高速拉床突變負（fù）載（zǎi）工況的液壓衝擊仿真分析-刨插拉床網-數控機床市場網

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高速拉（lā）床突變負載工況的液壓衝擊仿真（zhēn）分析（xī）

2018-10-23 來源：中南大（dà）學機電工（gōng）程學院作（zuò）者（zhě）：桂珍，柳波，劉琪，郭林林

摘要: 高（gāo）速拉削因（yīn）能（néng）夠得到較高的表麵質量而（ér）逐漸在製造工（gōng）藝中得到重用（yòng）。拉削開始和結束時，拉削（xuē）力是突變載荷，必然（rán）會對高速拉床的高壓大流量（liàng）液壓係（xì）統造成壓力衝擊，引起速度波動，進而影響（xiǎng）拉削的尺寸精（jīng）度和表麵質量。基於拉床負載（zǎi）特性，利用 AMESim 軟件對高速拉床液壓係統的（de）拉削過程進行（háng）仿真，分析了高速（sù）拉床（chuáng）在突變（biàn）負載工（gōng）況下，液壓缸進油腔的壓力變化和主溜板（bǎn）速度及加（jiā）速度的變化，並根據仿真結果改進液壓係統。結果表明: 在液壓缸的進油腔（qiāng）放置（zhì）低壓蓄能器能有效降低係統（tǒng）啟動時（shí）的（de）壓力衝擊; 利用突變負（fù）載反饋 PID 控製，可以有效降低（dī）拉削（xuē）開（kāi）始和結束時的壓力衝擊和速度波動。

關（guān）鍵詞: 高（gāo）速拉床; 負載力; 壓力衝擊; 速度波動

0、引言

拉床，是使用（yòng）拉刀作（zuò）為刀具加工孔類、齒輪、鍵槽和花鍵等成形表麵的機床。工件經拉削後，具有較高（gāo）的（de）尺寸精度和表麵（miàn）質量。隨著製造技術的不斷發展，拉床速度不（bú）斷提高，經過大量的實驗證實，許多金屬材料在高速拉削的條件下（xià），具有更高的尺寸精度和表麵質量。目前，許多學者對高速拉削進行了研究和探討（tǎo）。薑雪梅對高速（sù）拉削（xuē）工藝進行了分析和實驗，為獲取更高的表（biǎo）麵質量提供（gòng）了參考。倪敬等人對拉床雙缸進行 IPSO-PID 伺服驅動，解決了雙缸（gāng）同步驅動問題。劉（liú）建強（qiáng）等（děng）人對高速拉削力和（hé）拉削熱進行有限元分析，得出了齒（chǐ）升量對拉削（xuē）力影響最大及速度對拉削溫度影（yǐng）響最大的結論。當前，研究較多的是電氣－機械傳（chuán）動的高速拉床，對液壓高速拉床探討較少，大多隻（zhī）是針對液壓元件進行（háng）分析和設計，沒有對其（qí）突變負載工況進行研究。

對於高速（sù）拉床，高壓大流量的液壓係統是其主（zhǔ）要（yào）的動力源，所（suǒ）以液壓係統的穩定性對拉削的尺寸精度和表麵質量有決（jué）定性作用。拉（lā）削開始和結（jié）束時，拉削力是突變載荷，必然會對高壓（yā）大流量（liàng）液壓係統造成壓力衝擊（jī），引起（qǐ）速度波動，影響液壓缸的（de）密封性能，降低拉削（xuē）的表麵質量（liàng），因此，對高速拉床拉削過（guò）程中的液壓係統進行仿真分析，有較重要的（de）工程（chéng）意義和實用價值。本文以上拉式高速液壓拉床為主要研究對象，利（lì）用（yòng） AMESim 軟件（jiàn）建立液壓係統模型，分析拉削（xuē）過程中液壓缸進油腔壓力特性（xìng）、主溜板速度及加速度特性，並提出相應的係統改進方案。

