工件微激振锯切装置设计及实验研究

倪　敬，郎建荣，姚晓鹏,李　璐

(1.杭州电子科技大学机械工程学院，浙江 杭州 310018; 2.浙江工商大学统计与数学学院,浙江 杭州 310018)



工件微激振锯切装置设计及实验研究

倪敬1，郎建荣1，姚晓鹏2,李璐1

(1.杭州电子科技大学机械工程学院，浙江 杭州 310018; 2.浙江工商大学统计与数学学院,浙江 杭州 310018)

摘要：针对振动切削技术在带锯床行业的应用，设计研制了一种集振动调频与负载检测为一体的振动加工用工件微激振装置，并将该装置应用于金属带锯床.振动锯切实验中采集了4种工况下振动锯切与普通锯切的锯切负载数据.实验结果分析表明，采用该工件微激振装置可稳定地进行振动锯切.此外，在振动锯切过程中，有效地降低了平均锯切负载，提高了锯切效率.在满足带锯条与切屑有效分离的条件下，振动频率越高，振动锯切效果越明显.

关键词：偏心轮机构；微激振；振动锯切；锯切负载

0引言

振动切削技术是一种非传统的特种切削加工方法，振动切削是指切削过程中给刀具或工件加上某种有规律、可控的振动，从而改变加工机理的切削方法[1].作为一种先进制造技术，振动切削技术能减小切削力和功率消耗，提高了生产效率、加工精度和表面质量，减少了刀具的磨损，延长了刀具的寿命，被应用于机械加工的各个领域.目前，国内外大量的专家学者不断地研究和开发振动切削技术及其装置.文献[2]研究了带锯的振动和应力，以及各参数对锯片振动的影响；文献[3]利用工件振动进行微钻削，通过自制的振动台提高钻孔的圆度；文献[4]研制了一种实用超声振动切削刀具，并进行了试验；文献[5]进行了超声波椭圆振动切削装置的研制，并通过试验发现相比于普通切削，刀具磨损量显著减少；文献[6]对振动切削的工艺效果进行了分析，并对其应用范围进行了研究；文献[7]设计研制了一种高频电液振颤器，通过实验研究表明，该电液颤振器在高频下具有良好的工作性能.但目前很少有振动切削装置能合适地应用于带锯床行业，因此，研制出一种带锯床振动加工用激振装置具有重要的意义.

本文针对现有带锯床振动加工用工件微激振装置的缺乏，研制出一种集振动调频与负载检测为一体的工件微激振装置.首先根据偏心振动[8]原理设计出工件微激振装置，并对振动台振动的运动轨迹建立了运动方程，其次将新装置应用于带锯床的振动锯切实验中，最后对实验结果进行了分析研究.

1工件微激振装置设计

1.1机构原理

偏心振动机构主要部件为偏心轮轴与几形架振动台，几形架振动台底部的两侧壁与偏心轮轴相切，机构原理如图1所示.本装置的机构原理是通过偏心轮轴转动使几形架振动台发生往复运动产生微幅振动，从而带动夹具及工件产生振动.

图1　机构原理图

偏心轮机构是一种凸轮机构，凸轮机构的优点是结构简单、紧凑、设计方便.按照从动件的型式凸轮机构可分为尖底从动件凸轮机构、滚子从动件凸轮机构和平底从动件凸轮机构.平底从动件凸轮机构的从动件的底面与凸轮之间易于形成楔形油膜，常用于高速凸轮机构之中[9]，故本装置采用的偏心振动机构是平底从动件凸轮机构.

平底从动件偏心轮凸轮机构的主、从动件间的接触点的位置相对从动件来回变化[10]，根据其接触点位置的变化，推导出平底从动件偏心轮凸轮机构的运动规律，从而推导出本装置振动机构的运动方程.

图1中，当偏心轮轴与几形架振动台的接触点位置从A点变化到B点时，

e+dOA=ecosa+dOB，

(1)

此时，几形架振动台的运动位移为：

S=dOB-dOA=e-ecosa，

(2)

运动速度为：

(3)

运动加速度为：

(4)

本装置中，偏心轮轴的偏心距为2.5mm，根据振动切削中存在临界切削速度vc=2πAf(临界切削速度是指刀具和切屑能够有效分离的最大速度[11])，可以推导出临界振动频率为：

(5)

其中，A为振动幅值.

1.2机构结构设计

基于上述原理，对工件微激振装置进行设计.本装置主要由偏心振动机构、滚柱滚珠导向限位机构、带传动增频机构、张紧机构、驱动系统以及负载力检测系统组成.

