凸轮轴铣削加工力学特性的研究与仿真

摘要

作为内燃机的关键组成部分，凸轮轴进排气凸轮型面的制造精度对配气机构的运动特性有重要影响。整体式凸轮轴具有较大的长径比以及受力易弯曲变形的特点，新型随动外圆铣床在凸轮型面粗加工过程中，断续的铣削力还会激发工件、刀盘与机床的振动，引起加工误差加大。针对以上问题，本文研究了凸轮升程表数据的处理方法、加工过程中凸轮轴的弯曲变形、振动特性，探讨了辅助支撑的个数对凸轮加工精度的影响。
　　首先，采用Johnson差分法与五点三次法对进气凸轮原始离散升程数据进行了噪声分析与光顺处理。分别应用人工神经网络、三次样条插值、广义延拓逼近、N次谐波逼近等方法对光顺后数据进行曲线拟合。对比拟合曲线加速度的连续性以及拟合误差的大小，得到了N次谐波逼近为最合适的拟合方法，利用该方法建立了凸轮轴三维实体模型。
　　其次，在建立的单个凸轮受力模型基础上分析了刀盘铣削力对铣床X-C两轴联动位置误差的影响。采用图乘法、传递矩阵法及奇异函数法对不同支撑情况下轴的挠曲线方程进行了理论推导与求解。利用ANSYS Workbench对不同支撑情况下凸轮轴有限元模型进行静力学仿真，仿真结果与理论结果基本一致：随着支撑数目的增加，铣削同一位置处的轴的变形逐步减小。
　　再次，采用Euler-Bernoulli梁理论，建立了凸轮轴弯曲自由振动与在铣削力激励下的强迫振动模型，求解了无支撑情况时凸轮轴自振的固有频率、振型，作出了在刀盘铣削力激励下的一阶强迫振动响应的函数图形，分别采用分段联立法、克雷洛夫函数法推导并求解了加工过程有支撑情况的固有频率方程。利用有限元软件对不同支撑情况进行了模态分析、谐响应分析与瞬态动力学分析。理论与仿真结果均表明随着辅助支撑数目的增加，凸轮轴的固有频率增加，同一位置处的振动响应幅值逐渐减小。综合静力学与动力学分析结果得到最合适的辅助支撑数目为3个。
　　最后，通过模态分析得出，当前刀盘转速带来的交变铣削力不会引起自身共振。以上研究为改善机床铣削性能、提高凸轮轴的加工精度提供了一定的参考。

目录

声明

第1章 绪论

1.2 课题来源、研究目的与意义

1.3 国内外研究现状

1.4 拟解决的关键问题

1.5 研究内容与技术路线

1.6 本章小结

第2章 凸轮升程曲线的拟合及优化

2.1 凸轮离散升程数据的光顺

2.2 凸轮升程曲线拟合的插值与逼近

2.3 四种拟合方法的对比

2.4 本章小结

第3章 铣床特点与铣削力分析

3.2 刀盘铣削力分析

3.3 本章小结

第4章 凸轮轴铣削加工静力学分析

4.1 铣削力对铣床X-C轴联动位置影响

4.2 凸轮轴加工弯曲变形理论分析

4.3 凸轮轴弯曲变形的有限元仿真

4.4 本章小结

第5章 凸轮轴铣削加工振动分析及优化

5.1 凸轮轴铣削无辅助支撑的振动特性研究

5.2 凸轮轴铣削有辅助支撑的振动特性研究

5.3 刀盘的振动特性研究

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.2 展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文