高速拉床液壓系統拉削振動特性分析
2018-10-22 來源：中南大學 機電工程學院 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的平穩性和拉削加工的質量影響較大，根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，并根據拉刀實際拉削的最大齒數變化規律，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的平穩性，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穩定性的影響進行了分析。設計子拉床液壓系統拉削振動特性的測試試驗方案，通過試驗驗證了仿真分析結果的準確性。
關鍵詞：高速拉床；拉削振動；正交切削力模型；液壓系統；穩定性分析
高速拉床是以拉刀作為切削工具，對特定工件進行高速切削加工，具有高精度、高效率、可最終成型等優點的機械加工設備，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等，可實現高速運動下對工件的穩定可靠加工。拉削力是拉刀拉削過程中受到的與速度方向相反的阻力。在實際拉削過程中，由于切削的拉刀齒數周期變化，工件的金屬組織不均勻及拉刀刀齒幾何參數不一致等原因，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，國內外針對拉削振動力模型及其對拉床液壓系統平穩性影響的研究還較少。文獻將拉床－拉刀－工件作為閉合振動系統，建立了拉削振動模型及數理方程，但未對拉削振動力模型進行深入研究，且未涉及拉床液壓系統的振動特性分析；文獻研究了拉床結構、溜板和床身安裝間隙對拉削精度的影響規律；文獻基于空間統計學，對機床剛度、固有頻率等動力學特性隨著機床部件位置、姿態在工作空間中的變化規律進行了研究。拉床拉削工藝對拉刀拉削速度的穩定性要求較高，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。這會對被拉削件表面的加工質量造成影響，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穩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 拉削過程分析
在實際拉削過程中，拉刀由于拉削刃數量較多，同時對多個齒的拉削力進行分析和計算將非常復雜，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、高速拉床液壓系統模型建立
拉床液壓系統通過有桿腔進油實現向上快速拉削。由于液壓油的彈性模量比鋼低 １ 個數量級，可以將拉刀溜板看成剛性結構，將拉削振動力視為外負載作用在油缸桿上，其力平衡數學模型
３、高速拉床液壓系統穩定性分析
３．１ 高速拉床液壓系統設計
高速拉床液壓系統原理圖如圖４所示。由于拉削工藝對拉削速度的穩定性要求較高，本文研究的高速拉床液壓系統采用液壓缸速度控制回路方式設計。由速度傳感器對拉刀的速度進行檢測，并將實際速度值與預期速度值進行比較，得到誤差控制信號，經過放大器放大后，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的仿真模型。根據某機床廠相關型號拉床液壓系統的資料，仿真參數的設置見表１所列。
表１ 高速拉床液壓系統仿真參數
３．３ 仿真結果分析
３．３．１ 拉削振動力對拉削穩定性的影響
度 也 產 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、試驗驗證
根據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拉削振動特性進行仿真分析。本文設計了拉床液壓系統拉削振動特性的測試試驗方案，通過試驗驗證上述仿真分析結果的準確性。
４．１ 試驗設備
拉床液壓系統拉削振動特性測試系統與測點布置 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，分別用來測量油缸進油腔壓力和流量。
圖１０ 拉床液壓系統拉削振動特性測試系統
４．２ 試驗結果分析
由于條件有限，試驗過程主要對不同齒距情況下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，拉床液壓系統拉削速度的波動情況也逐漸減小，拉削加工過程趨于平穩。這與上文中對于高速拉床液壓系統仿真曲線所得出的結論是一致的，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，并根據拉刀實際拉削 的 最 大 齒 數 變 化 規 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模型，并利用 ＡＭＥＳｉｍ 液壓仿真軟件對模型進行了仿真，分析了拉削振動力作用下拉床液壓系統的穩定性，即拉刀速度、進油腔壓力、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穩定性的影響進行了仿真分析，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的沖擊，提高拉削加工質量。（４）對不同齒距下，拉削振動力對拉床液壓系統穩定性的影響進行了 拉削振動 特性測試試驗，試驗結論與仿真結果基本吻合，證明了模擬結果的準確性和可行性.
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