单储丝筒线切割机的切割线振动研究.pdf

单 储 丝 筒 线 切 割 机 的 切 割 线 振 动 研 究 张国庆赵则祥于贺春张 洪张楚鹏 中原工学院机电学院 河南郑州451191 摘要 分析单储丝筒线切割机在工作过程中切割线振动产生的原因 通过对导向轮转动惯量对切割线振 动的影响进行深入研究 建立了基于转动惯量分析的切割机走丝系统模型 并在M at l ab的Si m ul i nk 环境下对走丝系统进行了仿真 结果揭示了导向轮转动惯量和切割阻力对切割线振动的影响规律 关键词 线切割转动惯量切割线振动仿真 中图分类号 TH l l3 1 TP23文献标识码 A R esear chon cutt i ng w i revi br at ionfor singl e t ube w i resaw ZH A N GG uoqi ng ZH A OZexi ang Y U H echun ZH A N GH ong ZH A N GC hupeng School ofM echat ronics Engineer ing Z hongyuanU ni versi t yofTechnol ogy Zhengzhou451 191 C HN A bst ract Factors causi ng t he cut t i ng w i revi brat i oni nt he operat i on oft he si ngl e t ube w i resawareanalvzed Throughdeep researchoft he gui de w heel sont hevi brat i onof cut ti ngw i re t hew i re feedi ng m odelof t hew i resawisbuil tbasedont her ot at ional i nert ia anal ysi sm ethod andt hew i re feedi ngsvst emis sim ul ated byusi ng Si m ul i nkofM at lab T hesi m ul at edr esultshowest he i nfl uencer ul eoft her ot at ionali ner t i aoft he gui de w heel sandt he cut ti ng r esi stanceont he cut ti ng w i revi br ati on K eywords W i reCut t i ng Rot at i onal Iner t i a W i reV i brat i on Si m ul at i on 在对特殊晶体进行线切割加工时 切割线的振动 和切割方向的频繁改变会对晶体的切割精度造成很大 影响 切割线的振动主要由张力波动产生 而引起切 pr ecision妇ndingof aspheri c sur f aceswi thon m achi nem easur em ent J Inter nati onalJourna lofM achineTool sandM anuf actur e 2010 50 5 480 486 2 Tai nY K aw at aK D evel opm ent of hi ghef fi ci ency f i ne fi ni shi ngproces s usi ngm agnet i cfl ui d J A nnal s oft he C I R P 1984 33 1 217 220 3 U m eharaN Shibat aI Edam or aK N ewpol i shi ngm et hodw i t h m agen ti c congel at i onli quid J Jour nal of I nt ell i gent M at er i al Syst em s and Str uctur es 1999 10 8 620 623 4 张峰 张斌智 磁流体辅助抛光T件表面粗糙度研究 J 光学精密 T程 2005 13 1 34 39 5 K or donskiWl JacobsSD M agnetorheologi calfi ni shi ng J Int erna t ional Journal ofM odern Physi csB 1996 10 22 23 2837 