刀具磨損自動補(bǔ)償精密鏜削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究*

黃 娟 肖鐵忠 高 靜 羅 靜

(①四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽618000;②重慶理工大學(xué)汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400054)

隨著加工技術(shù)向微米、納米級別的發(fā)展，機(jī)械加工領(lǐng)域的精度要求越來越高。傳統(tǒng)超精密機(jī)床主要靠提高機(jī)床主軸、導(dǎo)軌、絲杠、微進(jìn)給機(jī)構(gòu)等基礎(chǔ)元部件的精度來提高加工精度，但是現(xiàn)有基礎(chǔ)上再提高其精度已變得十分困難［1］;現(xiàn)在超精密加工更多采用的是對工件加工精度實(shí)時(shí)測量并通過微位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)進(jìn)行誤差補(bǔ)償［2］。而刀具磨損是影響加工精度的重要因素之一。開發(fā)超高精度的加工技術(shù)已成為加工領(lǐng)域的重要任務(wù)之一，工件加工精度要求越高，刀具磨損帶來的影響越大。要達(dá)到提高加工精度的目的，解決刀具磨損對加工精度的影響，需要設(shè)計(jì)能對刀具刀刃位置進(jìn)行微米、亞納米或納米級調(diào)整的刀具磨損裝置。壓電陶瓷驅(qū)動器因具有體積小、驅(qū)動電壓低、響應(yīng)快、位移分辨率高、不發(fā)熱、無噪聲等特點(diǎn)，是微位移機(jī)構(gòu)中應(yīng)用最廣的驅(qū)動元件之一［3-4］。本文以某缸孔精鏜刀具為例，利用壓電陶瓷作為驅(qū)動元件，設(shè)計(jì)對刀具磨損進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)奈⑽灰茩C(jī)構(gòu)。

1 微位移自動補(bǔ)償鏜削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 鏜削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的鏜削刀具針對某汽車發(fā)動機(jī)缸體缸孔精加工工序，缸孔尺寸精度及形位誤差要求均較高，刀具在加工時(shí)因磨損而使其精度較難維持，需要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理的自動補(bǔ)償?shù)毒?，?shí)現(xiàn)刀具磨損補(bǔ)償，保證加工質(zhì)量。設(shè)計(jì)的精鏜刀具如圖1所示，精鏜刀1完成缸孔的精鏜，倒角刀6完成缸孔頂部的45°倒角，當(dāng)?shù)度形恢媚p達(dá)到一定值時(shí)，微位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)2自動完成刀片的徑向位移，實(shí)現(xiàn)刀具磨損的自動補(bǔ)償，保證產(chǎn)品加工質(zhì)量。

1.2 微位移自動補(bǔ)償機(jī)構(gòu)

微位移機(jī)構(gòu)一般由控制系統(tǒng)、微動機(jī)構(gòu)及檢測裝置組成［5］。微動機(jī)構(gòu)是指行程在毫米范圍內(nèi)，精度及靈敏度在微米、納米級的機(jī)構(gòu)。微位移機(jī)構(gòu)根據(jù)形成微位移的驅(qū)動機(jī)構(gòu)可分為機(jī)械式和機(jī)電式兩大類［6］，如圖2所示。

機(jī)械式微位移機(jī)構(gòu)是傳統(tǒng)的在精密機(jī)械及儀器中應(yīng)用最為廣泛的機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)因存在機(jī)械間隙、磨損及爬行現(xiàn)象等缺陷，其運(yùn)動精度及靈敏度均不高，無法應(yīng)用于高精度與超高精度場合，一般在中等精度場合應(yīng)用較多;機(jī)電式微位移機(jī)構(gòu)是近年發(fā)展起來的，也是目前在精密、超精密機(jī)械及儀器中應(yīng)用最為廣泛的新型微位移器件。

本文設(shè)計(jì)的微位移機(jī)構(gòu)應(yīng)用于某缸孔精密鏜削刀具刀刃的磨損補(bǔ)償，鏜削刀具尺寸小、安裝空間狹窄、加工精度要求高，因而要求補(bǔ)償機(jī)構(gòu)應(yīng)具有尺寸小、安裝方便、不發(fā)熱、位移精度高等特點(diǎn)。綜上分析，本課題選擇壓電陶瓷作為微位移機(jī)構(gòu)的驅(qū)動元件。

微位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)如圖3所示，圓管狀壓電陶瓷1的內(nèi)外壁作為電極，當(dāng)其通以正向電流時(shí)，壓電陶瓷1伸長，推動方形楔塊2、圓柱楔塊3徑向移動，使精鏜刀4克服壓板彈簧5的壓力完成徑向補(bǔ)償，然后接入反向電流，壓電陶瓷收縮，圖示方形楔塊2的下端出現(xiàn)間隙，方形楔塊向圖示的左邊移動消除間隙。如此對壓電陶瓷1通以正反向電流實(shí)現(xiàn)刀具的徑向補(bǔ)償。

2 位移特性分析

在利用壓電陶瓷做驅(qū)動器的微位移機(jī)構(gòu)中，在加工過程中必須考慮切削力對壓電陶瓷的影響。采用圖4所示的坐標(biāo)系對切削力進(jìn)行估算，切削力計(jì)算的指數(shù)公式為:

式中:CFX、CFY、CFZ為由被切削材料與切削條件共同決定的系數(shù);xFX、xFY、xFZ，yFX、yFY、yFZ，nFX、nFY、nFZ分別為公式中背吃刀量ap，進(jìn)給量f，刀具切削線速度v的指數(shù);KFX、KFY、KFZ分別為3個(gè)分力計(jì)算式中當(dāng)實(shí)際加工條件與求經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)的條件不符時(shí)，各種因數(shù)對切削分力修正系數(shù)的積。

