CN101567092A - 大型船用曲轴车床加工工艺优化仿真方法 - Google Patents

大型船用曲轴车床加工工艺优化仿真方法 Download PDF

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汪中厚
范曾
周鹤群
王伟伟
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Abstract

本发明涉及一种大型船用曲轴车床加工工艺优化仿真方法，在PEO/ENGINEER软件中对曲轴车床进行三维建模，在其子模块中进行有限元网格划分，边界条件设定，载荷设定及有限元分析，得到曲轴车床加工过程中的曲轴变形，各种零件的应力分布信息，判断加工工艺是否合理并加以优化。本发明可以考虑到曲轴红套后产生的各种几何变形误差，以及曲轴自重，切削力等多种情况的影响，通过仿真分析得到的曲轴变形情况，然后对曲轴车床加工工艺进行合理评价，达到在大型船用曲轴车床加工曲轴过程中，在加工工艺流程方面的最合理的支架支撑顺序与配置。本发明克服了过去曲轴加工过程中，只能依靠经验去进行曲轴加工工艺的制定，从而导致加工与调整效率低的缺点。

Description

大型船用曲轴车床加工工艺优化仿真方法
技术领域
本发明涉及一种车床加工工艺优化方法，尤其是一种用于船用曲轴车床加工工艺优化仿真分析方法。
背景技术
近年来，我国船舶工业飞速发展，中国已成为世界造船大国。但船用配套设备一直是我国造船业的软肋，日本、韩国船用配套设备自给率达到85％以上，而我国自给率只有30-40％。其中，大型船用柴油机的核心部件就是曲轴。我国大型船用曲轴生产能力为40根左右，而目前我国每年需要大型船用曲轴预计可达400根，只好依靠进口，严重制约了我国船舶业的发展，，尽快实现大型船用曲轴国产化，自主研制曲轴加工机床及相关技术已尤为重要。
大型船用曲轴生产过程包括铸造，锻造，红套，精加工和系统动力学试验等步骤。由于船用曲轴尺寸长，重量大，刚性差，弯头多，形状复杂，所以在红套后产生了几何形状变形，再加上自身重力，回转离心力，刀具切削力和托架支撑力等综合作用下很容易产生绕曲变形。这种非常复杂的绕曲变形和形位偏差相互作用，使得在车削加工过程中曲轴托架位置布局与支撑顺序调整极为复杂，到目前为止都是靠人工进行经验调整，调整与加工效率非常低。
发明内容
本发明是要提供一种大型船用曲轴车床加工工艺优化仿真方法，用于提高大型船用曲轴车床加工效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种大型船用曲轴车床加工工艺优化仿真方法，具体步骤如下：
1.三维几何建模
利用三维建模软件，对曲轴车床进行三维几何建模；
2.施加物理约束，边界条件与载荷
在三维几何模型基础上，施加物理约束，边界条件与载荷；
3.网格划分
利用有限元软件对模型进行网格划分；
4.有限元求解计算
利用有限元软件对划分网格后的模型进行求解计算；
5.结果分析与优化加工工艺
通过对模型有限元仿真结果分析，找出影响曲轴加工精度的影响因素，直到得出加工工艺的优化结果。
上述第一步骤中：用PEO/ENGINEER三维软件对大型船用曲轴车床床身，头架，滑板，托架，曲轴以及相关部件进行单独几何建模，并按零部件关系装配成车床加工系统。
上述第二步骤中：施加物理约束载荷：
(1)根据车床各零部件实际材料，对应设置模型的材料属性；
(2)车床底面由地脚螺栓固定，施加相应的约束条件；
(3)模拟真实环境，对车床施加重力载荷与切削力载荷；
(4)在曲轴与每个托架之间，设置接触连接。
上述第三步骤中：利用有限元软件中的四面体单元自动划分网格。
上述第四步骤中：在PEO/ENGINEER软件子模块PEO/MECHANICA系统中，进行有限元分析求解。
本发明的有益效果是：本发明通过在PEO/ENGINEER软件里对曲轴车床进行三维建模，在其子模块PEO/MECHANICA中进行有限元网格划分，边界条件设定，载荷设定及有限元分析，得到曲轴车床加工过程中的曲轴变形，各种零件的应力分布等诸多信息，因此就可以判断加工工艺是否合理并加以优化。本发明可以考虑到曲轴红套后产生的各种几何变形误差，以及曲轴自重，切削力等多种情况的影响，通过仿真分析得到的曲轴变形情况，然后对曲轴车床加工工艺进行合理评价，达到在大型船用曲轴车床加工曲轴过程中，在加工工艺流程方面的最合理的支架支撑顺序与配置。本发明的优点是克服了过去曲轴加工过程中，只能依靠经验去进行曲轴加工工艺的制定，从而导致加工与调整效率低的缺点。
本发明可以在曲轴车削前，针对大型船用曲轴的红套几何变形情况，首先进行加工工艺分析，定量的仿真曲轴加工中各种影响因素对曲轴变形对加工精度的影响，从而优化加工工艺。
本发明为今后大型船用曲轴精加工及优化其加工工艺，提高曲轴精加工效率和加工质量，降低制造经济成本提出了指导性意见。
附图说明
图1仿真分析方法优化流程图；
图2大型船用曲轴车床三维几何模型图；
图3大型船用曲轴托架支撑位置示意图；
图4大型船用曲轴车床仿真结果图。
具体实施方式
现结合附图对本发明的一个具体实施例做进一步的说明。
本发明的大型船用曲轴车床加工工艺优化仿真方法，具体步骤如图1所示：
1.三维几何建模：在PEO/ENGINEER软件中对大型船用曲轴车床包括，床身4，头架5，滑板3，托架2，曲轴1等相关部件进行单独几何建模，并按零部件关系装配成车床加工系统(图2)。
2.物理约束载荷模拟：
(1)根据车床各零部件实际材料，对应设置模型的材料属性。
(2)车床底面由地脚螺栓固定，施加相应的约束条件。
(3)模拟真实环境，对车床施加重力载荷与切削力载荷。
(4)在曲轴与每个托架之间，设置接触连接。
3.网格划分：
网格的划分是有限元前处理中的主要工作，也是整个有限元分析效果的关键所在，网格的优劣对整个结构分析结果的有效性和可靠性影响很大。曲轴车床结构比较规则，利用有限元软件中的四面体单元(Solid Tetra)自动划分即可满足计算精度要求。
4.有限元求解计算：
在PEO/ENGINEER软件子模块PEO/MECHANICA系统中，进行有限元分析求解。得到曲轴车床加工过程中的曲轴变形，各种零件的应力分布等诸多信息(图4)。
5.分析加工工艺流程：
托架的功能是支撑曲轴(图3)，托架支撑位置的不同影响了曲轴由于重力引起的变形大小。为了减小由于曲轴红套装配产生的几何变形与重力变形双因素影响作用，所以，合理的选择加工工艺中托架的布置顺序是提高曲轴加工精度的关键所在。我们的优化步骤是，首先找到第一个最佳支撑位置，使曲轴整体变形最小。然后顺次找出最小变形的轴颈进行加工，加工后用支架支撑好，依次执行下去，就可以得到优化的加工工艺。
6.计算与优化加工工艺流程：
根据实践经验，曲轴红套后最典型的几何变形形状是整体弯曲变形，我们以此为例进行说明。假设最大弯曲变形量为H，我们通过仿真分析，在H＝0mm，1mm，2mm，3mm，4mm时，全部存在以下共同的特征。首先支撑6位置时，整体变形最小。此时发现托架支撑位置以外的最小变形发生在位置8处，所以首先加工位置8，然后把托架8也用支架支撑上去，又可以找到两个托架6和托架8支撑时曲轴上的其他轴颈部位的最小变形量。用同样的方法依次类推，最后得到8个托架全部支撑上去的布置顺序及最优加工工艺。
7.曲轴加工工艺流程结论：
第一步：托架6支撑，加工位置8处。
第二步：托架68支撑，加工位置1处。
第三步：托架168支撑，加工位置7处。
第四步：托架1678支撑，加工位置2处。
第五步：托架12678支撑，加工位置3处。
第六步：托架123678支撑，加工位置5处。
第七步：托架1235678支撑，加工位置4处。
第八步：托架1234578支撑，加工位置6处。

