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基於 ADAMS 的五軸數控（kòng）工具磨床磨削力仿（fǎng）真分析

2018-8-17 來源：北華大學機械工程學院作者：張耀（yào）娟，楊克，劉維維（wéi）

摘要: 利用計算機三維建模與虛擬樣機仿真技術建（jiàn）立自主研發的五軸數控工（gōng）具磨床虛擬樣機模型，對五軸數控工具磨床加工過程中砂輪磨削力的受力（lì）大小和變化趨勢（shì）進行仿真，利用磨削力的理論計算公式驗證了所建立的虛擬樣機模型的（de）有效（xiào）性。研（yán）究了砂輪線速度、磨（mó）削深度（dù）、進給量對磨（mó）削力（lì）的影響，為五軸數控工具磨床的設計提供參考。

關鍵詞: 五軸數控工（gōng）具磨（mó）床; 磨削力; 虛擬樣機模型; 影響因（yīn）素

0 、前言

五軸數控工具磨床是在三（sān）軸數控磨床（chuáng）的基（jī）礎上增加了兩（liǎng）個（gè）旋轉軸（zhóu），已經成為加工複雜曲麵和高精度工具的主要手段。五軸數控工具磨床的優勢在於具有較高的加工質量和較（jiào）高的加工效（xiào）率，而且隻需要一次裝夾就可（kě）以完成複雜零（líng）件的加（jiā）工。砂輪作為五軸數控工具磨床的加工刀具，其受力的大小和受力的變化趨勢對砂輪的使用壽命和加工質量都有（yǒu）很大的影響。本文作者借助三（sān）維建模（mó）軟件 Solid Works 和多體動力學軟件（jiàn） ADAMS 對五（wǔ）軸數控工具（jù）磨床加工時的磨削力進行仿真分（fèn）析，通過磨削力（lì）的理論（lùn）計算公式驗證（zhèng）了所建立的五軸數控工具磨床仿真模型的有效性。可以對五軸數控工（gōng）具磨床加工時（shí）磨削力的大小和趨勢進行仿真，能夠為砂輪的選型和（hé）砂輪（lún）的壽（shòu）命預測提供參考。

1、五軸數控工具磨床仿真模型的建立

在（zài）三維建模（mó）軟件 Solid Works 中建立五軸數控工具磨床的三（sān）維實體模型，再轉化成多體動力學（xué）軟件 AD-AMS 可以識別的中性文件，導入到 ADAMS 中建立五軸數控工具磨床的仿真（zhēn）模型。根據五軸數控工具磨床的（de）工作原（yuán）理和重點分析的結構，將五軸（zhóu）數控工（gōng）具磨床簡化成 X 軸機（jī）構、Y 軸機構、Z 軸機構、B 軸機構、C 軸機構、機身 6 個部分。

2、 X 軸機（jī）構（gòu）

X 軸機構主要包括伺服電機、滾珠絲杠、導軌 3個（gè）部分。伺服電機與絲杠間用轉動副來模擬力矩的傳遞。如圖 1 所示（shì）。滾珠絲杠之間用螺（luó）紋副連接，滾珠絲杠的導程為 20 mm。如圖 2 所示。

圖 1 伺服電機與絲杠仿真模型

圖 2 滾珠絲杠仿真模型

2. 1 Y 軸機構

Y 軸機構主要包括伺服電機、滾珠絲杠、導軌（guǐ） 3個部（bù）分。各（gè）零部件的模擬形式（shì）與 X 軸相同，Y 軸機構仿真（zhēn）模型如圖 3 所示。

圖（tú） 3 Y 軸機構（gòu）仿真模型圖

2. 2 Z 軸機構

Z 軸機構主要包括伺（sì）服電機、滾（gǔn）珠絲杠（gàng）、導軌、磨頭、磨頭體（tǐ） 5 個部分。其中伺（sì）伺服電機通過聯軸（zhóu）器驅服電機與絲杠、滾珠絲杠的模擬與 X、Y 軸的模擬形式相同。磨頭與磨頭（tóu）體之間用轉動副來模（mó）擬相對轉動。Z 軸機（jī）構仿（fǎng）真模（mó）型如圖 4 所示。

2. 3 B 軸機構（gòu）

B 軸機構主要包括 B 軸轉台和六爪卡盤兩部（bù）分，B 軸轉台和六爪卡盤之間用轉動副來（lái）模擬相對轉動（dòng）。B 軸機構仿真模型如圖 5 所示。

圖 5 B 軸機構仿真模型

2. 4 C 軸機構

C 軸機構主要包括 C 軸工（gōng）件轉台和 C 軸滑板兩部（bù）分。C 軸（zhóu）工（gōng）件轉台和 C 軸（zhóu）滑板之間用（yòng）轉動副（fù）來模擬相對轉動。C 軸機（jī）構（gòu）仿真模型如圖 6 所示.

