高速拉床液壓系統(tǒng)拉削振動特性分析
2018-10-22 來源：中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 作者：柳波，劉琪，桂珍，王亞雄
摘要：由于拉削振動力對拉床液壓系統(tǒng)的平穩(wěn)性和拉削加工的質(zhì)量影響較大，根據(jù)正交切削力模型及微元法，文章建立了拉刀單齒的拉削力模型，并根據(jù)拉刀實(shí)際拉削的最大齒數(shù)變化規(guī)律，建立了拉削振動力模型和基于拉削振動力的拉床液壓系統(tǒng)模型，利用 ＡＭＥＳｉｍ 軟件仿真分析了拉削振動力作用下拉床液壓系統(tǒng)的平穩(wěn)性，對不同齒距、不同拉削速度以及不同脈沖比下，拉削振動力對拉床液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了分析。設(shè)計(jì)子拉床液壓系統(tǒng)拉削振動特性的測試試驗(yàn)方案，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞：高速拉床；拉削振動；正交切削力模型；液壓系統(tǒng)；穩(wěn)定性分析
高速拉床是以拉刀作為切削工具，對特定工件進(jìn)行高速切削加工，具有高精度、高效率、可最終成型等優(yōu)點(diǎn)的機(jī)械加工設(shè)備，其主要包括拉床底座、拉床工作臺、拉刀、液壓缸、主溜板和輔溜板、拉床床臺、工件、夾刀裝置以及電液伺服系統(tǒng)等，可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動下對工件的穩(wěn)定可靠加工。拉削力是拉刀拉削過程中受到的與速度方向相反的阻力。在實(shí)際拉削過程中，由于切削的拉刀齒數(shù)周期變化，工件的金屬組織不均勻及拉刀刀齒幾何參數(shù)不一致等原因，切削阻力在拉削過程中是 不 斷 變 化 的，可 視 為 拉 削 振 動 力。目前，國內(nèi)外針對拉削振動力模型及其對拉床液壓系統(tǒng)平穩(wěn)性影響的研究還較少。文獻(xiàn)將拉床－拉刀－工件作為閉合振動系統(tǒng)，建立了拉削振動模型及數(shù)理方程，但未對拉削振動力模型進(jìn)行深入研究，且未涉及拉床液壓系統(tǒng)的振動特性分析；文獻(xiàn)研究了拉床結(jié)構(gòu)、溜板和床身安裝間隙對拉削精度的影響規(guī)律；文獻(xiàn)基于空間統(tǒng)計(jì)學(xué)，對機(jī)床剛度、固有頻率等動力學(xué)特性隨著機(jī)床部件位置、姿態(tài)在工作空間中的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。拉床拉削工藝對拉刀拉削速度的穩(wěn)定性要求較高，但是由于拉削振動力的存在，油缸有桿腔壓力會出現(xiàn)波動情況，進(jìn)出油口的流量穩(wěn)定性變差，使得拉削速度出現(xiàn)“突跳”的現(xiàn)象。這會對被拉削件表面的加工質(zhì)量造成影響，使工件加工誤差變大，殘廢品率增加。因此，分析拉削振動力對拉床液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響對提高拉削加工質(zhì)量意義重大。
１、拉削力模型建立
１．１ 拉削過程分析
在實(shí)際拉削過程中，拉刀由于拉削刃數(shù)量較多，同時對多個齒的拉削力進(jìn)行分析和計(jì)算將非常復(fù)雜，難以求解。拉削示意圖如圖１所示。由圖１可知，單齒在拉削過程中對工件的加工作用與車削過程類似，而且同圈拉削刃的切削過程及受力條件基本相同，因此可以對每圈單個刀齒的切削過程進(jìn)行分析，分別求出切削力，最后對所有參與切削刀齒的切削力進(jìn)行矢量求和，得到某一時刻拉刀所受的總拉削力。
圖１ 拉削示意圖
２、高速拉床液壓系統(tǒng)模型建立
拉床液壓系統(tǒng)通過有桿腔進(jìn)油實(shí)現(xiàn)向上快速拉削。由于液壓油的彈性模量比鋼低 １ 個數(shù)量級，可以將拉刀溜板看成剛性結(jié)構(gòu)，將拉削振動力視為外負(fù)載作用在油缸桿上，其力平衡數(shù)學(xué)模型
３、高速拉床液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性分析
３．１ 高速拉床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
