拉床結(jié)構(gòu)及溜板與床身安裝間隙對立式拉床拉削精度影響分析*

張質(zhì)子 唐進(jìn)元 李曉呈 龍勁松 唐建新

(①中南大學(xué)高性能復(fù)雜零件制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410083;②湖南長機(jī)科技發(fā)展有限公司，湖南 長沙 410004)

拉床是目前大批量汽車零件制造廣泛使用的一類機(jī)床，適用于各種機(jī)械部件的盤、套、環(huán)等圓孔及其齒輪、鍵槽、花鍵槽、異形內(nèi)孔等幾何形狀的精加工拉削。加工的生產(chǎn)率、加工精度、表面質(zhì)量都比較高，且加工成本低。拉床根據(jù)被加工工件表面的不同分為內(nèi)拉床和外拉床，內(nèi)拉床又分為臥式拉床和立式拉床，立式拉床根據(jù)刀具的進(jìn)給方向分為上拉式和下拉式機(jī)床［1-2］。

目前高端拉床產(chǎn)品依賴進(jìn)口，國內(nèi)廣泛存在于市場的是下拉式內(nèi)拉床。上拉式內(nèi)拉床主要還處于研發(fā)設(shè)計階段，而當(dāng)前的設(shè)計仍采用手工經(jīng)驗計算和類比法［3］。國內(nèi)對這方面做了一定的研究，如長沙機(jī)床廠大型內(nèi)拉床的研制［4］，馮明暉設(shè)計了一種立式內(nèi)拉床的護(hù)送機(jī)構(gòu)［5］，林綠高對拉床的工作模態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析［8］。國外，日本Katsuyuki Shimasaku 的Internal broaching machine and internal broach［6］，德國Andreas Berktold的Vertical internal push broaching machine［7］等對拉床設(shè)計進(jìn)行研究但是對立式拉床的結(jié)構(gòu)與性能分析而言，公開發(fā)表的文獻(xiàn)很少見。拉床的拉削精度與機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局形式有一定的關(guān)聯(lián)規(guī)律，為了提高立式拉床的加工精度，類似文獻(xiàn)［9］，探究立式拉床的上拉式與下拉式結(jié)構(gòu)布置、溜板和床身安裝間隙對拉削精度的影響對立式拉床的設(shè)計制造及拉削工藝有重要指導(dǎo)意義。

本文研究采用控制變量法，在拉削力相同的情況下總共做兩組對比，一組是安裝間隙相同比較上拉式與下拉式的拉削精度，另一組是機(jī)床布置結(jié)構(gòu)相同，同為上拉式機(jī)床分析安裝間隙不同時的拉削精度以及同為下拉式時安裝間隙對拉削精度影響。對相同拉削力的上拉式與下拉式拉床分別建立溜板與床身間隙從0～0.09 mm 的10 組三維幾何模型，通過ADAMS 軟件對拉刀切削過程進(jìn)行動力學(xué)仿真。分析加工工件質(zhì)心與刀具質(zhì)心在水平位置的偏移，從而得到加工的同軸度誤差。

1 立式拉床結(jié)構(gòu)工作原理與拉削精度定義

1.1 上拉式立式拉床基本結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1 為上拉式機(jī)床簡化后的結(jié)構(gòu)原理圖，床身與底座固定相連，刀具下端與底座固定，底座與地面固定，工件置于花盤上，花盤與溜板固定，當(dāng)液壓油缸驅(qū)動主溜板向上運動時，主溜板帶動花盤及工件一同向上運動從而與刀具發(fā)生相對位移實現(xiàn)被拉削過程。其優(yōu)點是裝料高度低，便于自動上卸料及與其他機(jī)床聯(lián)線，機(jī)床直接安裝在地面斜鐵上，無需挖地坑和打地基。在國外上世紀(jì)七八十年代已研制出相關(guān)品種，而國內(nèi)晚了十多年才開始研制，并且到目前為止國內(nèi)上拉式機(jī)床并沒有得到廣泛使用。