圖（tú） 6 C 軸機構仿真模型

2. 5 五軸數控工具磨床仿真模型集成

將上述簡化後的（de）五部分仿真模型進行集成（chéng），得到五軸數控工具磨床整機仿真（zhēn）模型，各機構模擬連接形式如表 1 所示（shì），五軸數控工具（jù）磨床（chuáng）整機仿真模型如圖7 所示。

表 1 各機構模（mó）擬連接形式

圖（tú） 7 五軸數控工具磨床整機仿真模型

如圖 7 所示，五軸聯動數（shù）控工具（jù）磨床采用臥式作台，采用支撐台外（wài）置，磨頭安裝（zhuāng）在 Z 軸機構平台上，Z 軸機構安裝在 X 軸機構（gòu）平（píng）台上，加工時，砂輪可實現 X 軸、Z 軸移（yí）動。工件裝在（zài）夾頭上（shàng），夾頭固定（dìng）在 B軸機構上（shàng），B 軸（zhóu）機構固定在 C 軸機構上（shàng），C 軸機構上固定在 Y 軸（zhóu）機構上。工件既（jì）可以繞自己的軸線即 B軸（zhóu）做回轉運動，又可以做 Y 軸直線（xiàn）運動，還可以（yǐ）隨支持台回轉軸 C 軸運動，增加了磨頭主軸剛（gāng）性的同時又可以提（tí）高了工件的定位精度。

3 、五軸數控工具磨床磨削力仿真

利用上述所建（jiàn）立（lì）的五軸數控工具磨床整機仿真模型對零件加工過（guò）程中的磨削力進行分析。金剛石砂（shā）輪的基體為 45 號（hào）鋼，直徑為（wéi） 150，厚度（dù）為 20 mm，孔徑為 20 mm。金剛石為普通級，金剛石（shí）粒度為 30 /35，無鍍膜（mó），釺焊後的金剛石（shí）顆粒間隔為 2 mm。仿真設置五軸數控工具磨床對某（mǒu）一刀具的平麵進（jìn）行磨削。仿真時間為 5 s，步長（zhǎng）為 50。提取仿真後切（qiē）向磨削力和徑向磨削力曲線，如（rú）圖 8 和（hé） 9 所示。其中法（fǎ）向磨削力最大值為 179. 73 N，切向磨削力最大值為28. 752 N。

圖 8 法向磨（mó）削力曲（qǔ）線（xiàn）

圖 9 切向（xiàng）磨削力曲線

3. 1 五軸數控工具磨床磨削力（lì）理論計算（suàn）

對於臥式磨床來說，法向磨（mó）削力可按照公式(1) 計（jì）算

3. 2 仿真值與（yǔ）理論值對比（bǐ）分析

仿真（zhēn）所得到的法向磨削力為 179. 73 N，理論計算所得到的法向（xiàng）磨削力為 153. 49 N，仿真所得到的切（qiē）向磨削力（lì）為 28. 752 N，理論計算（suàn）所得到的切向（xiàng）磨削力為 27. 36 N。可以看出仿真值與理論計算值較為接（jiē）近，說明所建立的五軸數控工具磨床整機模型具有一定的精度，可（kě）以（yǐ）用於（yú）工具加工過程中（zhōng）磨削力的預測以及（jí）其他零部件的受力分析。磨削力的仿真值與理論值之（zhī）間存在誤差，可能由（yóu）於以（yǐ）下幾點原因:

(1) 仿真模（mó）型中將各個零部件簡化成剛體，忽略了零部件的變形和（hé）阻尼，增大了零部件之（zhī）間（jiān）的衝擊，導致仿真數據略大（dà）於理論數據。