2848 6 ShaiN John C A m agnet orheol ogi calpol i shi ngbasedapproach f or st udyi ngpreci si onm i cr ogroundsur facesoft ungst encarbi des J Preci sion Engi neeri ng 2006 31 2 83 93 7 Cheng HB Y amY W a ngYT Exper im entationonM Rf lui d usi nga2 一axisw heeltool J JournalofM at eri al s Proce ssi ngTechnol ogy 2009 209 12 13 52 54 郑州市科技创新团队 10C XTD l 53 囊碜糌 弋 i 矿 ul J牛弟Iu朋 割线张力波动的因素有很多 如匀速切割过程中切割 阻力的变化 变速切割过程中切割速度的大小和方向 的改变以及在整个切割过程中张力调节装置对切割线 8 唐恒宁 尹韶辉 陈逢军 等 磁流变斜轴抛光及其路径控制 J 制 造技术与机床 2009 11 32 35 9 康桂文 张飞虎 仇中军 精密磁流变抛光机床的研制 J 制造技术 与机床 2005 7 47 49 10 彭小强 戴一帆 李圣怡 磁流变抛光的材料去除数学模型 J 机 械工程学报 2004 40 4 67 70 11 周虎 李蓓智 陈少梅 光学元件的磁流变精密抛光实验分析 Jj 制造技术与机床 2009 11 16 19 12 吴鸿钟 冯之敬 赵广木 自由曲面光学镜误差修正加T中输入控 制量的算法 J 中国机械工程 2002 13 1 26 28 13 陈逢军 尹韶辉 朱科军 等 磁流变光整加工材料去除的二维建模 J 中国机械工程 2009 20 14 1647 1650 第一作者 陈逢军 男 1979年生 博士 研究方向 为超精密加工与控制 已发表论文20篇 编辑余捷 收稿R期 2013 03一 8 文章编号 1310ll 如果您想发表对本文的看法 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置 I主趣 特种柚Z技术 1而蕊丽百丽而亍丽而丽 的影响 对切割线的张力波动进行控制可以减小切割 线在工作过程中的振动 进而提高加工精度 张义兵 等人 1分析了张力锤结构对张力波动的影响 并设计 了一种对张力波动影响较小的控制系统 蒋近等 人 2o提出了减小张力摆杆结构对张力波动影响的方 法 并设计了基于相邻轴误差的多电动机同步控制系 统 黄洁等人旧 对张力的自适应控制方法进行了仿 真研究 设计了一种精度较高的张力控制算法 在目前已知的张力控制方法中 绝大多数是通过 控制非切割区域的张力来间接调节切割区域的张力 而由于切割线导向轮存在转动惯量 使得张力调节出 现迟滞 不能达到预期的效果 而针对导向轮转动惯 量对切割线振动的影响方面的研究 国内外尚未见报 道 本文建立了基于单储丝筒线切割机床走丝系统的 数学模型 推导出在切割阻力作用下切割线的长度及 弯曲角度的变化公式 在M at l ab的Si m ul i nk环境下建 立仿真模型 并运行求解 结果揭示了导向轮转动惯量 和切割阻力对切割线振动的影响规律 1走丝系统的总体结构 单储丝筒线切割机为单线切割 切割线为金属丝 或镀金刚石微粒金属丝 主要用于特殊晶体的切割 对 切割质量要求很高 图1为单储丝筒线切割机走丝系统的结构简图 绝大部分的切割线绕在储丝筒上 其余部分绕过张紧 轮 导向轮最后回到储丝筒 切割工件时储丝筒由电 动机带动旋转 张紧轮和导向轮在切割线的带动下同 时转动 由于受到工件带来的切割阻力的影响 两个导 向轮之间的切割线会发生弯曲 两个张力摆杆机构的 摆动角度随之改变 图1单储丝筒线切割机走丝系统筒图 2转动惯量对切割线振动的影响 轮2 保持不变 在匀速切割过程中 如果没有切割阻力 则 各导向轮和张紧轮的转速恒定且张力摆杆的摆动角度 不变 切割线的张力处处相等 走丝系统处于一个相对 稳定的状态 而由于两个导向轮之间的切割线在切割 工件时受到切割阻力 使得此段切割线的张力增大 大 于储丝筒与导向轮之间切割线的张力 导向轮由于受 力不均转速发生改变 两个导向轮之间的切割线的长 度增加 则储丝筒与导线轮之间的切割线的长度同时 减小 在不考虑各轮转动摩擦力和切割线重力的前提 下 如果张紧轮和导向轮的转动惯量为零 则两个导向 轮之间的切割线的张力变化能在瞬间传到储丝筒与导 