1 、高（gāo）速拉床速度和負載特性分析

1． 1 高速拉（lā）削（xuē）的定義

當拉削一種金屬材（cái）料時，加工的（de）表麵質量（liàng）與拉（lā）削速度呈現一定的關係（xì）: 第一階段，拉削速度從零開始提高時，材料（liào）表麵質量下降，並形成鋸（jù）齒形切（qiē）屑。第二階段，當拉削速度繼續提高，至某一數值後，材料表麵質量（liàng）不再下降，反而逐（zhú）漸提高，鋸（jù）齒形切屑逐漸消失。而後（hòu），隨著速（sù）度不斷提高，材料表（biǎo）麵粗糙度（dù）值逐漸減小，直至某一值後趨於穩定。第三階段，進一步提高拉削（xuē）速（sù）度，材料表麵質（zhì）量快速下降，刀具磨損加快。由於（yú）每種材料的切削性能不同，適應的速度也不盡相同，所以高速拉（lā）削的“高速”定義不能按照拉削速度的絕對值（zhí）來說明，而應該（gāi）是使材料處於（yú）第二階段的拉削（xuē）速度。即（jí）使（shǐ）有些材料的拉削速度在 10m/min 以（yǐ）下（xià），隻要（yào）該速度使得材料處於第二階段，就稱其為（wéi）高（gāo）速拉削。對於一般材料，如（rú）結構鋼（gāng），其高速（sù）拉削速（sù）度可達 30 ～ 60m/min 甚至更高。

1． 3 高速拉床負（fù）載特性分析

上（shàng）拉式內拉床一（yī）般是刀具不動，工件隨著主溜板運動從而在拉刀上形成拉削效果。拉床啟動後，工件和主溜板跟隨液壓缸向上加速運動，直至預定速度後，開始勻速上（shàng）升。由於加（jiā）速行程短，目標速度大，所以（yǐ）主溜板需（xū）要較大的加速（sù）度，這會使液壓缸有較大的慣（guàn）性負載，引起進油腔壓（yā）力變化。工件和主溜板勻速（sù）上升時，液壓缸所受的負載力為主溜板（bǎn）、工件和液壓缸活塞（sāi）杆的合重（chóng）力 G。當液（yè）壓缸到（dào）達一定高度後（hòu），工件接觸固定（dìng）拉刀，開始拉削（xuē）。拉削過程中，液壓缸所受的負載力為合重力 G 與拉削力之和。隨著參與工作的拉削齒（chǐ）數量迅速增加，拉削力極速（sù）上升，直（zhí）至最多的拉削齒參與拉削，此時拉力達到最大（dà），液壓缸所受的負載力（lì）也（yě）達到最大。但是由於拉（lā）削齒數量的微小變化（huà），拉削力（lì）出現一定的波動。拉削結束時，拉削齒退出工件，拉削力迅速降（jiàng）為（wéi）零，此時液壓缸負載力突然減小，使進油腔壓力迅（xùn）速減小。

2 、高速拉床建模

2． 1 高速拉床液壓係統

根據實際生產（chǎn）要求，基於 L55720 型機床，設計最大拉削（xuē）速度為 60m/min，即 1m/s，最大拉削（xuē）力為100k N。拉刀長度為 1 000mm，進刀行程為 100mm，退刀（dāo）行程為 150mm。高速拉床液壓係原（yuán）理如圖 2 所示。

圖 2 高速拉床液壓係統（tǒng）原理圖

1．高壓泵 2、8．電動機 3、10．單向閥 4．截止閥 5．高壓蓄能器6．二通換向閥 7．低壓變量泵 9．低壓溢流（liú）閥 11．壓力補償閥12．電磁比例換向（xiàng）閥 13．二通插裝閥 14．梭閥 15．二位三通閥16．液壓雙缸 17．主溜板 18．傳感器 19．高壓溢（yì）流閥

