仿形机构运行原理及分析.pdfVIP

1.引言

钢管钝边是否均匀是倒棱机加工质量好坏的重要指标，在钢管切削过程中，切削刀盘钢

管中心为轴线(X轴)，倒棱机车刀切削刃绕Z轴旋转成圆锥面。在理论状态下，忽略了钢管

直径、圆度、壁厚误差以及切削机床主轴跳动等因素，钢管近似认为是一个壁厚均匀的圆环。

倒棱加工即刀具与环形钢管表面相交，以螺旋前进的方式切割出一个均匀圆锥面，切割线与

钢管端面交线即为钢管钝边，如图1-1所示。在实际工业生产中，由于加工、运输等因素的

影响，钢管的圆度和直线度都会发生一定的变化，因此实际加工中钢管已经不是壁厚均匀的

环形管了，而是外径不规则的非圆柱面，如果继续按照理想状况进行切割，结果必然导致加

工质量不合格，加工效率低下。本文采用弹簧设计了浮动机构，使其能按照钢管实际加工尺

寸(虚线)运动，如图1-2所示，并对浮动机构建立数学模型，应用ADAMS仿真了线性弹簧

的力学规律，其所得的数据对加快倒棱机技术革新提供指导意义。

1-1加工样式实际加工路线1-2

2.切削原理改进

如果将固定切削模式抽象一个杆件系统，则固定刀座抽象成一个刚性梁结构，刀座和刀

盘抽成固定铰支座链接，其简图如图2-1所示，由于刀盘、刀座都是刚性系统，不受工件尺

寸的影响，所以加工过程中其走刀轨迹为既定轨迹。

要实现刀座的移动，使刀具随工件尺寸的变化随时变化加工轨迹就必须实现刀座的浮

动，对固定加工模型分析，将右端固定支座抽象成一个阻尼和弹簧，添加一个辊轮装置，在

浮动式切削刀座中，首先改变力的作用点，将原来作用在刀座上的外界载荷作用在辊轮上，

当钢管直径发生变化时，沿钢管表面滚动的辊轮由于运动轨迹发生变化，辊轮在浮动支撑结

构的作用下，带动刀座产生位移，只要保证辊轮能紧贴钢管表面滚动，则安装在浮动刀座上

的刀具跟随滚轮产生相应的位移，就能保证运动轨迹与钢管外径一致，如图2-2所示。

2-1固定切削模型浮动切削模型2-2

3.浮动刀座的数学建模

在倒棱加工中，切削刀具在钢管表面做相对滚动，如图3-1所示，刀具在切入钢管的瞬

间，刀具与钢管之间的静态、动态切削力和正压力都很大，导致刀具和钢管都会发生振动，

这是由动态切削力激发的工件与刀具之间的自激振动，在进行理论分析时，通常认为切削机

床的刚度很大，可以将刀具、工件、夹具等分别看成为不同的弹性系统，它们之间在动态切

削力的作用下相藕合，因此可以将浮动式刀座简化为具有两个自由度的阻尼振动系统。在建

立数学模型时，将刀杆的质量集中为一方块M，将辊轮机构的质量集中为方块m，则刀杆的

刚度可以看成刀杆的刚度系数，浮动机构连接在刀杆上，按照2-2所示，添加阻尼和弹簧组

成浮动机构，如图3-2所示。

单自由度切削运动图3-1简化数学模型图3-2

图3-2中：M-刀杆集中质量辊轮及其他支撑物质量m-刀杆的刚度系数K-

K-弹簧的弹性系数-C弹簧的阻尼系数

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为了研究此模型的受迫振动特性，在刀杆上施加一个外部载荷F，通过运动分析M和m

0

两个质量块的运动状态，可以分析模型中各个参数对M和m两个质量块运动状态的影响。建

立简化后系统的运动学公式：

iwt



MxCx-xKxxKxFe

111211210



mx-CxxKxx0

2112112

将其整理为矩阵形式：

xCCxKKKxiwt

M0