向轮之间的切割线上 使得各处张力同时变化且处处 相等 由于转动惯量的存在 使得张力的传递出现了 迟滞 成为引起切割线振动的一个主要因素 3转动惯量的分析模型 3 1数学模型的建立与分析 为了分析转动惯量对切割线振动的影响 本文建 立了一个走丝系统的简化的模型 如图2所示 为简 化后期计算 模型中设定储丝筒与两个导向轮的直径 相等 用理想的恒力B 代替张力摆杆装置 B 作用在 储丝筒与导向轮之间切割线的中点上 方向垂直于储 丝筒与导向轮的中心连线 模型中将工件带来的切割 阻力简化为一个方向垂直向上的变力如 作用在 两个导向轮之间切割线的中点上 其大小模拟真实情 况下的切割阻力 储丝筒与导向轮的中心距记为L 两个导向轮之间的中心距记为 7 初始状态下 此模型中储丝筒和导向轮均静止 切 割阻力 为零 储丝筒与导向轮之间的切割线在恒力 R 的作用下达到最大弯曲程度 两个导向轮之间的线 无弯曲 切割线的张力处处相等 之后随着 的变 化 各段切割线的长度和张力均发生变化 导向轮l 由于储丝筒同时完成收放线工作 在假设切割线m 12走丝系统的模型筒图 不可延长的前提下 未被缠绕在储丝筒上线的总长度 38 导向轮2 固糌U R cul o 月l M 图3为储丝筒部分的分析示意图 图中线段A B 为储丝筒与导向轮1的公切线上的一段 A 点为切点 c点为切割线与储丝筒的切点 D点为恒力n的作用 点 储丝筒与导向轮间的切割线的拉力记为F 弧A C 为切割线缠绕在储丝筒上的部分 切割线线段CD 与 A B的夹角为O l 储丝筒的半径记为r 图3储丝筒部分的分析示意睡 图4为导向轮1部分的分析示意图 字符的定义 方法与图3类似 由于在此模型中 导向轮1与2的 受力情况相同 故本文中只对导向轮1做分析 图4导向轮部分的分析示意图 储丝筒与导向轮1的公切线的切点间的切割线的 长度为 20 r L 2 rsinot CO SO t 两个导向轮间的切割线的长度为 驴砂 等 式中 a和口的单位均为rad 适用于导向轮的转动惯量公式为 吉秆 使导向轮转动的力为 囝豢等等 弋专 ul o平弟 u删 F F r F 虿1 而FM一 面Fp 4 则导向轮转动的线加速度为 口 等 一1 Fu一 面Fem si nf l 5 口2了一 面J L 在此模型中 随着切割阻力 的变化 各部分切 割线的弯曲角度a和 3也会变化 设在t 时刻 d和 3 的大小分别为a 和危 导向轮的转速为秽 经过A t 时 刻之后 a和卢的大小分别为O t缸和卢舭设血为无穷 小 则在此段时间内 导向轮转动的弧长为 厶 啦t 础 啦Hzlm F 面M一 面Fe 舻 6 设在t 时刻 储丝筒与导向轮之间切割线的总长 度为 n 两个导向轮之间切割丝的总长度为L 到 时刻切割线的长度分别变为 m 和 则有 Ll血 L l 一A s 7 L2 I L2 一2A s 8 结合公式 1 2 7 8 可得 20t 墨二 竺生 墨二 竺 一 9 atr 2a r S 十 一 Ly C O SO A tCO SOt t 2 Ativ 4 等警瑚r 号笋化s 10 式 9 和 10 反映了导向轮的转动对切割线弯曲 角度的影响 而导向轮的转动规律由切割阻力 决 定 利用Sim ul ink的动态仿真功能可以得出在 作用 下的导向轮转动惯量对切割线振动的影响 3 2 Si m ul i nk仿真模型的建立与分析 根据式 6 9 10 建立的Si m ul i nk仿真模型 如图5所示 在此模型中设定输入的切割阻力及其他 相关参数 运行求解后即可得出导向轮转动惯量对切 割线振动的影响 4运行求解 1 4 1初始条件的设定 结合实际情况 在运行求解前将初始条件设定为 L 1 2r n L 1 0m r 0 1m m 0 1kg O rr 18 届 2 0 输入的是一个半周期正弦波 其振幅为20 频 率为1 1200 仿真求解时间为600 s 4 2仿真结果 Si m ul i nk模型运行后 各示波器输出的波形如图6 3 所示 由图6可以看出 导向轮在切割线的带动下其线 39 f E 酱 捌 暑 篁 4 000 2 000 n俐 一2000 4000 6 0000 0 0 2 E 0 015 音 碧o01 莓 0 005 0 1 6 O14 口O12 黑o 1 口O08 0 0 6 004 0 00 根据L2求解p 图5Si m ul i nk仿真模型示意图 朴1 200300400500600 时间 s a 导向轮转动线加 