在拉削過程中，由（yóu）於負載力較大（dà），而且拉削速度快，需要向液壓係統提供高壓、大（dà）流量的油液，所以（yǐ）由高壓泵 1 和兩個（gè）高壓蓄能器 5 供油。此（cǐ）時電磁比例換向閥 12 處於左位，二通換向閥 6 處於右位，二（èr）位三通閥 15 處於左位，二（èr）通插裝閥（fá） 13 的背壓口泄油，其 A、B口相通。油液經過電磁比例換向閥（fá） 12、二（èr）通插裝閥（fá） 13到達液壓雙缸（gāng） 16 的下腔，即（jí）有杆腔，推動活塞上升，帶動主溜板和工件向上運動。此時，係統壓力較高，低壓變量泵 7 通過低壓溢流閥 9 卸荷。當主溜板下（xià）降時，係統由低壓變量（liàng）泵（bèng） 7 供油。液壓油（yóu）經過（guò）電磁比例換向閥 12 到達液壓雙缸 16 的無杆腔。有杆腔的液壓油經過二通插（chā）裝閥 13 及（jí）電磁比例換向閥 12 的 P 型機能，與低（dī）壓變量泵 7 的油液匯合（hé）流回（huí）液壓雙缸 16 的無杆腔中。同時，高壓泵1 向兩個高壓蓄能器 5 供油，使其充能，為下（xià）一次拉削作準（zhǔn）備。表（biǎo） 1 所示為高速拉床液壓係統主要技術參數。

2． 2 高速拉床液壓係統數學（xué）模型

本文（wén）研究（jiū）的（de）高速拉床（chuáng）液壓係統是通過電磁比（bǐ）例換向閥控製非對稱液壓缸（gāng）的運動方向，其基本模型為閥控非對稱缸模型。本文主要分（fèn）析高速拉床液壓係統拉削工作過程的動態。

表 1 高速拉床液壓係統主要技術參數（shù）

2． 3 高速拉床

AMESim 模型根據上述對（duì）高速拉床液壓係統的分析（xī），在拉削過程中，係統由（yóu）高（gāo）壓泵和兩（liǎng）個高壓蓄能器供（gòng）油，電磁比例（lì）換向閥處於左位，二通插裝閥的 A、B 口相通。高速拉床拉削過程的液壓係統 AMESim 模型如圖 3 所示。圖 3 中，使用液壓缸 8 來模擬（nǐ）拉床的主油缸，質量塊 9 模擬液壓缸活塞杆的等效質量。負載力（lì） 10 模擬拉削過程的拉削（xuē）力（lì）。按勻加速運動預估（gū）拉刀達到最大（dà）速度的時間（jiān）為 0． 2s，為（wéi）了便於觀（guān）察結果（guǒ），設（shè）置拉削（xuē）力在拉削開始 0． 3s 後用時 0． 02s 由 0 增（zēng）加到最大值100k N，保持最大值 0． 4s 後，用時 0． 03s 降為 0。根據實際物理（lǐ）模型，設置電磁比例（lì）換向閥 6 主閥（fá）頻響為120Hz; 質量塊 9 的質量為 850kg，其與水平方（fāng）向的角（jiǎo）度為 90°( 表示豎直（zhí）放置) ; 其他參數與液壓係統參數相（xiàng）同。根據軟（ruǎn）件設置習慣，設置仿真步長為 0． 001s，仿（fǎng）真時間為 1． 2s。

圖 3 高速拉床拉削過程的（de）液壓係統

AMESim 模型1．高壓蓄能器 2．電（diàn）動（dòng）機 3．高壓泵 4．溢流（liú）閥 5．壓力補（bǔ）償閥6．電（diàn）磁比例換向閥（fá） 7．插裝閥 8．液壓缸 9．質（zhì）量塊10．負載力 11．液壓油

