基于2D阀控电液激振的振动拉削装置及其方法与流程

背景技术：

拉削可以加工成各种截面形状的通孔及各种特殊形状的外表面。由于拉削速度较低，拉削过程平稳，切削层厚度薄而均匀，因此可获得较高的加工精度及较小的表面粗糙度，拉刀的使用寿命也较长。拉削加工方法在成批和大量生产中得到广泛应用。近年来，在小批生产中具有一定精度的花键孔、键槽等都采用拉削。按照拉床主运动方向，拉削可分为立式和卧式；按照拉刀相对于工件位置，拉削可分为内拉和外拉。实现拉削作业的机床叫拉床，按照驱动方式，可分为液压拉床和机械拉床，本专利主要针对液压拉床。

日本公开了一种利用超声波振动辅助拉削加工键槽的专利，其思路是在连接主油缸和拉刀夹刀座上设置超声振动器，令拉刀中主运动方向产生额外的超声波振动，令叶片槽两侧实现同时高精度加工。振动拉削为新型拉削技术的开发提供了新的思路，但是相关文献报道鲜见报端。主要原因是超声波激振器产生的振动功率小，不能满足振动拉削的要求。本专利引入浙工大阮健教授提出的2D阀控电液激振器，其结构原理如图2所示(详见：阮健、李胜、裴翔等，2D阀控电液激振器，机械工程学报，2009，45(11)：125-132)，大幅度提高了激振频率，最高激振频率已达1250Hz，满足振动拉削的高频大推力微幅的激振需求。

技术实现要素：

本发明克服现有技术中拉削精度低及拉刀寿命短的问题，提供了基于2D阀控电液激振的振动拉削装置及其方法。

所述的基于2D阀控电液激振的振动拉削装置，包括液压卧式内拉床、2D阀控电液激振器及拉刀，液压卧式内拉床内部设有主油路，2D阀控电液激振器包括配合连接的2D激振阀和激振缸，其特征在于主油路与主油缸相连，主油缸缸筒安装在机床机构件上，主油缸活塞杆通过螺母固定在激振缸端盖上，激振缸端盖通过螺钉固定在激振缸缸筒上，激振缸活塞设置在激振缸缸筒内并与激振缸右侧出杆一端连接，激振缸右侧出杆另一端连接拉刀，主油缸、激振缸和拉刀串联连接，2D激振阀控制器电路与2D激振阀伺服控制器连接，PLC与2D激振阀伺服控制器连接，2D激振阀的阀芯具有旋转运动和轴向运动两个自由度，阀芯的旋转速度由交流伺服电机通过一对齿轮组进行控制，2D激振阀的阀芯台肩周向均与开设沟槽，其中相邻台肩上的沟槽相互错位，相邻沟槽的圆心角为θ，沟槽相互错位的错位角度为θ/2。

所述的基于2D阀控电液激振的振动拉削装置，其特征在于所述激振缸缸筒为双出杆油缸，由激振缸活塞分割成对称的左腔和右腔，激振缸活塞左侧连接激振缸左侧出杆，右侧连接激振缸右侧出杆，激振缸右侧出杆连接拉刀，激振缸左侧出杆不连接负载。

所述的基于2D阀控电液激振的振动拉削装置，其特征在于激振缸端盖上设有端盖沉孔，端盖沉孔的空间大于激振缸出杆行程。

所述的基于2D阀控电液激振的振动拉削装置，其特征在于激振缸缸筒为扁平状结构，且激振缸活塞的受力面积大于主油缸活塞的受力面积，激振缸与主油缸采用同一供油回路。

所述的基于2D阀控电液激振的振动拉削装置，其特征在于激振缸供油回路上连接溢流阀，提高供油压力。

所述的基于2D阀控电液激振的振动拉削装置的振动拉削方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将激振缸串联在拉床主油缸和拉刀之间；

