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基於 ADAMS 的五軸數控（kòng）工具磨床（chuáng）磨削力仿真（zhēn）分析

2018-8-17 來源（yuán）：北華大學機械工程學院（yuàn）作者：張耀娟，楊克，劉維維

摘要: 利用計算機三維建（jiàn）模與虛（xū）擬樣機仿真技術建立自主研發的五軸數控工具磨床虛擬樣機模型，對五軸數（shù）控工具磨床加工過程中砂（shā）輪磨削力的受力大小和變化趨勢進行仿真，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（xíng）的有效性。研究了砂（shā）輪線速度、磨削深度、進給量對磨削力的影響，為五（wǔ）軸（zhóu）數控工具磨床的設（shè）計提供參考。

關鍵詞: 五軸數（shù）控工具磨床; 磨削力; 虛擬樣機模型（xíng）; 影響因素

0 、前言

五軸數控工具磨床是在三軸數控磨床的基礎（chǔ）上增加了兩個旋轉軸，已經成為加工複雜曲麵（miàn）和高精度工具的主要手段。五軸數控工具磨（mó）床的優勢在於（yú）具有較高的加工質量和（hé）較高的加工效率，而且隻需要一次裝夾就可以完成複雜零件的（de）加工。砂（shā）輪作為五軸數控工具磨床的加工（gōng）刀具，其受力的大小和受力的變化（huà）趨勢對砂輪的使（shǐ）用壽命和加工質量（liàng）都有很大的影響。本文作者借助三維（wéi）建（jiàn）模軟件（jiàn） Solid Works 和多體動力學軟件 ADAMS 對五軸數控（kòng）工具磨床加工時的磨削力（lì）進行仿真分析，通過磨削力的理論計算公式驗（yàn）證了所建立的五軸數控工具磨床仿真模（mó）型的有（yǒu）效性。可以對五軸數（shù）控工具（jù）磨床加工時磨削（xuē）力的大小和趨勢進行仿真，能夠（gòu）為砂輪的選型和砂輪的壽命預測提供參考。

1、五軸數控（kòng）工具磨床仿真模型的建立

在三維建模（mó）軟件 Solid Works 中建立五軸數控工具磨床的三維實體模型，再轉化成多體動力學軟件 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模型。根據五軸數控工具磨床的工作原理和重點分析的結構，將五（wǔ）軸數控工具磨床（chuáng）簡化成 X 軸機構、Y 軸機構、Z 軸機構、B 軸機構（gòu）、C 軸機構、機身 6 個（gè）部分（fèn）。

2、 X 軸機構

X 軸機構（gòu）主要包括伺服電（diàn）機、滾（gǔn）珠（zhū）絲杠、導軌 3個部分。伺（sì）服（fú）電機與絲杠（gàng）間用轉動副來模擬力矩（jǔ）的傳遞。如圖 1 所示（shì）。滾珠絲杠之間用（yòng）螺紋副連接，滾珠絲杠的導程為 20 mm。如圖 2 所示。

圖 1 伺服（fú）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 3個部分。各（gè）零部件的模擬形式（shì）與（yǔ） X 軸相同，Y 軸（zhóu）機構仿真模型如圖 3 所示。

圖 3 Y 軸機構仿真模型圖

2. 2 Z 軸機構

Z 軸（zhóu）機（jī）構主要包括伺服電機、滾珠絲杠、導軌、磨頭、磨頭（tóu）體 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（zhū）絲杠的模擬與 X、Y 軸的模擬（nǐ）形式相（xiàng）同。磨頭與磨頭體之（zhī）間用轉動副（fù）來模擬相對（duì）轉動（dòng）。Z 軸機構仿真模型如圖（tú） 4 所示。

2. 3 B 軸（zhóu）機構

B 軸機（jī）構主要包括 B 軸轉台和六爪卡盤兩部分，B 軸轉台（tái）和六爪卡盤之間用轉動副來模（mó）擬相對轉動。B 軸（zhóu）機構仿（fǎng）真模型如圖 5 所示。

圖 5 B 軸機構仿真模型

2. 4 C 軸機構（gòu）

C 軸機構主要包括 C 軸工件轉台和 C 軸（zhóu）滑板兩部分。C 軸工（gōng）件轉台和 C 軸滑（huá）板之間用轉動副來模擬相對轉動（dòng）。C 軸機構仿真模（mó）型如圖 6 所示.

