動運算得出。加工時，當曲軸以角速度ω0進行轉(zhuǎn)動時，X軸即B點就會有相應的位移，對曲軸連桿頸進行隨動加工，確保被加工連桿頸的圓柱度。

結(jié)語

作為隨動加工(擺動跟蹤加工)的典型一例，曲軸連桿軸頸已經(jīng)廣泛采用該加工技術。不單是銑削加工，磨削加工更是如此，包括凸輪在內(nèi)的非圓曲面加工也已廣泛應用該技術。它以其高效性，正廣泛應用于汽車曲軸和凸輪軸的加工行業(yè)。