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高速拉床液壓係統拉削振（zhèn）動特性分析

2018-10-22 來源：中南大學機電工程學院（yuàn）作者（zhě）：柳波，劉琪，桂珍，王亞雄

摘要：由於拉削振動（dòng）力對拉床（chuáng）液壓係統的平穩性和拉削加工的質量（liàng）影響較大，根（gēn）據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，並根據拉刀（dāo）實際拉削的最（zuì）大齒（chǐ）數變化（huà）規律，建立了拉削振動力模型和基於拉削（xuē）振動力（lì）的（de）拉床液壓係統模型，利用ＡＭＥＳｉｍ軟件仿真分析了（le）拉削振動（dòng）力（lì）作用下拉床液壓係統的平穩性，對（duì）不同齒距、不同拉削速度以及不同脈衝比下，拉削振（zhèn）動力對拉床液壓係（xì）統（tǒng）穩定性的影響進（jìn）行了分析。設計子拉床（chuáng）液壓係統（tǒng）拉削振動特性的（de）測試試驗方案，通過試（shì）驗驗證了仿真分析結果的準確性。

關鍵詞：高速拉床（chuáng）；拉（lā）削振動；正交切削力模型；液壓係統；穩（wěn）定性分析

高速（sù）拉床是以拉刀作為切削工具（jù），對特定工件進行高速切削加工，具有高精度、高效（xiào）率、可最終成型等優（yōu）點的（de）機械（xiè）加工設（shè）備（bèi），其主要包括拉床（chuáng）底座、拉床工作台、拉刀、液壓（yā）缸、主溜板和輔溜板、拉床床台、工件、夾（jiá）刀裝置（zhì）以（yǐ）及（jí）電液伺（sì）服係統等，可（kě）實現高速運動下對工件的（de）穩定可靠加工。拉削力是拉刀（dāo）拉削過程中受到的與速度方（fāng）向（xiàng）相反的阻力（lì）。在實際拉削過程中，由於（yú）切削的拉刀齒數周（zhōu）期變化，工件的金屬組織不均勻及（jí）拉刀刀齒幾（jǐ）何（hé）參數不一致等原因（yīn），切削阻力在拉削過程中是不斷變化的，可視為拉（lā）削振動力。目前，國內外針對拉（lā）削振動力模型及其對拉床液（yè）壓（yā）係統平穩性影響的研究還較少。文獻將拉床－拉刀－工件作（zuò）為閉合（hé）振動係統，建立了拉削振動模型及數理方程，但未對拉削振動力模（mó）型進行深入研究，且未涉及拉床液（yè）壓係統的振動特性（xìng）分析；文獻研究了拉床（chuáng）結構、溜板和床身安（ān）裝間隙對拉削精度的影響規律；文獻基於空間統計學，對機床剛度、固有（yǒu）頻（pín）率等（děng）動力學（xué）特（tè）性隨著機床部件位（wèi）置、姿態在工作空間中的變化規律進行了研究（jiū）。拉床（chuáng）拉削工藝對拉刀拉削速度的穩定性要求較高，但是由於拉削振（zhèn）動力的存在，油缸有杆腔（qiāng）壓力（lì）會出現波動情況，進出油口的流量穩定性變差，使得拉削速度出現“突跳”的現象。這會對被拉削件表麵（miàn）的加工質量造成影響，使工件加工誤差變大，殘（cán）廢品率增加。因此，分（fèn）析拉削振動力對拉床液壓係統穩（wěn）定性的影響對提高拉削加工質量意義重大。

１、拉削力模型建立

１．１　拉（lā）削過程分析

在（zài）實際拉削過程中（zhōng），拉刀由於拉削刃數量較多，同時（shí）對多個齒的拉削力進行（háng）分析和計算將非常複（fù）雜，難以求解。拉削示意圖如圖（tú）１所示（shì）。由圖１可知，單齒在（zài）拉削過程（chéng）中對工件的加工作用與車（chē）削過（guò）程類似，而且同圈拉削刃的切削過程及受力（lì）條件基本相同，因此可以對（duì）每圈單個刀齒（chǐ）的切削過（guò）程進行分析，分（fèn）別求出切削力，最後對所有參與切削刀齒的切削力進行矢量求和，得到某一時（shí）刻拉刀所受的總拉削力。

圖１　拉削示意圖（tú）

２、高速拉床液壓係統模型建（jiàn）立

拉（lā）床液壓係統通過有杆腔進油實現向上快速拉削。由於液壓油的彈（dàn）性模量比鋼低（dī）１個數量級，可以將拉刀溜板看成剛性結構，將拉削（xuē）振動力視（shì）為外負載作用在油缸杆上，其（qí）力平衡數學模型