圖（tú） 6 C 軸（zhóu）機構仿真模型

2. 5 五軸數控工具磨床（chuáng）仿真模型集成（chéng）

將上述簡化後的五部分仿（fǎng）真模型進行集成，得到五軸數控工具磨床（chuáng）整機仿真模型，各機構模擬連接形（xíng）式如表 1 所示，五軸數控工具磨床整機仿真模型如圖7 所示。

表 1 各機構模擬連接形式

圖 7 五軸數控工具磨床整（zhěng）機仿真模型

如圖 7 所示，五（wǔ）軸聯動數（shù）控工具磨床采（cǎi）用臥式作台，采用支撐台外（wài）置，磨（mó）頭安裝在 Z 軸機構平台上，Z 軸機構安裝在 X 軸機構（gòu）平台上（shàng），加（jiā）工時，砂輪可實現 X 軸、Z 軸移動。工件裝在夾頭上，夾頭固定在 B軸機構上，B 軸機（jī）構（gòu）固定在 C 軸機構上，C 軸機構上固定在 Y 軸機構上。工件既可以繞自己的軸線即（jí） B軸做（zuò）回轉運動，又可以做 Y 軸直線運動，還可以隨支持台回轉軸 C 軸運動，增加（jiā）了（le）磨頭主軸剛性的同時（shí）又可以提高了（le）工件的定位精度。

3 、五（wǔ）軸數控工具磨床磨削力仿（fǎng）真

利（lì）用上述所（suǒ）建立的五軸數控（kòng）工具磨床整機仿真模型對零件加（jiā）工過程中的磨削力進行分析。金剛石砂輪的基體為 45 號鋼，直徑為 150，厚度為 20 mm，孔徑為 20 mm。金（jīn）剛石為普通級（jí），金剛石粒度為 30 /35，無（wú）鍍（dù）膜，釺焊（hàn）後的金剛石顆粒（lì）間隔為 2 mm。仿（fǎng）真設置（zhì）五軸數（shù）控工具磨床對某一刀具的平麵進行磨削。仿（fǎng）真時間為 5 s，步長為 50。提（tí）取仿真後（hòu）切（qiē）向磨削力和徑向磨削力曲線，如圖 8 和 9 所示。其中法（fǎ）向磨削力（lì）最大值為 179. 73 N，切向磨削力最大（dà）值為28. 752 N。

圖 8 法向磨削（xuē）力曲（qǔ）線

圖 9 切向磨削力曲（qǔ）線

3. 1 五（wǔ）軸數控工具磨床（chuáng）磨削力理論計算（suàn）

對於臥（wò）式磨床來（lái）說，法向磨（mó）削力可按（àn）照（zhào）公（gōng）式(1) 計算

3. 2 仿真值與理論值對比分析

仿真所得到的法向磨削力為 179. 73 N，理論計算所得到的法向磨削力為 153. 49 N，仿真所得到的切向（xiàng）磨削力為 28. 752 N，理（lǐ）論計算所得到的切向磨削力為 27. 36 N。可以看出仿真值與理論計算值較為接近，說明所建（jiàn）立的五軸數控工具磨床整機（jī）模型具有一定的精度，可以用（yòng）於工具加工（gōng）過程中磨削力的預測以及（jí）其他零部件的受力分析。磨削（xuē）力的仿真值（zhí）與理論值之間存在誤差，可能由於以下幾點原因:

(1) 仿真模（mó）型中將各個零部件（jiàn）簡化成剛體，忽略了零部件的變形（xíng）和阻尼，增大（dà）了零部件（jiàn）之間的衝（chōng）擊，導（dǎo）致仿真數（shù）據略大於理（lǐ）論數（shù）據。