2)将2D激振阀伺服控制器分别连接2D激振阀控制器电路与PLC；

3)将工件装夹在拉床的工作台上，同时拉刀复位；

4)由PLC向2D激振阀控制器发出脉冲，2D激振阀的阀芯在交流伺服电机的带动下开始运行；当阀芯在转动过程，转动至P口和A口沟通，B口和T口沟通时，激振缸左腔进油、右腔回油，激振缸活塞向右运动；当阀心旋转过θ/2角度时，P口和B口沟通，A口和T口沟通，激振缸右腔进油、左腔回油，液压缸活塞向左运动；当阀心在伺服电动机驱动下旋转时，激振缸活塞将作周期性的往复运动产生激振振动；

5)同时主油缸的主油路动作,带动主油缸运动，主油缸的主动运动与步骤4)的激振缸振动相叠加，带动拉刀做振动拉削运动，对工件进行拉削；

6)主油缸活塞杆带动主油缸活塞到达主油缸缸筒最左端时，拉削完成；主油缸信号器发出信号给PLC，PLC不再向2D激振阀伺服控制器发出脉冲，2D激振阀阀芯停止转动，阀芯处于中间位停止供油；

7)步骤6)拉削完成的工件下料，主油缸回程，拉刀复位，准备下一轮振动拉削。

所述的基于2D阀控电液激振的振动拉削装置的振动拉削方法，其特征在于振动拉削激振频率与激振缸固有频率比为0.1-0.2：1。

所述的基于2D阀控电液激振的振动拉削装置的振动拉削方法，其特征在于激振缸固有频率ω_h计算公式如式(1)所示：

${\mathrm{\ω}}_h=\sqrt{\frac{4{\mathrm{\β}}_e{A}_p}{m_t{v}_t}}---\left(1\right)$

其中：ω_h为固有频率，

β_e为体积弹性模量，

A_p为激振缸有效面积，激振缸缸筒围成的横截面积-活塞杆面积；

m_t-有效质量，激振缸活塞组件质量；

v_t-激振缸有效容积，左腔容积+右腔容积；

所述β_e为体积弹性模量，其计算公式如式(2)所示：

${\mathrm{\β}}_e=\frac{\mathrm{\Δ}P}{\frac{\mathrm{\Δ}v}{v}}---\left(2\right)$

其中：V为容器容积，ΔP在容积顶部施加的压力，Δv施压后容积压缩量。

所述的基于2D阀控电液激振的振动拉削装置的振动拉削方法，其特征在于激振缸除了要克服惯性力、粘性阻尼力，还要克服拉削力，考虑供油压力，激振缸的尺寸参数须满足如式(3)所示的动力学要求：

$\frac{({\mathrm{\φa}}^2-{\mathrm{\φb}}^2)\mathrm{\π}}{4}(p_1-p_2)-F_b=m\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dt}}^2}+B_c\frac{dy}{dt}+ky$

式中：φa为激振缸缸筒；φb为激振缸活塞杆；直径；p₁、p₂分别为激振缸左、右两侧腔体压力；m为负载质量；B_c为粘弹性阻力系数；k为弹性负载刚度；F_b为拉削力，式中的y为激振缸活塞杆位移。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1)本发明为了使激振缸的推力大于主油缸的推力，可以将激振缸缸筒设为扁平状结构扁平状结构，且与主油缸公用回路，使激振缸活塞受力面积大点；也可以给激振缸供油回路加溢流阀，增加供油压力，进而提高激振缸推力，达到激振缸的推力大于主油缸的推力的目的；

2)本发明通过在主油缸上串联了一个激振缸，使主油缸、激振缸和拉刀串联成一个整体，其目的是主运动(即拉削方向)施加主动振动，以达到降低拉削力、减少刀具磨损、提高拉削质量的目的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明液压卧式内拉床的结构示意图；