1.2 下拉式立式拉床基本結(jié)構(gòu)與工作原理

圖2 為下拉式機(jī)床簡化后的結(jié)構(gòu)原理，其刀具與主溜板固定在一起，工件置于花盤上，花盤與床臺固定，是由油缸驅(qū)動主溜板帶動刀具一起向下運動，從而與工件發(fā)生位移實現(xiàn)切削。其優(yōu)點在于工件固定方法簡單，易于實現(xiàn)自動化;缺點是工件裝卸位置高，需要設(shè)置站臺或?qū)C(jī)床安放在地坑內(nèi)。這是最早出現(xiàn)的立式內(nèi)拉床的傳統(tǒng)拉削方式，已有近百年歷史，國內(nèi)外普及率較高。

1.3 拉削精度定義

拉削本身而言就是一種高精度加工方法，廣泛應(yīng)用于各種制造業(yè)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展被加工工件材料性能不斷提高，因而對加工工件的加工精度要求越來越嚴(yán)格。影響拉削精度的原因復(fù)雜多樣，受到拉刀本身精度、使用條件、工件形式和材料以及使用拉床等的影響［10-11］。

拉床的拉削誤差涉及到同軸度、圓柱度等多種誤差，由于仿真中不便于測量圓柱度誤差，所以在分析中僅對同軸度誤差進(jìn)行分析。通過動力學(xué)仿真切削過程，如圖3 所示，記錄工件質(zhì)心A 的運動軌跡L 與刀具軸心P 的距離d 變化，L 到P 點的距離則為實際拉削誤差，L 與P 的重合度越高，那么加工圓孔同軸度就越高。

2 仿真分析

用Pro/E 三維建模軟件分別建立上拉式與下拉式簡化后的模型，將主溜板與床身安裝間隙從0～0.09 mm 等間距設(shè)置，得到2 組共20 套模型。仿真過程中分別做如下2 組仿真:

第1 組仿真，探究上拉式與下拉式立式拉床結(jié)構(gòu)對拉削精度影響仿真，將拉削力同為10 t，溜板與床身安裝間隙為0.04 mm(工程實際中的間隙)的上拉式與下拉式機(jī)床分別對厚度為19 mm、孔徑49.7 mm 的工件進(jìn)行拉削，拉削速度為4 000 mm/min，刀具簡化后模型參數(shù)如表1。

表1 拉削刀具參數(shù)

第2 組仿真，探究溜板與床身安裝間隙對機(jī)床拉削精度影響仿真，分別仿真溜板與床身安裝間隙對上拉式立式拉床和下拉式立式拉床的影響。對于上拉式機(jī)床，在拉削力同為10 t，拉削速度為4 000 mm/min，安裝間隙從0～0.09 mm 等間距，刀具參數(shù)同表1 進(jìn)行仿真。對于下拉式機(jī)床采用同樣方法。

2.1 仿真過程中關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

仿真過程中涉及各零部件的材料設(shè)置，各個零部件的密度、楊氏模量和泊松比通過查詢金屬材料手冊［12］可得。過程中還涉及到溜板與床身、工件與花盤的間隙接觸仿真和刀具與工件的切削仿真。

2.1.1 溜板與床身、工件與床臺接觸

溜板與床身、工件與床臺接觸屬于持續(xù)接觸類型，當(dāng)油缸動力推動溜板帶動工件后，溜板與床身、工件與花盤持續(xù)接觸，等效為一個非線性彈簧阻尼器模型，當(dāng)兩接觸物體發(fā)生碰撞接觸后分離速度接近于零［13］。

ADAMS 中對接觸力的求解有兩種方法，IMPACT沖擊函數(shù)法和接觸系數(shù)法，由于接觸系數(shù)法中的參數(shù)難以確定，所以沖擊函數(shù)法更適用。其接觸力模型為:

式中:q0為兩接觸物體初始距離;q 為接觸過程中的實際距離;dq/dt 為兩物體相對速度;k 為非負(fù)實數(shù)，表示接觸面剛度;e 為碰撞指數(shù)，cmax為最大阻尼系數(shù);d 為接觸表面臨界滲透量。其中step()函數(shù)是ADAMS 內(nèi)置函數(shù)，是一個三次多項式的階躍函數(shù)，定義形式為step(x，x0，h0，x1，h1)，其中x 是獨立變量，當(dāng)x ＜x0時函數(shù)取值h0，當(dāng)x ＞x0時函數(shù)取值h1，當(dāng)函數(shù)介于x0和x1之間時，用一個三次插值函數(shù)表示函數(shù)與變量之間的關(guān)系:

用IMPACT 函數(shù)計算還需要確定以下4 個參數(shù):

(1)Stiffness 也就是計算式中剛度k 的確定，由Hertz 接觸理論可得

式中:Ri、Rj表示接觸處的接觸半徑，正號表示外接觸，負(fù)號表示內(nèi)接觸;μz、Ez分別表示接觸體的泊松比和彈性模量。

(2)Force Exponent 也就是計算式中碰撞指數(shù)e，是計算接觸力中材料剛度項貢獻(xiàn)值的指數(shù)，對于金屬通常取值e=1.5。

(3)Damping 也就是計算式中Cmax，是衡量碰撞中的能量損失，一般取剛度系數(shù)0.1%～1%。

(4)Penetration Depth 也就是計算式中的d，指的是不容許穿透最大深度，ADAMS 推薦為0.01～0.1［13-14］。

2.1.2 刀具與工件切削

在仿真工件被切削時，用接觸力替代切削力，從而可以看做為刀具擠壓工件發(fā)生彈塑性變形。切削力計算，由于切削過程復(fù)雜影響因素繁多，目前沒有得到與實驗結(jié)果足夠吻合的理論公式，在實際生產(chǎn)中通常使用經(jīng)驗計算公式，其中指數(shù)計算公式得到廣泛應(yīng)用［15］。

式中:CFZ為與被加工金屬和切削條件有關(guān)的系數(shù);XFZ、YFZ、nFZ分別為背吃刀量ap、給進(jìn)量f、切削速度v的指數(shù);KFZ為計算中當(dāng)加工條件與所得經(jīng)驗公式不符時各種因素對切削力的修正系數(shù)的積。式中系數(shù)及指數(shù)按表2 選取。

表2 切削力計算系數(shù)和指數(shù)

2.2 數(shù)據(jù)處理

如圖4 所示，在軟件中通過測量記錄工件質(zhì)心與刀具軸心在X 和Z 軸的位移分別為dis_X 和dis_Z，再將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到matlab 中，根據(jù)勾股定理可以得到水平位置的位移:

2.2.1 上拉式與下拉式結(jié)構(gòu)跟精度關(guān)系

如圖5 圖6 在同種工況及環(huán)境下，通過仿真上拉式和下拉式切削的情況，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到加工的同軸度誤差。對比兩條曲線可以發(fā)現(xiàn)上拉式開始切削是在0.6 s 處，1.15 s 處結(jié)束切削，最大誤差為0.018 5 mm;而下拉式開始切削是在0.84 s 結(jié)束切削是在1.35 s，最大誤差為0.063 mm。顯然這種工況下，上拉式精度優(yōu)于下拉式。

2.2.2 溜板與床身間隙跟精度的關(guān)系

分別將上拉式立式拉床和下拉式立式拉床10 次實驗得到的數(shù)據(jù)整理，以間隙為橫坐標(biāo)，最大誤差為縱坐標(biāo)得到圖7。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，上拉式立式拉床和下拉式立式拉床的溜板與床身安裝間隙在0～0.09 mm 之間時，兩條曲線相似，那么就存在一種函數(shù)關(guān)系，從這種關(guān)系中可知，存在使得給定模型加工精度最高的安裝間隙。從圖7 中還可以分析得到，下拉式機(jī)床的加工精度普遍低于上拉式機(jī)床，在溜板與床身安裝間隙相同情況下，上拉式立式拉床的加工精度普遍高于下拉式立式拉床。

3 結(jié)語

(1)通過Pro/E 建模ADAMS 仿真接觸過程、切削過程，用Matlab 處理數(shù)據(jù)，分析得到在相同工況下，溜板與床身安裝間隙在0～0.09 mm 之間時，上拉式立式拉床的拉削精度普遍高于下拉式立式拉床。

(2)通過仿真與數(shù)據(jù)處理得到了上拉式立式拉床和下拉式立式拉床的溜板與床身安裝間隙在0～0.09 mm 之間時的定量關(guān)系，從這種關(guān)系中可知，存在加工精度最高的溜板與床身安裝間隙。

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