基于 ADAMS 的五軸數(shù)控工具磨床磨削力仿真分析
2018-8-17 來源：北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 作者：張耀娟，楊克，劉維維
摘要: 利用計(jì)算機(jī)三維建模與虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)建立自主研發(fā)的五軸數(shù)控工具磨床虛擬樣機(jī)模型，對五軸數(shù)控工具磨床加工過程中砂輪磨削力的受力大小和變化趨勢進(jìn)行仿真，利用磨削力的理論計(jì)算公式驗(yàn)證了所建立的虛擬樣機(jī)模型的有效性。研究了砂輪線速度、磨削深度、進(jìn)給量對磨削力的影響，為五軸數(shù)控工具磨床的設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞: 五軸數(shù)控工具磨床; 磨削力; 虛擬樣機(jī)模型; 影響因素
0 、前言
五軸數(shù)控工具磨床是在三軸數(shù)控磨床的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，已經(jīng)成為加工復(fù)雜曲面和高精度工具的主要手段。五軸數(shù)控工具磨床的優(yōu)勢在于具有較高的加工質(zhì)量和較高的加工效率，而且只需要一次裝夾就可以完成復(fù)雜零件的加工。砂輪作為五軸數(shù)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(zhì)量都有很大的影響。本文作者借助三維建模軟件 Solid Works 和多體動(dòng)力學(xué)軟件 ADAMS 對五軸數(shù)控工具磨床加工時(shí)的磨削力進(jìn)行仿真分析，通過磨削力的理論計(jì)算公式驗(yàn)證了所建立的五軸數(shù)控工具磨床仿真模型的有效性。可以對五軸數(shù)控工具磨床加工時(shí)磨削力的大小和趨勢進(jìn)行仿真，能夠?yàn)樯拜喌倪x型和砂輪的壽命預(yù)測提供參考。
1、五軸數(shù)控工具磨床仿真模型的建立
在三維建模軟件 Solid Works 中建立五軸數(shù)控工具磨床的三維實(shí)體模型，再轉(zhuǎn)化成多體動(dòng)力學(xué)軟件 AD-AMS 可以識(shí)別的中性文件，導(dǎo)入到 ADAMS 中建立五軸數(shù)控工具磨床的仿真模型。根據(jù)五軸數(shù)控工具磨床的工作原理和重點(diǎn)分析的結(jié)構(gòu)，將五軸數(shù)控工具磨床簡化成 X 軸機(jī)構(gòu)、Y 軸機(jī)構(gòu)、Z 軸機(jī)構(gòu)、B 軸機(jī)構(gòu)、C 軸機(jī)構(gòu)、機(jī)身 6 個(gè)部分。
2、 X 軸機(jī)構(gòu)
X 軸機(jī)構(gòu)主要包括伺服電機(jī)、滾珠絲杠、導(dǎo)軌 3個(gè)部分。伺服電機(jī)與絲杠間用轉(zhuǎn)動(dòng)副來模擬力矩的傳遞。如圖 1 所示。滾珠絲杠之間用螺紋副連接，滾珠絲杠的導(dǎo)程為 20 mm。如圖 2 所示。
圖 1 伺服電機(jī)與絲杠仿真模型
圖 2 滾珠絲杠仿真模型
2. 1 Y 軸機(jī)構(gòu)
Y 軸機(jī)構(gòu)主要包括伺服電機(jī)、滾珠絲杠、導(dǎo)軌 3個(gè)部分。各零部件的模擬形式與 X 軸相同，Y 軸機(jī)構(gòu)仿真模型如圖 3 所示。
圖 3 Y 軸機(jī)構(gòu)仿真模型圖
2. 2 Z 軸機(jī)構(gòu)
Z 軸機(jī)構(gòu)主要包括伺服電機(jī)、滾珠絲杠、導(dǎo)軌、磨頭、磨頭體 5 個(gè)部分。其中伺伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)服電機(jī)與絲杠、滾珠絲杠的模擬與 X、Y 軸的模擬形式相同。磨頭與磨頭體之間用轉(zhuǎn)動(dòng)副來模擬相對轉(zhuǎn)動(dòng)。Z 軸機(jī)構(gòu)仿真模型如圖 4 所示。
2. 3 B 軸機(jī)構(gòu)
B 軸機(jī)構(gòu)主要包括 B 軸轉(zhuǎn)臺(tái)和六爪卡盤兩部分，B 軸轉(zhuǎn)臺(tái)和六爪卡盤之間用轉(zhuǎn)動(dòng)副來模擬相對轉(zhuǎn)動(dòng)。B 軸機(jī)構(gòu)仿真模型如圖 5 所示。
圖 5 B 軸機(jī)構(gòu)仿真模型
2. 4 C 軸機(jī)構(gòu)
C 軸機(jī)構(gòu)主要包括 C 軸工件轉(zhuǎn)臺(tái)和 C 軸滑板兩部分。C 軸工件轉(zhuǎn)臺(tái)和 C 軸滑板之間用轉(zhuǎn)動(dòng)副來模擬相對轉(zhuǎn)動(dòng)。C 軸機(jī)構(gòu)仿真模型如圖 6 所示.