2． 4 仿真結果分析

根據上述 AMESim 模型，在 AMESim 軟件中運行仿真，得到液壓（yā）缸進油腔壓力曲線( 如圖（tú） 4 所示) 、主溜板速度及位移曲線（xiàn）( 如圖 5 所（suǒ）示) 及主溜板的加速度曲線（xiàn）( 如圖（tú） 6 所示) 。從圖 4 中分析可知，係統啟動時，液壓缸進（jìn）油腔壓（yā）力峰值是正常空載壓力（lì）的近 3 倍，液壓缸壓力衝（chōng）擊大，會引起噪聲和振動，並給液壓缸密封元件帶來不利影響。拉削（xuē）開（kāi）始和結束時，液壓缸進油腔壓力瞬（shùn）間增大和瞬間減小，產生壓力衝擊和空穴現象（xiàng），均會影響液壓缸壽命。由圖 5 中分析（xī）可知:主溜板啟動不平（píng）穩，速度波動較大，會產生抖動; 速度波動時間長，達到（dào）穩定（dìng）速度的行程較長，為0． 162m，比預定的進刀行程（chéng） 100 mm，即 0 ． 1 m 長。拉削開（kāi）始（shǐ）時（shí），主溜板速度瞬（shùn）間降低，產生遲滯（zhì）現象（xiàng），使零件加工時產生鋸齒（chǐ）形切屑，材料的表麵粗糙度值增大（dà），尺寸精度降低，廢品率增加（jiā）。

拉削（xuē）結束時，主溜板速度瞬間增大，出現突跳，影響主溜板兩端的平衡，從而（ér）影響拉削精度。由圖 6 中分析可知: 係統啟動時，主溜板的瞬時加速度絕對值超過了 100m /s2，加速度過大會影響液壓x的密封（fēng）性能，甚至破壞拉床結構（gòu）;拉削開始和結（jié）束時，加速度波動幅度大，直接影響了拉削的穩定（dìng）性（xìng）。

圖 4 液壓缸進油腔壓力曲線

圖 5 主溜板速度及位移曲線

3、係統改進

3． 1 係統改進

由圖 4、圖（tú） 5 及圖 6 中分析可知，係統（tǒng）啟動時壓力衝擊較大，速度波動時間（jiān）長。係（xì）統中雖然有高壓蓄能401器，但是由於高壓蓄能器是動力源，不（bú）能吸收衝擊，所以拉削開始和結束時，速度波動（dòng）較大，影響拉削的尺寸精度。根據以上（shàng）分析，對液壓係統進（jìn）行（háng）改進，改（gǎi）進後的液壓係統如圖 7 所示。

圖 6 主溜板加速度

圖 7 改進後的液（yè）壓係統

1．高壓蓄能（néng）器 2．電動機 3．高壓泵 4．溢流閥 5．壓（yā）力補償閥6．電（diàn）磁比例換向閥 7．插裝閥 8．液壓油 9．低壓蓄能器 10．液壓缸11．位移傳感器 12．質量塊（kuài） 13．力傳感器 14．負載力 15． PID 控（kòng）製器

由於（yú）高速拉（lā）床液壓係統（tǒng）空載時液壓缸進油腔壓力遠小於拉削（xuē）時的壓力（lì），故在圖 7 中可以利用低壓蓄能器 9 吸收液壓缸啟動時的壓力衝擊。根據係統正常啟動後的空載（zǎi）壓力，設置低壓蓄能器的充（chōng）氣（qì）壓力（lì）為4MPa，工作壓（yā）力為 5MPa; 根據（jù）蓄能器吸收能量與超調能量相平衡的原則（zé），計（jì）算得到低壓蓄能器的體積（jī）為5L。係統處於拉削狀態時（shí），低壓蓄能器不（bú）能（néng）與主（zhǔ）油路連（lián）通，否則高壓（yā）係統會向低壓蓄能器充液，破壞低壓蓄能器，所以需要利用位移傳感器 11 反饋主溜板的位移來控製低壓蓄能（néng）器的（de）接入狀態。拉削開始及結束時，由（yóu）於負載力（lì）變化大且快，導（dǎo）致液（yè）壓（yā）缸速度波動大（dà），所以需要根據負載力的（de）變化補償主閥閥芯的（de）位移量，以滿足速度穩定所需的流量，故在係統中增加 PID 控製器 15。根據式( 9) 計算及試湊法可以得到，當 PID控製器中的比例係（xì）數 Kp= 3，積分（fèn）係數 Ki= 2，微分（fèn）係數 Kd= 10． 3 時（shí），係統狀態能達到最優。