(2) 理論計算中的一些參數，例如工件和砂輪的摩擦因數、去除單位體積的磨削所需的能等是由（yóu）查表或者經驗獲得（dé）的，與真實值之間會有一定的誤差。

4、影響磨削力的因素（sù）

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響進行分析。( 1) 砂輪線速（sù）度 vs對磨削力的影響在（zài）磨削深度 ap以及進給量 vf相同的情況下（xià），利用上述所建立的五軸數控工具（jù）磨（mó）床模型（xíng）分別對砂輪線速度 vs= 135 m / s、vs= 180 m / s、vs= 225 m / s 時（shí）的磨削力進行仿真，得到法向磨削力與徑向磨（mó）削力隨砂輪線（xiàn）速（sù）度的變化（huà）規律曲線，如圖 10 與圖 11 所示（shì）。從圖 10 和圖 11 可以看出，在（zài）磨削深度以及進給（gěi）量（liàng）不變的情況下，隨著砂輪線速度（dù）的增（zēng）加，法向磨削力與切向磨削力均隨之減小。這是因為隨著砂輪線速度的提高，在單位（wèi）時間內通過砂輪與工件（jiàn）磨削（xuē）接觸區域的有效磨粒數增多，所以分（fèn）配（pèi）到（dào）每（měi）個磨粒上的（de）磨削力將減小，導致總的磨削力減小（xiǎo）.

圖 10 法向（xiàng）磨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（shēn）度對磨削力的影響在砂輪線速度以及進給量 vf相同的情況下，利用上述所建立的五（wǔ）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 時的磨削（xuē）力進行仿真，得到法向磨削力與徑向（xiàng）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度變化曲線

圖 13 切向磨削力隨磨削深度變化曲線

從圖（tú） 12 和（hé）圖 13 可以看出，在砂輪線速度以及進給量（liàng）不變的情況下，隨（suí）著磨削深度的增加，法向磨削力與切向磨（mó）削力（lì）均（jun1）隨之增加。這是因為隨著磨削深度的增加，參與磨削的有（yǒu）效磨粒數增多，導致磨削力（lì）增加。

(3) 進給量（liàng）對磨削力的影響

在砂輪線速（sù）度以及磨削深度相同的情況下，利用上述所（suǒ）建立的五軸數控工具磨（mó）床模型分（fèn）別對進給量vf= 140 mm / s、ap= 170 mm / s、ap= 200 mm / s 時的磨削（xuē）力進行仿真，得到法向磨削力與徑（jìng）向磨削力隨磨削（xuē）深度的變化規律曲線，如圖 14 與圖 15 所示。

圖 14 法向磨削力隨進給量變化曲（qǔ）線

圖 15 切向磨（mó）削力隨進給（gěi）量（liàng）變（biàn）化（huà）曲線

從（cóng）圖 14 和圖 15 可以看出，在砂輪線速度以及磨削深（shēn）度不變（biàn）的情況（kuàng）下，隨著進（jìn）給量（liàng）的增加，法向磨削力與切向磨削力（lì）均隨之增加（jiā）。這是因為隨著進給量的增加，單位（wèi）時間內的磨削體（tǐ）積隨之增大，單位時間內消耗的（de）能量增大，導致磨削力增大。

5 、結束語

五軸數控工具磨床是目前加工高質量刀具的主要（yào）工（gōng）具，而磨削力是五軸數控工具磨床的重要性能指標。文中建立了五軸（zhóu）數控（kòng）工具磨床的虛擬樣機模型（xíng），通過將仿真結果與理論計算結果進行對比分析，驗證（zhèng）了所建立的五（wǔ）軸數控工具磨床虛擬樣機（jī）模型的有效性。利用所建（jiàn）立（lì）的虛擬樣機模型分析了影響磨削力的（de）3 個因素，五軸數控工具磨床的（de）設計提供參考.

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