轴向车铣型面联接件中再生颤振的分析

梁伟

(辽宁石化职业技术学院,辽宁锦州 121000)

轴向车铣型面联接件中再生颤振的分析

梁伟

(辽宁石化职业技术学院,辽宁锦州 121000)

针对轴向车铣大刚度的型面联接工件,建立加工振动微分方程,并根据再生效应建立考虑刀具、工件动态特性再生颤振仿真模型。利用Matlab中的Simulink模块进行时域仿真,分析刀具转速对再生颤振的影响。研究结果表明,在轴向车铣加工型面联接工件过程中,为得到较好表面质量、减小切削振动、避免产生颤振,应尽量选择较大的刀具转速。一方面,避开工件的固有频率,另一方面,减小切削振动,避免颤振的产生。

型面连接件 车铣 再生颤振 时域分析

近年来,轴向车铣已成为加工型面联接件的方法中最为先进的加工方式之一。但是加工时,刀具运动轨迹较为复杂,加工过程中容易产生颤振现象,尤其是再生型颤振[1]。如何避免和抑制车铣加工型面联接工件时产生的颤振,是加工前选择切削参数时面临的一个重要问题。本文建立车铣加工型面联接工件动力学模型,基于再生效应建立了考虑刀具系统、工件系统动态特性的仿真控制模型,利用Matlab-Simulink进行仿真,对切削颤振的时域特性进行分析,为加工中工艺参数的选择提供了参考依据。

1 轴向车铣型面联接工件动力学建模

由于刀具和工件在各方向上的刚度较大,不考虑刀具和工件的弹性变形,故在此视为刚体进行分析,根据动力学理论,考虑径向的振动对刀具和工件分别建立微分方程：

图1 再生颤振控制框图

图2 nt=2500r/min时刀具工件相对振动位移

图3 nt=3500r/min时刀具工件相对振动位移

图4 nt=4500r/min时刀具工件相对振动位移

式中,MTx,CTx,KTx,xT分别为刀具在径向的模态质量系数,模态阻尼系数,模态刚度系数和位移;MWx,CWx,KWx,xW分别为工件在径向的模态质量系数,模态阻尼系数,模态刚度系数和位移;F(t)为轴向车铣过程中的动态径向切削力,根据轴向车铣理论该切削力可简化为如下形式[2]：

F(t)=CF×ae0.86×af0.72×d-0.86×Z×h(t)

令F(t)=C×a0.86×a0.72×d-0.86×Z,则F(t)=K×h(t)

Fef

式中,CF——取决于被加工材料和切削条件的切削力系数;

ae——切削宽度;

af——每齿进给量;

d——圆柱刀具直径;

Z——齿数;

h(t)——动态切削深度。

刀具和工件的相对振动位移为：x=xT+xW

2 仿真模型的建立

模型考虑了刀具和工件系统动态特性,并以刀具和工件的相对振动位移作为输出,如图1所示。

3 时域仿真

3.1 仿真参数

仿真参数的设定如下[3]：

切削条件设定如下：

期望切削深度h0=0.1mm；刀具转速nt=2500r/min。

3.2 仿真结果

仿真结果分析：从图2、3、4中很容易看出,随着刀具转速从2500r/min增加到3500r/min时,振幅增加,切削加工也从稳定切削转化为不稳定切削。当刀具转速进一步增加到4500r/min时,振幅又迅速减小趋于稳定,进入稳定切削状态。由此可知,随着刀具转速的增加,振幅有先增大后减小的趋势。

4 结语

在轴向车铣加工型面联接工件过程中,为得到较好表面质量,减小切削振动,避免产生颤振,应尽量选择较大的刀具转速。一方面,避开工件的固有频率,另一方面,减小切削振动,避免颤振的产生。这也从一个方面证明了发展高速车铣切削的必要性。

[1]贾春德,姜增辉.车铣原理[M].北京：国防工业出版社,2003.

[2]陆剑中,周志明.金属切削原理与刀具.北京：机械工业出版社,2006,72-78.

[3]陈勇,刘雄伟.在Matlab/simulink环境下的动态铣削力仿真.华侨大学学报,2003,24(2)：168-173.