倪　敬，郎建榮，姚曉鵬,李　璐

(1.杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018; 2.浙江工商大學(xué)統(tǒng)計(jì)與數(shù)學(xué)學(xué)院,浙江 杭州 310018)

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工件微激振鋸切裝置設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

倪敬1，郎建榮1，姚曉鵬2,李璐1

(1.杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018; 2.浙江工商大學(xué)統(tǒng)計(jì)與數(shù)學(xué)學(xué)院,浙江 杭州 310018)

摘要：針對(duì)振動(dòng)切削技術(shù)在帶鋸床行業(yè)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)研制了一種集振動(dòng)調(diào)頻與負(fù)載檢測(cè)為一體的振動(dòng)加工用工件微激振裝置，并將該裝置應(yīng)用于金屬帶鋸床.振動(dòng)鋸切實(shí)驗(yàn)中采集了4種工況下振動(dòng)鋸切與普通鋸切的鋸切負(fù)載數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，采用該工件微激振裝置可穩(wěn)定地進(jìn)行振動(dòng)鋸切.此外，在振動(dòng)鋸切過程中，有效地降低了平均鋸切負(fù)載，提高了鋸切效率.在滿足帶鋸條與切屑有效分離的條件下，振動(dòng)頻率越高，振動(dòng)鋸切效果越明顯.

關(guān)鍵詞：偏心輪機(jī)構(gòu)；微激振；振動(dòng)鋸切；鋸切負(fù)載

0引言

振動(dòng)切削技術(shù)是一種非傳統(tǒng)的特種切削加工方法，振動(dòng)切削是指切削過程中給刀具或工件加上某種有規(guī)律、可控的振動(dòng)，從而改變加工機(jī)理的切削方法[1].作為一種先進(jìn)制造技術(shù)，振動(dòng)切削技術(shù)能減小切削力和功率消耗，提高了生產(chǎn)效率、加工精度和表面質(zhì)量，減少了刀具的磨損，延長(zhǎng)了刀具的壽命，被應(yīng)用于機(jī)械加工的各個(gè)領(lǐng)域.目前，國(guó)內(nèi)外大量的專家學(xué)者不斷地研究和開發(fā)振動(dòng)切削技術(shù)及其裝置.文獻(xiàn)[2]研究了帶鋸的振動(dòng)和應(yīng)力，以及各參數(shù)對(duì)鋸片振動(dòng)的影響；文獻(xiàn)[3]利用工件振動(dòng)進(jìn)行微鉆削，通過自制的振動(dòng)臺(tái)提高鉆孔的圓度；文獻(xiàn)[4]研制了一種實(shí)用超聲振動(dòng)切削刀具，并進(jìn)行了試驗(yàn)；文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了超聲波橢圓振動(dòng)切削裝置的研制，并通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相比于普通切削，刀具磨損量顯著減少；文獻(xiàn)[6]對(duì)振動(dòng)切削的工藝效果進(jìn)行了分析，并對(duì)其應(yīng)用范圍進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)研制了一種高頻電液振顫器，通過實(shí)驗(yàn)研究表明，該電液顫振器在高頻下具有良好的工作性能.但目前很少有振動(dòng)切削裝置能合適地應(yīng)用于帶鋸床行業(yè)，因此，研制出一種帶鋸床振動(dòng)加工用激振裝置具有重要的意義.

本文針對(duì)現(xiàn)有帶鋸床振動(dòng)加工用工件微激振裝置的缺乏，研制出一種集振動(dòng)調(diào)頻與負(fù)載檢測(cè)為一體的工件微激振裝置.首先根據(jù)偏心振動(dòng)[8]原理設(shè)計(jì)出工件微激振裝置，并對(duì)振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡建立了運(yùn)動(dòng)方程，其次將新裝置應(yīng)用于帶鋸床的振動(dòng)鋸切實(shí)驗(yàn)中，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析研究.

1工件微激振裝置設(shè)計(jì)

1.1機(jī)構(gòu)原理

偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)主要部件為偏心輪軸與幾形架振動(dòng)臺(tái)，幾形架振動(dòng)臺(tái)底部的兩側(cè)壁與偏心輪軸相切，機(jī)構(gòu)原理如圖1所示.本裝置的機(jī)構(gòu)原理是通過偏心輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)使幾形架振動(dòng)臺(tái)發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生微幅振動(dòng)，從而帶動(dòng)夾具及工件產(chǎn)生振動(dòng).

圖1　機(jī)構(gòu)原理圖

偏心輪機(jī)構(gòu)是一種凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、設(shè)計(jì)方便.按照從動(dòng)件的型式凸輪機(jī)構(gòu)可分為尖底從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)、滾子從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)和平底從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu).平底從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件的底面與凸輪之間易于形成楔形油膜，常用于高速凸輪機(jī)構(gòu)之中[9]，故本裝置采用的偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)是平底從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu).