３、高速拉床液壓係統穩定性分（fèn）析

３．１　高速拉床液壓係統設計

高速拉床液壓係統原理圖如圖４所示。由於拉削工藝對拉削速度的穩定性要求較高（gāo），本文研究（jiū）的高速拉床液壓係統（tǒng）采用液壓缸速度控製回路方式設計。由速度（dù）傳感器對拉刀（dāo）的速度（dù）進（jìn）行檢測，並將實際速度值與預期速度值進行比較，得到誤差控製信號，經（jīng）過放大器放大後，控製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（lā）削要求，利用大（dà）容量蓄能器（qì）組為油缸短時提供大流量。

圖４　高速拉床液壓係統（tǒng）原理圖

３．２　ＡＭＥＳｉｍ仿真

利用ＡＭＥＳｉｍ液壓仿真（zhēn）軟（ruǎn）件，建立基於（yú）速度控製的高（gāo）速拉床液壓係統的仿真模型。根據某機床（chuáng）廠相關型號拉床液壓係統的資料，仿真（zhēn）參數的設置見表１所列。

表１　高速拉床（chuáng）液壓係統仿真參數

３．３　仿真結果分析

３．３．１　拉削振動力對拉削（xuē）穩定（dìng）性的影響

度也產生了波動。其速度波動幅度（dù）在±０．０１３　６ｍ／ｓ左右，波（bō）動頻率與拉削振動力頻率接近１０５Ｈｚ。高速（sù）拉床油缸進油腔的壓力和流量變化曲線如圖６所示。

圖６　進油腔的壓力（lì）和流量變化曲線

圖７　不同齒距下（xià）的拉刀拉削振動

加，使拉削速度降低。

圖９　不同脈衝比下的拉刀拉削振動

４、試驗（yàn）驗證

根據已建立的高速拉床拉削振動力模型，利（lì）用ＡＭＥＳｉｍ液壓仿真軟件，對基於速度控製的高（gāo）速拉床液壓係（xì）統拉（lā）削振動特性進行仿真分析。本文設計了拉床液壓係統拉（lā）削振動（dòng）特性的測試試驗方案，通過試（shì）驗驗證上（shàng）述仿真分析（xī）結果的準確性。

４．１　試驗設備（bèi）

拉床液壓係統拉削振動特性測試（shì）係統與（yǔ）測點布置如圖１０所示。需要的試驗設備包括ＲＳ－３１０２壓電式速度傳感器、壓力傳感器、流量計、Ａ／Ｄ轉換器以（yǐ）及信號采集與分析儀等（děng）。其中速度傳感器安裝在拉刀杆的末端（duān），用來測量拉刀速度波動情（qíng）況。油缸處（chù）安裝有（yǒu）１個壓力傳感器和１個流量計（jì），分別用來測量油缸進油腔壓力和流量。

圖１０　拉床液壓係統拉削振動特性測試係（xì）統

４．２　試驗結果（guǒ）分析

由於條件有限，試驗過程主要對（duì）不同齒距情況下（xià）的拉削速度波動情況進行了研究。Ｌ５７１０型拉床試驗樣機的最大拉削（xuē）速度（dù）為６ｍ／ｍｉｎ，在拉刀齒距ｐ分別為１２．４、９．５、７．２ｍｍ的情況下，以最高速度進行（háng）拉削（xuē），拉削速度波動（dòng）情（qíng）況如圖１１所示。由圖１１可知，隨著拉刀齒距的減小，拉床液壓係統拉削（xuē）速度的波動情況也逐漸減（jiǎn）小，拉削加（jiā）工過（guò）程趨於平穩。這與上文中對於高速拉床液壓係統仿真曲線所得出的結論是一致的（de），從而驗證了上述理論分析及仿真研究結果的正確性。

圖１１　不同齒距下拉削速度波動曲線

５、結論

（１）本文根據正交（jiāo）切（qiē）削力模型，利用微元法建立（lì）了拉刀單齒的拉削力模型，並根據拉刀（dāo）實際拉削的最大齒數變化規律，建立了拉（lā）削振動力模型。（２）建立了基於（yú）拉（lā）削振動力的拉床（chuáng）液壓（yā）係統模型，並利用ＡＭＥＳｉｍ液壓仿真軟件對模型（xíng）進行了仿（fǎng）真，分析了拉削振動力作用下拉床（chuáng）液壓係（xì）統的穩定性，即拉（lā）刀速度、進油腔壓力、流量的變化（huà）情況。（３）對不同齒距、不同拉削（xuē）速度及不同脈衝比下，拉削振動力對拉床液壓係統穩定性的影響進行了仿真分（fèn）析，得出減少拉削齒距、增加拉削速度以及較大的脈衝比（bǐ），可以有效降低拉削振動（dòng）力對拉床液壓係（xì）統的衝擊，提高拉削（xuē）加工質量（liàng）。（４）對不同齒距下，拉削（xuē）振動力對拉床（chuáng）液壓係統穩（wěn）定性的（de）影響進行了拉削振動特性（xìng）測試試驗，試驗結論（lùn）與仿真結果基本吻合，證明（míng）了模擬結果的準確性和可行性.

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