圖 6 C 軸機(jī)構(gòu)仿真模型
2. 5 五軸數(shù)控工具磨床仿真模型集成
將上述簡化后的五部分仿真模型進(jìn)行集成，得到五軸數(shù)控工具磨床整機(jī)仿真模型，各機(jī)構(gòu)模擬連接形式如表 1 所示，五軸數(shù)控工具磨床整機(jī)仿真模型如圖7 所示。
表 1 各機(jī)構(gòu)模擬連接形式
圖 7 五軸數(shù)控工具磨床整機(jī)仿真模型
如圖 7 所示，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床采用臥式作臺(tái)，采用支撐臺(tái)外置，磨頭安裝在 Z 軸機(jī)構(gòu)平臺(tái)上，Z 軸機(jī)構(gòu)安裝在 X 軸機(jī)構(gòu)平臺(tái)上，加工時(shí)，砂輪可實(shí)現(xiàn) X 軸、Z 軸移動(dòng)。工件裝在夾頭上，夾頭固定在 B軸機(jī)構(gòu)上，B 軸機(jī)構(gòu)固定在 C 軸機(jī)構(gòu)上，C 軸機(jī)構(gòu)上固定在 Y 軸機(jī)構(gòu)上。工件既可以繞自己的軸線即 B軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又可以做 Y 軸直線運(yùn)動(dòng)，還可以隨支持臺(tái)回轉(zhuǎn)軸 C 軸運(yùn)動(dòng)，增加了磨頭主軸剛性的同時(shí)又可以提高了工件的定位精度。
3 、五軸數(shù)控工具磨床磨削力仿真
利用上述所建立的五軸數(shù)控工具磨床整機(jī)仿真模型對零件加工過程中的磨削力進(jìn)行分析。金剛石砂輪的基體為 45 號(hào)鋼，直徑為 150，厚度為 20 mm，孔徑為 20 mm。金剛石為普通級，金剛石粒度為 30 /35，無鍍膜，釬焊后的金剛石顆粒間隔為 2 mm。仿真設(shè)置五軸數(shù)控工具磨床對某一刀具的平面進(jìn)行磨削。仿真時(shí)間為 5 s，步長為 50。提取仿真后切向磨削力和徑向磨削力曲線，如圖 8 和 9 所示。其中法向磨削力最大值 為 179. 73 N，切向 磨削力最大 值 為28. 752 N。
圖 8 法向磨削力曲線
圖 9 切向磨削力曲線
3. 1 五軸數(shù)控工具磨床磨削力理論計(jì)算
對于 臥 式 磨 床 來 說，法 向 磨 削 力 可 按 照 公 式(1) 計(jì)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(jì)算所得到的法向磨削力為 153. 49 N，仿真所得到的切向磨削力為 28. 752 N，理論計(jì)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(jì)算值較為接近，說明所建立的五軸數(shù)控工具磨床整機(jī)模型具有一定的精度，可以用于工具加工過程中磨削力的預(yù)測以及其他零部件的受力分析。磨削力的仿真值與理論值之間存在誤差，可能由于以下幾點(diǎn)原因:
(1) 仿真模型中將各個(gè)零部件簡化成剛體，忽略了零部件的變形和阻尼，增大了零部件之間的沖擊，導(dǎo)致仿真數(shù)據(jù)略大于理論數(shù)據(jù)。
(2) 理論計(jì)算中的一些參數(shù)，例如工件和砂輪的摩擦因數(shù)、去除單位體積的磨削所需的能等是由查表或者經(jīng)驗(yàn)獲得的，與真實(shí)值之間會(huì)有一定的誤差。
