基于射流支撐的細(xì)長(zhǎng)軸加工誤差補(bǔ)償設(shè)計(jì)

基于射流支撐的細(xì)長(zhǎng)軸加工誤差補(bǔ)償設(shè)計(jì)

盧曉艷

(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 無(wú)錫214153)

摘要：針對(duì)低剛度細(xì)長(zhǎng)軸在加工過(guò)程中因切削力而產(chǎn)生的變形尺寸誤差，文章設(shè)計(jì)了一種以切削液為介質(zhì)的射流作為細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削的隨動(dòng)柔性輔助支撐新的加工方法。最后，對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸在有無(wú)水射流輔助支撐作用下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。結(jié)果表明，水射流輔助支撐可很好的減小細(xì)長(zhǎng)軸加工誤差，為提高細(xì)長(zhǎng)軸的加工質(zhì)量提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：細(xì)長(zhǎng)軸；變形；射流支撐；補(bǔ)償

文章編號(hào)：1001-2265(2015)09-0020-04

收稿日期：2014-11-18；修回日期：2014-12-24

作者簡(jiǎn)介：盧曉艷 (1979—)，女，河北易縣人，江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向?yàn)槟嫦蚬こ碳夹g(shù)、CAD/CAM/CAE，(E-mail) luxiaoyan1979@yeah.net。

中圖分類(lèi)號(hào)：TH16 ；TG54

Error Compensation Design in Slender ShaftMachining Based on Jet Supportor

LU Xiao-yan

(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangsu College of Information Technology, Wuxi Jiangsu 214153, China)

Abstract：For the rebound deformation error of low stiffness elongate shaft generated by the cutting force during the process of cutting, a new machining method is proposed which is using the jet to work as flexible supportor for slender shaft turning. Finally, experiments on the slender shaft in anhydrous jet assisted support are carried out and compared and analysed. The results showed that, water jet assisted support can well reduce the machining error of slender shaft, providing theoretical guidance to improve the quality of the slender shaft.

Key words： slender shaft; deformation; jet supportor; compensation

0引言

在車(chē)床上加工的零件一般都是回轉(zhuǎn)體零件，而軸類(lèi)零件是經(jīng)常遇到的典型零件，細(xì)長(zhǎng)軸本身剛性差，其長(zhǎng)度與直徑比一般大于25(L/d(25)，且L/d的值越大，剛性越差。細(xì)長(zhǎng)軸雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在加工時(shí)受到切削力的作用極易產(chǎn)生切削變形與切削振動(dòng)，造成較大的加工誤差，影響加工精度和加工質(zhì)量[1]。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)零件加工精度和加工質(zhì)量的要求越來(lái)越高，而細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削的加工是機(jī)械加工中的難點(diǎn)，如何有效的提高細(xì)長(zhǎng)軸的加工質(zhì)量，解決細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削加工難題顯得尤為重要，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家和技術(shù)人員對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸加工做了大量研究。Shawky[2]為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)長(zhǎng)軸的壁厚利用超聲波原理設(shè)計(jì)了傳感器，對(duì)車(chē)刀的位置進(jìn)行反饋并加以調(diào)節(jié)，來(lái)提高細(xì)長(zhǎng)軸的加工質(zhì)量。Choudhury[3]等針對(duì)刀具設(shè)計(jì)了在線振動(dòng)檢測(cè)及減振系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)中的光纖傳感器將測(cè)量到的刀具相對(duì)于工件的變化位移傳遞給振動(dòng)控制組件產(chǎn)生力來(lái)減小這種變化以減少振動(dòng)。S.C Lin[4]等設(shè)計(jì)了一套振動(dòng)檢測(cè)及減振系統(tǒng)，該系統(tǒng)由振動(dòng)檢測(cè)子系統(tǒng)和減振子系統(tǒng)2個(gè)子系統(tǒng)組成，振動(dòng)檢測(cè)子系統(tǒng)將檢測(cè)到的工件振動(dòng)信號(hào)發(fā)送給對(duì)應(yīng)的減振子系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)切削用量進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)減少振動(dòng)。鄧志平[5]通過(guò)ANSYS有限元法對(duì)雙刀車(chē)削的細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削加工精度進(jìn)行仿真分析，并通過(guò)試驗(yàn)獲取有無(wú)雙刀車(chē)削加工的數(shù)據(jù)，表明采用雙刀車(chē)削加工方法可以有效的提高零件加工精度。