(2) 理論計算中的一些參數，例如工件（jiàn）和砂輪的摩擦因（yīn）數、去除單位體（tǐ）積的磨削所需（xū）的能等是由查（chá）表（biǎo）或者經驗獲得的，與真實值之間會有一定的誤差。

4、影響磨削力的因素

對砂輪線（xiàn）速度 vs、磨削深度 ap以及進給量 vf3 個磨削工藝參數對磨削力的影（yǐng）響進行分析。( 1) 砂輪線速度 vs對（duì）磨削力的影響在磨削深度 ap以及進給量 vf相同的情況下，利用上述所建立（lì）的五軸數控工具磨床模型分別（bié）對砂輪線速度 vs= 135 m / s、vs= 180 m / s、vs= 225 m / s 時的磨（mó）削力進行仿真，得到法向磨削力與徑向（xiàng）磨削力隨砂輪線速度的變化規律曲線，如圖 10 與圖 11 所示。從圖 10 和圖 11 可以看出，在磨（mó）削深度以及進給量不變的情況下，隨著砂輪線速度的增（zēng）加，法（fǎ）向磨削力與切向磨削力均隨之減小。這是因為（wéi）隨著砂輪線速度的提高，在單位時間內通過砂輪與工（gōng）件磨削接觸區域的有（yǒu）效磨粒（lì）數增多，所（suǒ）以分配到每個磨粒上的磨削力將減小，導致總的磨削力減小.

圖 10 法向磨（mó）削力隨砂輪線速度變化曲線

圖 11 切向磨削力隨砂輪線速度變化曲線

(2) 磨削深度對磨削力的影響（xiǎng）在（zài）砂輪線速度（dù）以及進給量 vf相同的情況下，利用上述所建立的五軸數控工具磨床模型分別對磨削深度 ap= 0. 04 mm、ap= 0. 06 mm、ap= 0. 08 mm 時的磨（mó）削力進行仿真，得到法向磨削力與徑（jìng）向磨削力隨磨削深度的變化規律曲線，如圖 12 與圖 13 所示。

圖 12 法向磨削力隨磨削深（shēn）度變化曲線

圖 13 切向磨削力隨磨削深度變化曲線

從圖 12 和（hé）圖 13 可以看出，在砂輪線速度以及（jí）進給量不變的情況下，隨著磨（mó）削深度的（de）增加，法向（xiàng）磨削力與切向磨削力均隨之增加。這是因為隨著磨削深度（dù）的增加，參與磨（mó）削的有（yǒu）效磨粒數增多，導致（zhì）磨（mó）削力增加。

(3) 進給量對磨削力的影（yǐng）響

在砂輪線速度以及磨削深度相同的情況下，利用上述所（suǒ）建立的（de）五軸數控工具磨床模型分別對進（jìn）給量vf= 140 mm / s、ap= 170 mm / s、ap= 200 mm / s 時的磨削力進行仿真（zhēn），得到法向磨削力與徑向磨削力隨磨削深（shēn）度的變化規律曲線，如圖 14 與（yǔ）圖 15 所示。

圖 14 法向磨削力隨進給量變化曲線

圖 15 切向磨削力隨進給量變化（huà）曲線

從圖（tú） 14 和圖 15 可以看出，在砂輪線速（sù）度以及磨削深度（dù）不（bú）變的情況下，隨著進給量的增（zēng）加，法（fǎ）向磨（mó）削力與切向磨削力均隨之增加。這是因（yīn）為隨著進給量的增加，單位時間內的磨削體積隨之增大，單位（wèi）時間內消耗的能量（liàng）增大，導致磨削（xuē）力增大。

5 、結束語

五軸數控工具磨床（chuáng）是目前加工高質量刀具的主要工具，而磨削力是五軸數控工具磨床的重要性能指標。文中建立了（le）五軸數控工具磨床的虛擬樣機模型，通過將仿真結果與（yǔ）理論計算結果進行對比分析，驗證（zhèng）了所建立的五軸數控工具磨床虛擬樣機模型的有效性。利用（yòng）所（suǒ）建立的虛擬樣機模（mó）型分析（xī）了影響磨削力的3 個因素，五軸數控工具磨床的設計（jì）提供參考.

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