高速拉床液壓系統(tǒng)原理圖如圖４所示。由于拉削工藝對拉削速度的穩(wěn)定性要求較高，本文研究的高速拉床液壓系統(tǒng)采用液壓缸速度控制回路方式設(shè)計(jì)。由速度傳感器對拉刀的速度進(jìn)行檢測，并將實(shí)際速度值與預(yù)期速度值進(jìn)行比較，得到誤差控制信號，經(jīng)過放大器放大后，控制大流量比例閥閥口開度，使輸出流量符合速度要求。為了滿足高速拉削要求，利用大容量蓄能器組為油缸短時提供大流量。
圖４ 高速拉床液壓系統(tǒng)原理圖
３．２ ＡＭＥＳｉｍ仿真
利用 ＡＭＥＳｉｍ 液壓仿真軟件，建立基于速度控制的高速拉床液壓系統(tǒng)的仿真模型。根據(jù)某機(jī)床廠相關(guān)型號拉床液壓系統(tǒng)的資料，仿真參數(shù)的設(shè)置見表１所列。
表１ 高速拉床液壓系統(tǒng)仿真參數(shù)
３．３ 仿真結(jié)果分析
３．３．１ 拉削振動力對拉削穩(wěn)定性的影響
度 也 產(chǎn) 生 了 波 動。 其 速 度 波 動 幅 度 在±０．０１３ ６ｍ／ｓ左右，波動頻率與拉削振動力頻率接近１０５Ｈｚ。高速拉床油缸進(jìn)油腔的壓力和流量變化曲線如圖６所示。
圖６ 進(jìn)油腔的壓力和流量變化曲線
圖７ 不同齒距下的拉刀拉削振動
加，使拉削速度降低。
圖９ 不同脈沖比下的拉刀拉削振動
４、試驗(yàn)驗(yàn)證
根據(jù)已建立的高速拉床拉削振動力模型，利用 ＡＭＥＳｉｍ 液壓仿真軟件，對基于速度控制的高速拉床液壓系統(tǒng)拉削振動特性進(jìn)行仿真分析。本文設(shè)計(jì)了拉床液壓系統(tǒng)拉削振動特性的測試試驗(yàn)方案，通過試驗(yàn)驗(yàn)證上述仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。
４．１ 試驗(yàn)設(shè)備
拉床液壓系統(tǒng)拉削振動特性測試系統(tǒng)與測點(diǎn)布置 如 圖 １０ 所 示。 需 要 的 試 驗(yàn) 設(shè) 備 包 括 ＲＳ－３１０２壓電式速度傳感器、壓力傳感器、流量計(jì)、Ａ／Ｄ 轉(zhuǎn)換器以及信號采集與分析儀等。其中速度傳感器安裝在拉刀桿的末端，用來測量拉刀速度波動情況。油缸處安裝有１個壓力傳感器和１個流量計(jì)，分別用來測量油缸進(jìn)油腔壓力和流量。
圖１０ 拉床液壓系統(tǒng)拉削振動特性測試系統(tǒng)
４．２ 試驗(yàn)結(jié)果分析
由于條件有限，試驗(yàn)過程主要對不同齒距情況下的拉削速度波動情況進(jìn)行了研究。Ｌ５７１０型拉床試驗(yàn)樣機(jī)的最大拉削速度為６ｍ／ｍｉｎ，在拉刀齒距ｐ分別為１２．４、９．５、７．２ｍｍ 的情況下，以最高速度進(jìn)行拉削，拉削速度波動情況如圖１１所示。由圖１１可知，隨著拉刀齒距的減小，拉床液壓系統(tǒng)拉削速度的波動情況也逐漸減小，拉削加工過程趨于平穩(wěn)。這與上文中對于高速拉床液壓系統(tǒng)仿真曲線所得出的結(jié)論是一致的，從而驗(yàn)證了上述理論分析及仿真研究結(jié)果的正確性。
圖１１ 不同齒距下拉削速度波動曲線
５、結(jié)論
（１）本文根據(jù)正交切削力模型，利用微元法建立了拉刀單齒的拉削力模型，并根據(jù)拉刀實(shí)際拉削 的 最 大 齒 數(shù) 變 化 規(guī) 律，建 立 了 拉 削 振 動 力模型。（２）建立了基于拉削振動力的拉床液壓系統(tǒng)模型，并利用 ＡＭＥＳｉｍ 液壓仿真軟件對模型進(jìn)行了仿真，分析了拉削振動力作用下拉床液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即拉刀速度、進(jìn)油腔壓力、流量的變化情況。（３）對不同齒距、不同拉削速度及不同脈沖比下，拉削振動力對拉床液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了仿真分析，得出減少拉削齒距、增加拉削速度以及較大的脈沖比，可以有效降低拉削振動力對拉床液壓系統(tǒng)的沖擊，提高拉削加工質(zhì)量。（４）對不同齒距下，拉削振動力對拉床液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了 拉削振動 特性測試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)論與仿真結(jié)果基本吻合，證明了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可行性.
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