3． 2 改進後係統仿真（zhēn）分析

仿真設置與改進前仿真設置保持一致。改進前後（hòu）液壓缸進油腔壓力對比曲線如圖 8 所示。

圖 8 改進前（qián）後液壓缸進油腔壓力對比

由圖 8 中分析（xī）可知，改進後係統（tǒng）啟動時，由（yóu）於低壓蓄能（néng）器吸收（shōu）衝擊，液壓缸進油腔壓力波動明顯減小，此時壓力峰值為 7． 33MPa，比（bǐ）改進前的峰值 13． 81MPa減（jiǎn）少了 6． 48MPa。相對正常空載（zǎi）壓力 4． 95MPa，波（bō）動幅度減少了 131． 1% ，從而使噪聲源明顯減弱。而且，波動時間短，改（gǎi）進後的係（xì）統，啟動 0． 032s 後壓力基本穩定，比改（gǎi）進前的 0． 172s 縮（suō）短了 0． 140s，可（kě）以使（shǐ）係統快速進（jìn）入穩定狀態。拉削開始和結束時，由於根據負載力變化對主（zhǔ）閥閥芯位移量進行了補償，液壓缸進油腔壓力波動明（míng）顯減小，拉削開始時進油腔（qiāng）壓力波動由（yóu）10． 5% 降為 4． 1% ，拉削結束時由 46． 5% 降為22． 1% ，可降低油液對液壓缸（gāng）的衝擊，增加（jiā）密封元件的壽（shòu）命。改進前後主溜板速度及位移對比如圖 9 所示。

圖 9 改進前（qián）後主溜板速度及位（wèi）移對比

由圖 9 中（zhōng）分析可知，改進後係統啟（qǐ）動平穩，速度基本無波動，位（wèi）移為 0． 079m 時，速度基本穩（wěn）定在1． 01m/501s 左右，達到穩定速度的行程小於預定的進刀行程100mm，即 0． 1m，給調整刀具留有一定空間。拉削開始後（hòu），在（zài） PID 控製下，將負載力的變化傳遞給主閥，增加主閥閥芯（xīn）的位移量，補償由於負載力增大產生的遲滯現象，使液（yè）壓缸（gāng）速度（dù）波動減小，此（cǐ）時的最低速度為0． 93m / s，波動幅度由原來的（de） 46． 6% 降（jiàng）為 9． 7% ，使拉削速度盡可能保持在高速拉（lā）削的範圍內，減小鋸齒形切屑形成的幾（jǐ）率，保證拉削的表麵質量。改進後的係統（tǒng），速度波動時間為 0． 102s，比改進前的（de）波動（dòng）時間0． 140s 大幅（fú）減小，減小（xiǎo）了主溜板的抖（dǒu）動時間。拉削結束時（shí），負載力突（tū）然減（jiǎn）小，PID 控製使主閥閥芯（xīn）位移量減小，從而減小液壓係統流量，避免液壓（yā）缸出現較明顯的突跳現象，這（zhè）階段波動行程約 0． 140m，小於預定的退刀（dāo）行（háng）程 150mm，即 0． 15m，使主溜板（bǎn）在停止前能平穩運行。改進前後主溜板加速度對比曲線如圖 10 所示。

圖 10 改進前後主溜板加速度對比

由圖 10 中分析可知，改進（jìn）前的主溜板啟動（dòng）加速度絕對值高（gāo）達 112． 86m/s2，而改進後的加速度降低了（le）一半，其絕對值最大為 52． 25m/s2，減小了對液壓缸（gāng）密封元件的衝（chōng）擊，可增（zēng）加密封元件的壽命。改進（jìn）前，拉削開始和結束時的加速度絕（jué）對值最大分別達到37． 76m / s2和 35． 73m/s2，而改進後（hòu）的加速度也都明（míng）顯降低，其絕（jué）對（duì）值最大分別為 17． 57m/s2和 25． 77m/s2，分別減小（xiǎo）了（le） 53． 5% 和 27． 9% ，增加（jiā）了拉削穩定性，減小了拉削速度的波動，使拉削（xuē）速度盡量保持在高速拉削的（de）範圍內，從而（ér）保證其（qí）表麵質量，減少廢品率。