精鏜時(shí)，切削用量參數(shù)為:ap=0.1 mm，v=400 m/min，f=0.1 mm/r，通過參數(shù)查找并計(jì)算，得到精鏜時(shí)刀刃位置的力為:切向力FX=18 N，徑向力FY=9 N，軸向力FZ=6 N。

壓電陶瓷是具有有限剛度的彈性體，在壓力的作用下會使其產(chǎn)生位移。由壓電陶瓷的特性可知，在運(yùn)動過程中，壓電陶瓷如受到恒定的載荷，將產(chǎn)生一定的零點(diǎn)偏移，但是不影響通電時(shí)輸出的幅值，同理，如受彈性壓力也會產(chǎn)生一定的零點(diǎn)偏移，但不影響輸出幅值［1，7］。壓電陶瓷受力后產(chǎn)生的位移可表示為:

式中:ΔL為零點(diǎn)位移，μm;F為壓電陶瓷所受的力(變力或恒力)，N;Kr為壓電陶瓷的剛度，N/μm。

本文設(shè)計(jì)的鏜削結(jié)構(gòu)針對某缸體缸孔的精鏜加工工序，切削參數(shù)確定，刀片所受的各向力可視為恒力。當(dāng)F為恒力時(shí)，其電壓位移特性曲線將發(fā)生零點(diǎn)偏移，如圖5所示。

圖中ΔL為零點(diǎn)位移，L0、L1分別表示壓電陶瓷不受力與受力時(shí)的電壓位移特性曲線?？芍?，實(shí)際加工時(shí)，只需考慮受力帶來的零點(diǎn)偏移即可。

3 鏜桿有限元分析

3.1 鏜桿幾何模型及有限元模型的建立

3.1.1 幾何模型的建立

為了分析的便利，對鏜桿模型進(jìn)行簡化:忽略倒角、倒圓等對分析結(jié)果影響不大的細(xì)部結(jié)構(gòu)［8］。簡化后鏜桿模型如圖6所示。

3.1.2 材料屬性

鏜桿采用40Cr，其材料屬性為:彈性模量E=211 GPa(20℃)，密度為7 900 kg/m3，泊松比為0.28。

3.1.3 網(wǎng)格劃分

本文利用HyperMesh軟件對鏜桿進(jìn)行有限元分析，在此軟件中三維實(shí)體單元網(wǎng)格以四面體、六面體及多面體單元為主［9］。本文采用的是四面體單元。網(wǎng)格劃分的基本過程是先在實(shí)體表面上生成二維網(wǎng)格，然后通過“擠壓”的方式生成實(shí)體網(wǎng)格單元。采用此方法劃分網(wǎng)格的鏜桿有限元模型如圖7。

3.2 鏜桿靜動態(tài)特性分析

3.2.1 鏜桿靜態(tài)分析

鏜桿工作時(shí)的受力已在前面求出，將鏜桿凸臺處的4個(gè)沉頭孔進(jìn)行約束(鏜桿與主軸是剛性連接)，分別在鏜削刀及倒角刀處添加力及扭矩后，求解得到鏜桿工作受力最大時(shí)的瞬時(shí)位移變形云圖，如圖8。

鏜桿靜力分析位移變形統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 鏜桿靜力分析位移統(tǒng)計(jì)表

鏜桿所示的坐標(biāo)系中，Z向與Y向的位移變形會影響缸孔精鏜時(shí)缸孔的圓度與圓柱度的精度，是鏜孔時(shí)的誤差敏感方向，其Z向與Y向位移引起缸孔圓度與圓柱度原始誤差經(jīng)計(jì)算為Δ=0.347μm，即鏜桿原始誤差遠(yuǎn)小于缸孔圓度及圓柱度精度要0.008 mm，知鏜桿剛度滿足工藝系統(tǒng)剛度要求。

3.2.2 鏜桿動態(tài)分析

對鏜桿進(jìn)行加載約束分析，得到的前六階固有頻率，文中只給出鏜桿的前兩階固有頻率云圖，如圖9。

鏜桿前六階固有頻率及振型統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 鏜桿前六階固有頻率及振型統(tǒng)計(jì)表

由表2可知，最小固有頻率為934.982 Hz，遠(yuǎn)大于機(jī)床工作轉(zhuǎn)速1 944 r/min引起的激振頻率32.4 Hz，在機(jī)床正常工作時(shí)不會出現(xiàn)共振的情況，鏜桿滿足動態(tài)使用要求。

4 鏜削結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

圖10為設(shè)計(jì)的鏜削結(jié)構(gòu)在某專用鏜床上的應(yīng)用，通過機(jī)床的成功開發(fā)，并對缸體缸孔進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過實(shí)測，缸孔的尺寸精度與形位精度均達(dá)到或超過了企業(yè)的設(shè)計(jì)要求。鏜削結(jié)構(gòu)在專機(jī)上應(yīng)用1年多以來，各項(xiàng)性能均保持良好，大大縮短了輔助時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，為企業(yè)節(jié)約了成本，創(chuàng)造了較高的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

(1)設(shè)計(jì)了某缸孔精加工刀具磨損自動補(bǔ)償鏜削結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償位移精度為±1μm，行程為0.1 mm。

(2)分析了微位移機(jī)構(gòu)的位移特性，在精加工時(shí)需要考慮恒定徑向切削力對自動補(bǔ)償機(jī)構(gòu)位移的影響;對整個(gè)鏜削結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)特性做了分析，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)滿足使用要求。

(3)所設(shè)計(jì)的鏜削結(jié)構(gòu)在某專用鏜床上使用1年多以來，各項(xiàng)精度保持良好，生產(chǎn)效率提高了近30%，生產(chǎn)成本降低了將近兩成，為企業(yè)帶來了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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