Claims (5)

1.一种大型船用曲轴车床加工工艺优化仿真方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)三维几何建模
利用三维建模软件，对曲轴车床进行三维几何建模；
2)施加物理约束，边界条件与载荷
在三维几何模型基础上，施加物理约束，边界条件与载荷；
3)网格划分
利用有限元软件对模型进行网格划分；
4)有限元求解计算
利用有限元软件对划分网格后的模型进行求解计算；
5)结果分析与优化加工工艺
通过对模型有限元仿真结果分析，找出影响曲轴加工精度的影响因素，直到得出加工工艺的优化结果。
2.根据权利要求1所述的大型船用曲轴车床加工工艺优化仿真方法，其特征在于：上述第一步骤中：用PEO/ENGINEER三维软件对大型船用曲轴车床床身，头架，滑板，托架，曲轴以及相关部件进行单独几何建模，并按零部件关系装配成车床加工系统。
3.根据权利要求1所述的大型船用曲轴车床加工工艺优化仿真方法，其特征在于：上述第二步骤中：施加物理约束载荷具体方法是：
(1)根据车床各零部件实际材料，对应设置模型的材料属性；
(2)车床底面由地脚螺栓固定，施加相应的约束条件；
(3)模拟真实环境，对车床施加重力载荷与切削力载荷；
(4)在曲轴与每个托架之间，设置接触连接。
4.根据权利要求1所述的大型船用曲轴车床加工工艺优化仿真方法，其特征在于：上述第三步骤中：利用有限元软件中的四面体单元自动划分网格。
5.根据权利要求1所述的大型船用曲轴车床加工工艺优化仿真方法，其特征在于：上述第四步骤中：在PEO/ENGINEER软件子模块PEO/MECHANICA系统中，进行有限元分析求解。
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