工件微激振装置如图2所示，偏心振动机构主要由偏心轮轴、几形架振动台组成，驱动系统中伺服电机通过带传动装置带动偏心轮轴转动，从而使几形架振动台输出直线振动.滚柱滚珠导向限位机构中8根滚柱均分为2组设置在偏心轮轴两侧，每组的4根滚柱呈行数为2的矩阵排布，几形架振动台两侧的滑块顶部与底部与对应1组的4根滚柱形成滚动副，从而限制振动台沿偏心轮轴的径向窜动，振动台的前、后面位于偏心槽两侧均开有限位槽组，限位槽组包括2个限位槽，支撑座的前、后板与振动台的各个限位槽之间均设有滚珠，滚珠限制振动台沿偏心轮轴的轴向窜动，从而起到导向限位作用，保证工件振动加工的高精度要求.带传动增频机构由主动带轮、从动带轮和同步带组成，主动带轮固定在伺服电机上，从动带轮固定在偏心轮轴上，主动带轮的直径大于从动带轮，从而实现增频功能.驱动系统包括驱动器和伺服电机.伺服电机通过电机安装座固定于装置底板上.负载力检测系统主要由三向力传感器、前置放大器、电信号转换板、数据采集仪和工控机组成.三向力传感器安装于振动台上，检测刀具的负载力.

图2　工件微激振装置图

2实验系统与方案

2.1实验系统

本实验系统如图3所示，所采用的实验设备主要有：G4230/50型卧式金属切削带锯床，ME三向力传感器，INV3018CT数据采集仪，工控机以及工件微激振装置等.

本实验数据采集系统工作原理为：工件加工时，三向力传感器输出的电信号传输至前置放大器的模拟量输入端口，经信号放大器放大后的电信号传输至电信号转换板的模拟量输入端口；输入转换板的模拟信号通过外接电缆传输至数据采集仪，数据采集仪首先先通过通道扫描及增益运算处理来优化模拟信号转换效率及精度，然后对模拟信号进行高速A/D转换，最终通过PCI接口传输至工控机内.所采集到的数据由CIONV DASP V10版分析软件及MATLAB软件进行分析.

图3　振动锯切实验系统图

2.2实验方案

表1　实验工况表

为了研究本装置用于带锯床实现振动锯切的有效性以及不同频率下振动锯切效果，实验采用相同的进给速度，锯切线速度以及锯切工件尺寸，锯切线速度v=20 m/min时，根据式(5)计算得临界振动频率为21.22 Hz，介于20～30 Hz之间，安排实验工件振动频率20 Hz，30 Hz，35 Hz和40 Hz.具体实验工况安排如表1所示.

3实验结果与分析

3.1实验结果

根据实验方案选取的实验工况进行实验，从各工况下的实验数据中分别随机抽取1组相同长度的数据(1 s时间)，得到实验数据曲线如图4—7所示.图中实线为普通锯切时的负载，虚线为各频率下振动锯切的负载.

图4　普通锯切与振动频率20 Hz锯切负载

图5　普通锯切与振动频率30 Hz锯切负载

图6　普通锯切与振动频率35 Hz锯切负载

图7　普通锯切与振动频率40 Hz锯切负载

3.2实验分析

通过对图4-7中的各工况下锯切负载时域特性曲线的分析，得到以下结论：

1)各频率下(20 Hz，30 Hz，35 Hz，40 Hz)振动锯切平均负载(虚线部分)明显低于普通锯切平均负载(实线部分).各工况下的负载均值、平均负载降低率及负载峰值如表2所示.

表2　实验各工况负载均值、降低率及峰值

此外，由表2分析得到，振动锯切负载峰值大于普通锯切负载峰值，此时振动锯切带锯条对工件的动态冲击载荷大于普通锯切，能够取得更好的锯切效果.

2)当振动频率(20 Hz)低于临界振动频率时，此时带锯条与切屑未达到有效分离，但由于工件振动时带锯条对工件已经具有冲击负载作用，锯切负载降低率为8.534%，此时锯切效果不明显；当振动频率(30 Hz，35 Hz，40 Hz)高于临界振动频率时，此时带锯条与切屑有效分离，锯切负载降低率在20%以上，振动锯切效果明显，且振动频率越高，锯切效果越明显.

3)由实验数据分析可知，采用本文所设计研制的工件微激振装置，可以稳定进行振动锯切，在振动锯切过程中锯切负载得到降低，从而有利于提高锯切效率.

4结束语

本文针对振动加工技术在带锯床行业运用的不足，设计研制了一种带锯床振动加工用工件微激振装置，实验及研究分析表明，采用本装置可稳定地进行振动锯切，并能降低平均锯切负载，在满足带锯条—切屑有效分离的条件下，振动频率越高，锯切负载降低率越高，且振动锯切时带锯条对工件的动态冲击载荷大于普通锯切，能够取得更好的锯切效果，有利于提高锯切效率.对本课题的深入研究对实现高效锯切具有重要的理论与实际意义.

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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

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51375129)

作者简介：倪敬(1979-)，男，浙江武义人，教授，金属带锯锯切技术.

中图分类号：TH132

文献标识码：A

文章编号：1001-9146(2016)04-0057-05