平底從動(dòng)件偏心輪凸輪機(jī)構(gòu)的主、從動(dòng)件間的接觸點(diǎn)的位置相對(duì)從動(dòng)件來回變化[10]，根據(jù)其接觸點(diǎn)位置的變化，推導(dǎo)出平底從動(dòng)件偏心輪凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而推導(dǎo)出本裝置振動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程.

圖1中，當(dāng)偏心輪軸與幾形架振動(dòng)臺(tái)的接觸點(diǎn)位置從A點(diǎn)變化到B點(diǎn)時(shí)，

e+dOA=ecosa+dOB，

(1)

此時(shí)，幾形架振動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)位移為：

S=dOB-dOA=e-ecosa，

(2)

運(yùn)動(dòng)速度為：

(3)

運(yùn)動(dòng)加速度為：

(4)

本裝置中，偏心輪軸的偏心距為2.5mm，根據(jù)振動(dòng)切削中存在臨界切削速度vc=2πAf(臨界切削速度是指刀具和切屑能夠有效分離的最大速度[11])，可以推導(dǎo)出臨界振動(dòng)頻率為：

(5)

其中，A為振動(dòng)幅值.

1.2機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述原理，對(duì)工件微激振裝置進(jìn)行設(shè)計(jì).本裝置主要由偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)、滾柱滾珠導(dǎo)向限位機(jī)構(gòu)、帶傳動(dòng)增頻機(jī)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及負(fù)載力檢測(cè)系統(tǒng)組成.

工件微激振裝置如圖2所示，偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由偏心輪軸、幾形架振動(dòng)臺(tái)組成，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中伺服電機(jī)通過帶傳動(dòng)裝置帶動(dòng)偏心輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使幾形架振動(dòng)臺(tái)輸出直線振動(dòng).滾柱滾珠導(dǎo)向限位機(jī)構(gòu)中8根滾柱均分為2組設(shè)置在偏心輪軸兩側(cè)，每組的4根滾柱呈行數(shù)為2的矩陣排布，幾形架振動(dòng)臺(tái)兩側(cè)的滑塊頂部與底部與對(duì)應(yīng)1組的4根滾柱形成滾動(dòng)副，從而限制振動(dòng)臺(tái)沿偏心輪軸的徑向竄動(dòng)，振動(dòng)臺(tái)的前、后面位于偏心槽兩側(cè)均開有限位槽組，限位槽組包括2個(gè)限位槽，支撐座的前、后板與振動(dòng)臺(tái)的各個(gè)限位槽之間均設(shè)有滾珠，滾珠限制振動(dòng)臺(tái)沿偏心輪軸的軸向竄動(dòng)，從而起到導(dǎo)向限位作用，保證工件振動(dòng)加工的高精度要求.帶傳動(dòng)增頻機(jī)構(gòu)由主動(dòng)帶輪、從動(dòng)帶輪和同步帶組成，主動(dòng)帶輪固定在伺服電機(jī)上，從動(dòng)帶輪固定在偏心輪軸上，主動(dòng)帶輪的直徑大于從動(dòng)帶輪，從而實(shí)現(xiàn)增頻功能.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī).伺服電機(jī)通過電機(jī)安裝座固定于裝置底板上.負(fù)載力檢測(cè)系統(tǒng)主要由三向力傳感器、前置放大器、電信號(hào)轉(zhuǎn)換板、數(shù)據(jù)采集儀和工控機(jī)組成.三向力傳感器安裝于振動(dòng)臺(tái)上，檢測(cè)刀具的負(fù)載力.

圖2　工件微激振裝置圖

2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方案

2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，所采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有：G4230/50型臥式金屬切削帶鋸床，ME三向力傳感器，INV3018CT數(shù)據(jù)采集儀，工控機(jī)以及工件微激振裝置等.

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作原理為：工件加工時(shí)，三向力傳感器輸出的電信號(hào)傳輸至前置放大器的模擬量輸入端口，經(jīng)信號(hào)放大器放大后的電信號(hào)傳輸至電信號(hào)轉(zhuǎn)換板的模擬量輸入端口；輸入轉(zhuǎn)換板的模擬信號(hào)通過外接電纜傳輸至數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀首先先通過通道掃描及增益運(yùn)算處理來優(yōu)化模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換效率及精度，然后對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行高速A/D轉(zhuǎn)換，最終通過PCI接口傳輸至工控機(jī)內(nèi).所采集到的數(shù)據(jù)由CIONV DASP V10版分析軟件及MATLAB軟件進(jìn)行分析.

圖3　振動(dòng)鋸切實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

2.2實(shí)驗(yàn)方案

表1　實(shí)驗(yàn)工況表

為了研究本裝置用于帶鋸床實(shí)現(xiàn)振動(dòng)鋸切的有效性以及不同頻率下振動(dòng)鋸切效果，實(shí)驗(yàn)采用相同的進(jìn)給速度，鋸切線速度以及鋸切工件尺寸，鋸切線速度v=20 m/min時(shí)，根據(jù)式(5)計(jì)算得臨界振動(dòng)頻率為21.22 Hz，介于20～30 Hz之間，安排實(shí)驗(yàn)工件振動(dòng)頻率20 Hz，30 Hz，35 Hz和40 Hz.具體實(shí)驗(yàn)工況安排如表1所示.