4、 影響磨削力的因素
對砂輪線速度 vs、磨削深度 ap以及進(jìn)給量 vf3 個(gè)磨削工藝參數(shù)對磨削力的影響進(jìn)行分析。( 1) 砂輪線速度 vs對磨削力的影響在磨削深度 ap以及進(jìn)給量 vf相同的情況下，利用上述所建立的五軸數(shù)控工具磨床模型分別對砂輪線速度 vs= 135 m / s、vs= 180 m / s、vs= 225 m / s 時(shí)的磨削力進(jìn)行仿真，得到法向磨削力與徑向磨削力隨砂輪線速度的變化規(guī)律曲線，如圖 10 與圖 11 所示。從圖 10 和圖 11 可以看出，在磨削深度以及進(jìn)給量不變的情況下，隨著砂輪線速度的增加，法向磨削力與切向磨削力均隨之減小。這是因?yàn)殡S著砂輪線速度的提高，在單位時(shí)間內(nèi)通過砂輪與工件磨削接觸區(qū)域的有效磨粒數(shù)增多，所以分配到每個(gè)磨粒上的磨削力將減小，導(dǎo)致總的磨削力減小.
圖 10 法向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) 磨削深度對磨削力的影響在砂輪線速度以及進(jìn)給量 vf相同的情況下，利用上述所建立的五軸數(shù)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(shí)的磨削力進(jìn)行仿真，得到法向磨削力與徑向磨削力隨磨削深度的變化規(guī)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 12 和圖 13 可以看出，在砂輪線速度以及進(jìn)給量不變的情況下，隨著磨削深度的增加，法向磨削力與切向磨削力均隨之增加。這是因?yàn)殡S著磨削深度的增加，參與磨削的有效磨粒數(shù)增多，導(dǎo)致磨削力增加。
(3) 進(jìn)給量對磨削力的影響
在砂輪線速度以及磨削深度相同的情況下，利用上述所建立的五軸數(shù)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(shí)的磨削力進(jìn)行仿真，得到法向磨削力與徑向磨削力隨磨削深度的變化規(guī)律曲線，如圖 14 與圖 15 所示。
圖 14 法向磨削力隨進(jìn)給量變化曲線
圖 15 切向磨削力隨進(jìn)給量變化曲線
從圖 14 和圖 15 可以看出，在砂輪線速度以及磨削深度不變的情況下，隨著進(jìn)給量的增加，法向磨削力與切向磨削力均隨之增加。這是因?yàn)殡S著進(jìn)給量的增加，單位時(shí)間內(nèi)的磨削體積隨之增大，單位時(shí)間內(nèi)消耗的能量增大，導(dǎo)致磨削力增大。
5 、結(jié)束語
五軸數(shù)控工具磨床是目前加工高質(zhì)量刀具的主要工具，而磨削力是五軸數(shù)控工具磨床的重要性能指標(biāo)。文中建立了五軸數(shù)控工具磨床的虛擬樣機(jī)模型，通過將仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了所建立的五軸數(shù)控工具磨床虛擬樣機(jī)模型的有效性。利用所建立的虛擬樣機(jī)模型分析了影響磨削力的3 個(gè)因素，五軸數(shù)控工具磨床的設(shè)計(jì)提供參考.
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