速度的仿真图 皿 h 0100 时问 S C 导向轮转动线 位移的仿真圈 前 E 世 嘲 鼎 L2 A s示波 SL E l2i l205 2 950 104 i 00200300400 时间 s b 导向轮转动线速度的仿真图 100200300400500600 时间 s d 赭蛙筒与导向 轮之间切割线长度L 的仿真闭 一 誊 0351 03 枷岫 H l lmlit l1 时间 8 e 储蛙倚与导向轮之间切 割线弯曲角度 的仿真圈 0 2 4t o15 4 刈 06100200300400500600 时间 s g 两个导向轮2 1切割线弯曲角度口的仿真圈 图6Si m ul i nk仿真结果图 加速度 线速度和线位移时刻发生着变化 同时两个导 线轮之间的切割线的弯曲角度届也在不断变化 角度 3的变化反映了切割线的振动情况 其变化趋势与切 割阻力的变化趋势大体一致 其幅值与导向轮质量近 40 似成反比关系 5 结语 时间 8 两个导向轮之间切割线长度L2的仿真图 1 导向轮转动惯量的存在是切割线在工作过程 弋 矿 型垒整查 丝 2013年第10期 o 埘 眦 山 邗 k M 室题 特种加工技术I O plC S Specl alM achl nm clechnoloqles 数 控 电 解 机 械 复 合 切 割 加 工 间 隙 研 究 干为民徐波褚辉生 江苏省数字化电化学加工重点建设实验室 常州工学院 常州江苏213002 摘要 根据电解加工平衡间隙理论 建立了数控电解机械复合切割加工的物理和数学模型 基于FLU ENT 软件分析得到数控电解机械复合切割加工的间隙内流场分布规律 根据间隙内流场分布规律优化设 计阴极 改善了流场分布 并以某一型号阴极为例进行试验研究 得到电压 主轴转速和电解液温度 等加工参数与加工间隙的影响规律 求得对应条件下最快平衡进给速度 为实际加工提供依据 关键词 电解机械复合切割加工间隙流场分析试验研究 中图分类号 TG 484文献标识码 B R esear chon gap charact eri st i csofN Cel ect rochem i calm echani cal com posit ecutt i ng G A NW ei m i n XUBo C H UH ui sheng JiangsuK eyLaborat ory of D i gi t al El ect rochem i cal M achi ning Changzhou I nsti t ut e of Technol ogy Changzhou213002 C H N A bst ract A ccor ding t oel ect rochem i cal m achininggap bal ance t heory t hephysi cal andm athem ati calm odel sw ere bui l t B as edonFLU EN Tsoftw are fl owfi elddi st r ibut i on r egul ar it y i nt he gap ofN Cel ect rochem i calm e chani cal com posi t ecut ti ng w as obtained A ccor di ng t ot hedi st r ibut i on regul ari t y t hecom posi t e cat hode w as opt i m i zat i ondesigned and t hefl owfi elddist r i but i onw as i m proved Taki ng acert ai n t ype ofcorn posi t e cat hodef oran exam pl e t es t s w er edonet o st udy on processi ngparam et er s of spi ndl espeed vol t age andel ect r ol yt et em per at ur e ont hei nfl uenceof gapform at ion and t he equi l i bri umcorrespondi ng fastestfeedrat ew asf ound Ther esul t s provi de abasi sf ort heactual process