图3为本发明激振缸活塞杆向右运动工况结构示意图；

图4为本发明激振缸活塞杆向左运动工况结构示意图；

图中：1.床身，2.主刀夹座，3.主卡刀体，4.主溜板导轨，5.床台；6.工作台，7.工作台定心孔，8.辅溜板导轨，9.辅卡刀体，10.辅刀夹座，11.辅床身，12.底座，13-主油缸缸筒，14-主油缸活塞杆，15-螺母，16-激振缸端盖，17-螺钉，18-激振缸缸筒，19-激振缸活塞，20-激振缸右侧出杆，21-拉刀，22-工件，23-激振缸左侧出杆，24-2D激振阀，25-激振缸。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步的描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

如图1-2所示，本发明的基于2D阀控电液激振的振动拉削装置，包括液压卧式内拉床、2D阀控电液激振器及拉刀21；如图2所示，本发明所用的拉床为液压卧式拉床，它是由床身1、床台5、辅床身11、底座12、工作台6、主溜板导轨4、辅溜板导轨8、主刀夹座2、主卡刀体3、辅刀夹座10、及辅卡刀体9构成，工作台6为拉床的结构件，起支撑作用；主溜板导轨4、辅溜板导轨8分别安装在床身1和辅床身11上，主溜板、辅溜板是运动部件，主刀夹座2和主卡刀体3组成的装配体，辅刀夹座10和辅卡刀体组成装配体，分别安装在主溜板和辅溜板上；拉削时，工件通过夹具装夹在工作台6上，拉刀由主卡刀体3夹紧，随着主溜板在主溜板导轨上直线运动，完成对工件的拉削成形；辅卡刀体9在拉削过程中加紧拉刀尾部，随着拉刀运动，起护送作用；退刀后，附卡刀体松开，完成下一次加工的上料。该拉削过程中，主溜板的运动由主油缸驱动。拉床拉刀的运动是由液压系统控制。

所述液压卧式内拉床内部设有主油路，2D阀控电液激振器包括配合连接的2D激振阀24和激振缸25，主油路与主油缸相连，主油缸缸筒13安装在机床机构件上，主油缸活塞杆14通过螺母15固定在激振缸端盖16上，激振缸端盖16通过螺钉17固定在激振缸缸筒18上，激振缸活塞19设置在激振缸缸筒18内并与激振缸右侧出杆20一端连接，激振缸右侧出杆20另一端连接拉刀21，主油缸、激振缸和拉刀21串联连接，2D激振阀控制器电路与2D激振阀伺服控制器连接，PLC与2D激振阀伺服控制器连接，2D激振阀24的阀芯具有旋转运动和轴向运动两个自由度，阀芯的旋转速度由交流伺服电机通过一对齿轮组进行控制，2D激振阀24的阀芯台肩周向均与开设沟槽，其中相邻台肩上的沟槽相互错位，相邻沟槽的圆心角为θ，沟槽相互错位的错位角度为θ/2；除了主油缸缸筒13和工件22固定在机床结构件上外，该机构其余部分均为运动件，该机构的运动包括主油缸活塞杆14相对于主油缸缸筒13的伸缩运动、激振缸25的活塞杆相对于激振缸缸筒18的高频往复振动，以及在主油缸和激振缸25联合作用下，拉刀21相对于工件22的直线运动，其中主油缸为主驱动部件，而激振缸为产生微幅高频振动的驱动部件。拉削时，主油缸收缩，同时激振缸25高频振动，完成拉刀对工件的拉削加工。

本发明所用的激振缸缸筒18为双出杆油缸，由激振缸活塞19分割成对称的左腔和右腔，激振缸活塞19左侧连接激振缸左侧出杆23，右侧连接激振缸右侧出杆20，激振缸右侧出杆20连接拉刀21，激振缸左侧出杆23不连接负载，激振缸端盖16上设有端盖沉孔，端盖沉孔空间依据激振缸出杆行程而定，实际过程中端盖沉孔的空间大于激振缸出杆行程。