本文對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸加工誤差進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種以切削液為介質(zhì)的射流作為細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削的輔助支撐的新切削加工方法，并利用實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)，繪制細(xì)長(zhǎng)軸的直徑誤差對(duì)比圖。結(jié)果表明：采用射流輔助支撐技術(shù)可以有效的提高細(xì)長(zhǎng)軸加工誤差的問(wèn)題。

1細(xì)長(zhǎng)軸加工誤差分析

在車(chē)削加工過(guò)程中，切削力可以分解為軸向切削力Fx、主切削力Fz、背向力Fy，三者都會(huì)在各自的方向上引起細(xì)長(zhǎng)軸產(chǎn)生彎曲變形，如圖1所示。

普通軸類(lèi)零件車(chē)削時(shí)產(chǎn)生的尺寸加工誤差主要是由車(chē)刀及工件的偏移一起造成的，對(duì)于細(xì)長(zhǎng)軸來(lái)說(shuō)，其尺寸誤差主要由工件加工時(shí)產(chǎn)生的彎曲變形造成。在車(chē)削加工中，軸向切削力Fx是在細(xì)長(zhǎng)軸x方向的分力，對(duì)徑向變形的影響較小，一般可以忽略；背向力Fy與主切削力Fz是在細(xì)長(zhǎng)軸y、z方向的分力，并使細(xì)長(zhǎng)軸在y、z方向產(chǎn)生彎曲變形，對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸的加工精度會(huì)有直接影響，是造成加工誤差的主要原因。

如圖2是細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削時(shí)產(chǎn)生尺寸誤差的過(guò)程，dw為細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削前的尺寸，de為車(chē)削后的實(shí)際尺寸，dm為車(chē)削后的理論尺寸，ap為背吃刀量。

圖1　車(chē)削時(shí)合力及其分力

1.車(chē)削前的細(xì)長(zhǎng)軸的位置 2.車(chē)削時(shí)的細(xì)長(zhǎng)軸的位置 3.細(xì)長(zhǎng)軸的理論位置

圖2車(chē)削時(shí)尺寸誤差的產(chǎn)生

細(xì)長(zhǎng)軸本身的剛性很差，在加工過(guò)程中易受背向力Fy與主切削力Fz的影響，其在y、z方向產(chǎn)生彎曲變形分別為Δy、Δz，即細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削后的實(shí)際直徑de為：

(1)

(2)

下面將細(xì)長(zhǎng)軸變形分解在兩個(gè)方向，且互相垂直，對(duì)彎曲變形引起的加工誤差進(jìn)一步分析，如圖3所示。

圖3　各個(gè)方向引起的誤差

圖3a中，大圓2表示在背向力Fy作用下車(chē)削后細(xì)長(zhǎng)軸直徑，小圓1表示在背向力Fy作用下的理論加工直徑；圖3b中，大圓2表示在主切削力Fz作用下車(chē)削后細(xì)長(zhǎng)軸直徑，小圓1表示在背向力Fz作用下的理論加工直徑。

圖3a中的尺寸誤差為:

Δdy=2Δy

(3)

圖3b中，由于Δy和Δz相差不大，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于dm，則此時(shí)的尺寸誤差為

(4)

由式(3)、(4)可知，由Δy導(dǎo)致的Δdy遠(yuǎn)大于Δz導(dǎo)致的ΔdZ，Δy為背向力Fy導(dǎo)致的尺寸誤差，即通過(guò)上述的分析，可以得出背向力Fy是導(dǎo)致細(xì)長(zhǎng)軸彎曲變形的主要因素。