4 、實驗驗（yàn）證（zhèng）

雖然仿真分析能在很大程（chéng）度上呈現出係統（tǒng）的（de）動態特性，但是仿真模型是將物理模型簡化和理想（xiǎng）化，並（bìng）作出（chū）一係列假設得到的，所以還需（xū）要用實驗驗證仿真結果的合理性（xìng）和正（zhèng）確性。利用 L55720 型機（jī）床進行改裝，組成了高速拉床實驗（yàn）樣機，如圖（tú） 11 所（suǒ）示。實（shí）驗以最大速度拉削 45 鋼為例，液壓缸進油（yóu）腔壓（yā）力與主（zhǔ）溜板速度（dù）實驗曲線分別如圖 12、圖（tú） 13 所示。將兩個曲線分別與（yǔ）圖 8、圖 9 的曲線對比經分析可（kě）知，整個拉（lā）削過程（chéng）中，液壓缸進油腔（qiāng）的壓力變化和主溜板速度變化趨勢均（jun1）與其對應的仿真結果基本一致。特別是在係統啟動、拉削開始和結束時，兩者的變化與其對應的（de）仿真結果基本一致，隻（zhī）是實驗的（de）波（bō）動幅度（dù）比仿真結果略大，這主要是因為仿（fǎng）真分析將（jiāng）液（yè）壓（yā）管路、液壓缸等理想化（huà），而實際情況並非如此。在平穩拉削過程中，液壓缸進油腔壓力和主溜板速（sù）度都有一定波（bō）動，這主要是由於拉削過程中實際拉削齒（chǐ）數量變化導致拉削力變化造成的，而仿真中則假（jiǎ）設拉（lā）削力不變。整體而言，仿真結果（guǒ）比較符合實（shí）際工況（kuàng），較（jiào）真實（shí）地反（fǎn）映了高速拉床在突變（biàn）負載工況下的動態特（tè）性。

圖 11 高速拉床實驗樣機

圖 12 液壓缸進油腔壓力（lì）實驗曲線

圖 13 主溜板速度實驗曲線

5、結語

1) 本文通過對高速拉床液壓係統仿真分析可知:係統啟動壓力波動大，波動時間長，不能快速（sù）進入穩定狀態; 拉削開始時速度降低較明顯，易產生鋸齒形切屑，影響（xiǎng）拉削精度; 拉削結束（shù）時，速度明（míng）顯上（shàng）升，出現突跳現象。

2) 對係統進行改進: 利用液壓缸行（háng）程反饋控製低壓蓄能器吸收係統（tǒng）啟動衝擊，能有（yǒu）效降低（dī）液壓缸進油（yóu）腔壓力波動、噪聲和振動，避免對液壓缸密封元件（jiàn）產生較大破壞，減小波動時間，使液壓缸快速（sù）穩定地達到預定速（sù）度，為拉削工作做好（hǎo）準備; 通過 PID 控製（zhì）將負載力的變化反饋（kuì）到主閥閥芯的位移上，使液壓係統的流量得到補（bǔ）償，降低液壓缸的壓力（lì）衝擊和速度波動。結果表明: 係統改進後，拉削開始（shǐ）時，速度波（bō）動明顯減小，速度基本保持在高速拉削的範圍內，可以避免產生鋸齒（chǐ）形切（qiē）屑，從（cóng）而保（bǎo）證拉削的尺寸精度和表麵質量，減少廢（fèi）品率; 拉（lā）削結束時，有效（xiào）減少了主溜板的（de）突跳現象，避免產生空穴現象而影（yǐng）響液壓缸密封元件（jiàn）的壽命。

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