如图1-4所示，本发明基于2D阀控电液激振的振动拉削装置的振动拉削方法，包括如下步骤：

1)将激振缸25串联在拉床主油缸和拉刀21之间；

2)将2D激振阀伺服控制器分别连接2D激振阀控制器电路与PLC；

3)将工件22装夹在拉床的工作台上，同时拉刀21复位；

4)由PLC向2D激振阀控制器发出脉冲，2D激振阀24的阀芯在交流伺服电机的带动下开始运行；当阀芯在转动过程，转动至P口和A口沟通，B口和T口沟通时，激振缸左腔进油、右腔回油，激振缸活塞19向右运动；当阀心旋转过θ/2角度时，P口和B口沟通，A口和T口沟通，激振缸25右腔进油、左腔回油，液压缸活塞19向左运动；当阀心在伺服电动机驱动下旋转时，激振缸活塞19将作周期性的往复运动产生激振振动；

5)同时主油缸的主油路动作,带动主油缸运动，主油缸的主动运动与步骤4)的激振缸振动相叠加，带动拉刀21做振动拉削运动，对工件22进行拉削；

6)主油缸活塞杆14带动主油缸活塞到达主油缸缸筒13最左端时，拉削完成；主油缸信号器发出信号给PLC，PLC不再向2D激振阀伺服控制器发出脉冲，2D激振阀阀芯停止转动，阀芯处于中间位停止供油；

7)步骤6)拉削完成的工件22下料，主油缸回程，拉刀21复位，准备下一轮振动拉削。

本发明的激振缸虽然是提供振动，但是还是要避免油缸本身的固有频率的振动，因为该振动不可控，一般，要求设计的激振频率小于该值的五分之一，优选振动拉削激振频率与激振缸固有频率比为0.1-0.2：1，如要求振动拉削激振频率为100Hz，则激振缸自然频率最好500Hz以上，激振缸固有频率ω_h计算公式如式(1)所示：

${\mathrm{\ω}}_h=\sqrt{\frac{4{\mathrm{\β}}_e{A}_p}{m_t{v}_t}}---\left(1\right)$

其中：ω_h为固有频率，

β_e为体积弹性模量，

A_p为激振缸有效面积，激振缸缸筒围成的横截面积-活塞杆面积(指活塞杆及活塞横截面面积，左右出杆的直径相同，因此横截面积也相同)；

m_t-有效质量，激振缸活塞组件质量(包含活塞和左右出杆全部质量、拉刀及连接件质量)；

v_t-激振缸有效容积，左腔容积+右腔容积；

所述β_e为体积弹性模量，其计算公式如式(2)所示：

${\mathrm{\β}}_e=\frac{\mathrm{\Δ}P}{\frac{\mathrm{\Δ}v}{v}}---\left(2\right)$

其中：V为容器容积，ΔP在容积顶部施加的压力，Δv施压后容积压缩量。

激振缸除了要克服惯性力、粘性阻尼力，还要克服拉削力，考虑供油压力，激振缸的尺寸参数须满足动力学要求，本发明可以将激振缸缸筒18为扁平状结构，且激振缸活塞19的受力面积大于主油缸活塞的受力面积，激振缸与主油缸采用同一供油回路；也可以在激振缸供油回路上连接溢流阀，提高供油压力，即使激振缸活塞受力面积小于主油缸活塞受力面积，还是可以满足上述激振缸的推力要求，而且由于2D阀高频切换，虽然油压高容易引起泄漏，但是也可缓减漏油情况，动力学要求如式(3)所示：

$\frac{({\mathrm{\φa}}^2-{\mathrm{\φb}}^2)\mathrm{\π}}{4}(p_1-p_2)-F_b=m\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dt}}^2}+B_c\frac{dy}{dt}+ky$

式中：φa为激振缸缸筒，φb为激振缸活塞杆直径；p₁、p₂分别为激振缸左、右两侧腔体压力；m为负载质量；B_c为粘弹性阻力系数；k为弹性负载刚度；F_b为拉削力，式中的y激振缸活塞杆位移。