CA6150柔性刀架設(shè)計(jì)及靜動(dòng)特性分析

徐　彬，楊　靜，郭茫茫

(西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

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CA6150柔性刀架設(shè)計(jì)及靜動(dòng)特性分析

徐彬，楊靜，郭茫茫

(西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

車削振動(dòng)主動(dòng)控制中，考慮到車削加工中刀架的受力以及控制執(zhí)行器的性能特點(diǎn)，刀架設(shè)計(jì)至關(guān)重要。為了減小徑向載荷對執(zhí)行器的作用，本文利用柔性鉸鏈設(shè)計(jì)了CA6150柔性專用刀架，在此基礎(chǔ)上，分析了專用刀架的靜、動(dòng)特性，表明該結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并通過脈沖激勵(lì)實(shí)驗(yàn)證明了刀架具有較好的動(dòng)特性，可以滿足CA6150車削振動(dòng)主動(dòng)控制的要求。

車削振動(dòng)；柔性鉸鏈；專用刀架；靜動(dòng)特性

高速車削加工中，刀具相對工件的振動(dòng)，會導(dǎo)致刀具磨損，影響加工精度，嚴(yán)重時(shí)甚至引起崩刀[1]，因此車削振動(dòng)的主動(dòng)控制成了研究熱點(diǎn)[2]。振動(dòng)主動(dòng)控制的基本原理是通過傳感器采集振動(dòng)信號，通過控制器施加主動(dòng)控制力抑制振動(dòng)。對車削振動(dòng)的主動(dòng)控制，一般是先通過特殊結(jié)構(gòu)使刀架相對機(jī)床床身產(chǎn)生振動(dòng)，然后通過傳感器、執(zhí)行器對刀架施加主動(dòng)控制力以抑制車削刀架振動(dòng)。整個(gè)控制系統(tǒng)中，刀架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

然而，現(xiàn)有的研究報(bào)道主要關(guān)注系統(tǒng)的控制算法以及驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)[1-3]，對于刀架設(shè)計(jì)的研究卻很少。李曉舟在銑削振動(dòng)控制中則采用了延長桿的結(jié)構(gòu)[6]；江浩等設(shè)計(jì)了基于柔性鉸鏈的主動(dòng)減振銑削平臺，對平臺進(jìn)行了仿真分析[5]。車削振動(dòng)主動(dòng)控制中常用壓電致動(dòng)器、磁致動(dòng)器等作為執(zhí)行器，根據(jù)工作原理它們一般不能承受徑向力。然而，車削加工中，車刀同時(shí)承受背向力、主切削力以及進(jìn)給力?，F(xiàn)有的柔性刀架結(jié)構(gòu)卻沒有考慮各方向切削力對執(zhí)行器徑向的作用，如文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了基于壓電致動(dòng)器的車削振動(dòng)柔性刀架，就沒有考慮進(jìn)給力Ff給致動(dòng)器帶來的徑向負(fù)載。柔性鉸鏈具有體積小、無間隙、無機(jī)械摩擦、定位精度高、沖擊小等優(yōu)點(diǎn)，在微進(jìn)給等一些機(jī)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了基于柔性鉸鏈的CA6150柔性刀架，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小車削力對致動(dòng)器的徑向力作用，并對專用刀架靜、動(dòng)特性進(jìn)行理論了分析及測試。

1　柔性刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在車削加工中車刀受主切削力Fc、背向力Fp、進(jìn)給力Ff的作用而產(chǎn)生振動(dòng)。根據(jù)CA6150機(jī)床刀座結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了如圖1所示的柔性刀架，由12個(gè)直圓型柔性鉸鏈和2個(gè)直梁型柔性鉸鏈組成，x、y、z為車削加工工作坐標(biāo)軸，鉸鏈編號如圖2所示。

圖1　柔性刀架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　The structure diagram of flexible hinge

圖2　柔性鉸鏈編號Fig.2　Straight round flexure hinge number

在振動(dòng)控制中，執(zhí)行器控制力Fz沿軸向z作用在刀架的“執(zhí)行器連接部位”，抑制刀架z向振動(dòng)。為了避免執(zhí)行器受徑向力，圖1的柔性刀架結(jié)構(gòu)中，“車刀夾持部位”與“執(zhí)行器連接部位”之間有4個(gè)直圓型柔性鉸鏈單元，在車削背向力Fp的作用下，直圓型柔性鉸鏈1～8和直梁型柔性鉸鏈13、14在x方向上發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形；在進(jìn)給力Ff的作用下，直圓型柔性鉸鏈9～12在y方向上發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，從而避免執(zhí)行器受徑向變形的作用。

2　刀架靜態(tài)特性分析

剛度是影響結(jié)構(gòu)振動(dòng)和變形的主要因素。圖1的柔性刀架在z方向上的剛度為直圓型鉸鏈和直梁型鉸鏈的剛度和，圖3為兩種單元的幾何結(jié)構(gòu)示意圖。背向切削力Fp作用下，直圓型鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)剛度Kαz由文獻(xiàn)[7]可得。

圖3　柔性鉸鏈的幾何結(jié)構(gòu)Fig.3　The flexible hinge of dimensims

(1)

式中，彈性模量E=2.06e11Pa、剪切彈性模量G=E/[2(1+μ)](泊松比μ=0.28)、c =r1/t1( r1為直圓鉸鏈半徑、t1為鉸鏈最薄處厚度)、b1為直圓型鉸鏈厚度。Kz1為z方向的等效剛度，l為加載力到鉸鏈中心的距離。

(2)