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案選取的實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從各工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中分別隨機(jī)抽取1組相同長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)(1 s時(shí)間)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖4—7所示.圖中實(shí)線為普通鋸切時(shí)的負(fù)載，虛線為各頻率下振動(dòng)鋸切的負(fù)載.

圖4　普通鋸切與振動(dòng)頻率20 Hz鋸切負(fù)載

圖5　普通鋸切與振動(dòng)頻率30 Hz鋸切負(fù)載

圖6　普通鋸切與振動(dòng)頻率35 Hz鋸切負(fù)載

圖7　普通鋸切與振動(dòng)頻率40 Hz鋸切負(fù)載

3.2實(shí)驗(yàn)分析

通過對(duì)圖4-7中的各工況下鋸切負(fù)載時(shí)域特性曲線的分析，得到以下結(jié)論：

1)各頻率下(20 Hz，30 Hz，35 Hz，40 Hz)振動(dòng)鋸切平均負(fù)載(虛線部分)明顯低于普通鋸切平均負(fù)載(實(shí)線部分).各工況下的負(fù)載均值、平均負(fù)載降低率及負(fù)載峰值如表2所示.

表2　實(shí)驗(yàn)各工況負(fù)載均值、降低率及峰值

此外，由表2分析得到，振動(dòng)鋸切負(fù)載峰值大于普通鋸切負(fù)載峰值，此時(shí)振動(dòng)鋸切帶鋸條對(duì)工件的動(dòng)態(tài)沖擊載荷大于普通鋸切，能夠取得更好的鋸切效果.

2)當(dāng)振動(dòng)頻率(20 Hz)低于臨界振動(dòng)頻率時(shí)，此時(shí)帶鋸條與切屑未達(dá)到有效分離，但由于工件振動(dòng)時(shí)帶鋸條對(duì)工件已經(jīng)具有沖擊負(fù)載作用，鋸切負(fù)載降低率為8.534%，此時(shí)鋸切效果不明顯；當(dāng)振動(dòng)頻率(30 Hz，35 Hz，40 Hz)高于臨界振動(dòng)頻率時(shí)，此時(shí)帶鋸條與切屑有效分離，鋸切負(fù)載降低率在20%以上，振動(dòng)鋸切效果明顯，且振動(dòng)頻率越高，鋸切效果越明顯.

3)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，采用本文所設(shè)計(jì)研制的工件微激振裝置，可以穩(wěn)定進(jìn)行振動(dòng)鋸切，在振動(dòng)鋸切過程中鋸切負(fù)載得到降低，從而有利于提高鋸切效率.

4結(jié)束語

本文針對(duì)振動(dòng)加工技術(shù)在帶鋸床行業(yè)運(yùn)用的不足，設(shè)計(jì)研制了一種帶鋸床振動(dòng)加工用工件微激振裝置，實(shí)驗(yàn)及研究分析表明，采用本裝置可穩(wěn)定地進(jìn)行振動(dòng)鋸切，并能降低平均鋸切負(fù)載，在滿足帶鋸條—切屑有效分離的條件下，振動(dòng)頻率越高，鋸切負(fù)載降低率越高，且振動(dòng)鋸切時(shí)帶鋸條對(duì)工件的動(dòng)態(tài)沖擊載荷大于普通鋸切，能夠取得更好的鋸切效果，有利于提高鋸切效率.對(duì)本課題的深入研究對(duì)實(shí)現(xiàn)高效鋸切具有重要的理論與實(shí)際意義.

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Design and Experimental Study of Workpiece Micro-vibration Sawing Device

NI Jing1，LANG Jianrong1，YAO Xiaopeng2，LI Lu1

(1.SchoolofMechanicalEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China; 2.SchoolofStatisticsandMathematics,ZhejiangGongshangUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Abstract：According to the vibration cutting technology used in band sawing machine industry, a micro-vibration device of workpiece for vibration machining with vibration frequency modulation and load detection was designed and developed firstly in the paper. Then the device was applied to the metal cutting band sawing machine, and the experimental study of the vibration sawing was carried out, from the experimental the sawing load data of the vibration sawing and the common sawing were acquired respectively in four cases. Experimental results show that the vibration sawing was carried out stably by using the micro-vibration device of workpiece, in addition, the average sawing load and the net cutting time could be effectively reduced in the process of vibration sawing, so as to improve the sawing efficiency. In the condition of the band saw could be separated effectively with chip, the higher the vibration frequency, vibration sawing effect is more obvious.

Key words：eccentric mechanism; micro-vibration; vibration sawing; sawing load

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2016.04.012

收稿日期：2015-12-17

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375129)

作者簡(jiǎn)介：倪敬(1979-)，男，浙江武義人，教授，金屬帶鋸鋸切技術(shù).

中圖分類號(hào)：TH132

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-9146(2016)04-0057-05