式中，s =r2/t2( r2為直梁鉸鏈半徑、t2為鉸鏈最薄處厚度)、L為直梁長度。同理，Kz2為z方向等效剛度。

根據(jù)CA6150機(jī)床實(shí)際尺寸，設(shè)計(jì)的柔性刀架結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1　柔性刀架結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位:mm)

表1中，h為鉸鏈高度，l為作用力到鉸鏈中心的距離，N為鉸鏈單元數(shù)量。刀架材料選為45鋼，可保證柔性刀架滿足良好的抗疲勞性、韌性、塑性和耐磨性等性能。由式(1)和(2)可得直圓型和直梁型鉸鏈z方向的等效剛度分別為1.90×107N/m和1.42×106N/m，柔性鉸鏈總剛度為K=2.042×107N/m 。

將刀架的三維圖導(dǎo)入到Workbench 14.5中，對刀架進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到刀架在z、x、y三個(gè)方向上的變形(見圖4～6)。由圖可見，刀架在三個(gè)方向力的作用下，最大變形都發(fā)生在夾持刀具部位，同時(shí)，主切削力Fc以及進(jìn)給力Ff對致動(dòng)器的徑向作用最小。圖4中當(dāng)z方向作用力為200 N時(shí)刀架變形量為10.022 μm，可得刀架在z方向上的等效剛度K=1.991×107N/m，與理論計(jì)算結(jié)果的偏差為2.4%。

圖4　刀架z向變形Fig.4　The tool rest deformation of z direction

圖5　刀架x向變形Fig.5　The tool rest deformation of x direction

圖6　刀架y向變形Fig.6　The tool rest deformation of y direction

3　刀架動(dòng)態(tài)特性分析

在車削加工中，為避免刀架產(chǎn)生共振，需要對設(shè)計(jì)的柔性刀架進(jìn)行模態(tài)分析。在Workbench 14.5中，建立柔性刀架的模型，設(shè)定刀架材料為45鋼，泊松比μ=0.28，對刀架進(jìn)行劃分網(wǎng)格以及無約束模態(tài)分析，得到柔性刀架的前六階固有頻率分別為：579.07 Hz、593.69 Hz、726.16 Hz、913.82 Hz、1 051.4 Hz、1 142.6 Hz。圖7為前兩階振動(dòng)模態(tài)。

由于固有頻率是在無約束狀態(tài)下求得的，因此，將刀架用橡皮筋懸掛于空中(見圖8)，以模擬無約束狀態(tài)，對柔性刀架進(jìn)行脈沖激勵(lì)模態(tài)試驗(yàn)。在刀架的“夾持刀具部位”貼上加速度傳感器3263M8；刀架保持在靜止平衡狀態(tài)，用脈沖錘(086B20)在圖示方向敲擊刀架，脈沖敲擊錘頻率范圍為0～1 kHz，輸出力范圍為0～22 000 N，力傳感器為480 B；用M+P數(shù)據(jù)分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到如圖9所示的柔性刀架振動(dòng)頻譜，由圖可見，前六階固有頻率為：576 Hz、612 Hz、744 Hz、833 Hz、1 320 Hz、1 370 Hz，理論計(jì)算的固有頻率基本相同。CA6150車削加工的最高轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，加工中產(chǎn)生的激振頻率均小于450 Hz[9]，由此可見，所設(shè)計(jì)的組合式柔性刀架避免了加工中刀架產(chǎn)生的共振，滿足車削振動(dòng)主動(dòng)控制的要求。

圖7　前兩階振動(dòng)模態(tài)Fig.7　The first two order mode virbration

圖8　柔性刀架脈沖激勵(lì)實(shí)驗(yàn)Fig.8　The pulse excitation of flexible tool rest

4　結(jié)　語

綜合考慮刀架受力以及執(zhí)行器性能特點(diǎn)，本文利用柔性鉸鏈的無間隙、無機(jī)械摩擦等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了用于CA6150機(jī)床車削振動(dòng)主動(dòng)控制的專用刀架，從結(jié)構(gòu)上減小執(zhí)行器受徑向載荷的作用。論文對刀架靜、動(dòng)特性進(jìn)行了理論分析，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較。結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的CA6150柔性專用刀架，具有較好的靜、動(dòng)特性，可以滿足車削振動(dòng)主動(dòng)控制的要求。

圖9　柔性刀架前六階固有頻率Fig.9　The first six natural frequencies of flexible tool rest

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(責(zé)任編輯王衛(wèi)勛)

Design and analysis of flexible tool rest for CA6150

XU Bin,YANG Jing,GUO Mangmang

(School of Mechanical and Precision Instrument Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China)

Given the tool rest subject to force in turning processing and the characteristics of control actuator,the design for tool rest plays a vital role in turning vibration active control.Using flexure hinge,a special flexible tool rest for CA6150 is designed to reduce the radial loading on the actuator,on the basis of which this paper analyzes the static and dynamic properties of this special tool rest,whereby showing that the structure can meet the design requirements,and then a pulse excitation experiment is conducted to verify that the holder has a better dynamic properties and can meet the requirements of turning active control for CA6150.

turning vibration; flexure hinge; special tool rest; static and dynamic properties

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.01.021

2015-05-22

陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化基金資助項(xiàng)目(2013JC25);陜西省教育廳省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(11JS0720)

徐彬，男，碩士生，研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)檢測與控制。E-mail:xbuingoaix@163.com

楊靜，女，副教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)檢測與控制。E-mail:yjzhd@163.com

TH113.1

A

1006-4710(2016)01-0115-05