2細(xì)長(zhǎng)軸射流支撐補(bǔ)償設(shè)計(jì)

細(xì)長(zhǎng)軸加工過(guò)程中，由于切削力的作用細(xì)長(zhǎng)軸會(huì)發(fā)生彎曲變形，從而引起加工誤差[6]。采用鏡像誤差補(bǔ)償原理，即為射流產(chǎn)生一個(gè)和切削力相位差180°的沖擊力波形以抵消切削力，由此提高零件的工藝剛性，減小零件變形，抑制工藝系統(tǒng)的振動(dòng)。水射流噴射裝置通過(guò)夾具固定并且使其和機(jī)床車(chē)刀同步運(yùn)動(dòng)，從而保證切削力和射流沖擊力相位差180°。細(xì)長(zhǎng)軸桿徑方向受到的合力為切削力和射流沖擊力之差，沖擊力通過(guò)控制射流供壓壓力容易進(jìn)行控制。通過(guò)調(diào)節(jié)供壓壓力使射流沖擊力大小等于切削力大小，因此桿徑方向受到的合力可顯著減小。圖4為細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削射流輔助支撐實(shí)驗(yàn)裝置，主要由射流發(fā)生裝置、切削力測(cè)量裝置及夾具裝置等組成。

圖4　細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削射流輔助支撐實(shí)驗(yàn)裝置

3細(xì)長(zhǎng)軸射流支撐加工模型及力學(xué)分析

3.1射流輔助支撐車(chē)削模型

細(xì)長(zhǎng)軸加工過(guò)程中，由于切削力的作用使細(xì)長(zhǎng)軸產(chǎn)生彎曲變形，從而引起加工誤差[7-8]。采用鏡像誤差補(bǔ)償原理，即車(chē)刀和射流噴嘴對(duì)稱分布，射流可以產(chǎn)生一個(gè)和切削力相位差180°的沖擊力以抵消切削力，由此提高細(xì)長(zhǎng)軸的工藝剛性，減小細(xì)長(zhǎng)軸變形，抑制工藝系統(tǒng)的振動(dòng)，射流輔助支撐車(chē)削基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　射流輔助支撐車(chē)削結(jié)構(gòu)

3.2射流輔助支撐車(chē)削力學(xué)分析

在車(chē)削加工過(guò)程中，切削力可以分解為軸向切削力Fx、主切削力Fz、背向力Fy，三者都會(huì)在各自的方向上引起細(xì)長(zhǎng)軸產(chǎn)生彎曲變形。由上述分析可知，背向力Fy對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸加工精度的影響最大[9-10]。

細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削時(shí)，常采用一頂一夾的裝夾方式，其一端采用三爪卡盤(pán)夾緊，另一端采用頂針支承，完成細(xì)長(zhǎng)軸在車(chē)床上的定位與夾緊，根據(jù)約束情況，可以將系統(tǒng)簡(jiǎn)化為超靜定梁?jiǎn)栴}建模，射流輔助支撐車(chē)削模型受力簡(jiǎn)圖如圖6所示，其中L為細(xì)長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度；a為刀具到固定端A的距離；F1、F1x分別為車(chē)刀受到背向力和軸向力；F2為射流沖擊力；FBy為支座的約束反力；MA為A處的彎距。

圖6　射流輔助支撐車(chē)削力學(xué)模型

射流輔助支撐車(chē)削加工時(shí)使細(xì)長(zhǎng)軸發(fā)生彎曲變形的力主要是背向力F1與射流沖擊力F2的合力。根據(jù)切削力的經(jīng)驗(yàn)公式[11-12]，背向力的表達(dá)式為：

Fy= 9.81CFyapxFyfyFyυcnFyKFy

(5)

式中，ap為刀具背吃刀量；f為進(jìn)給量；vc為切削速度；CFy為工件材料和切削條件對(duì)背向力Fy的影響系數(shù)；XFc、YFp、YFx、YFy、nFc、nFp分別為公式中，切削深度、每齒進(jìn)給量和切削速度的指數(shù)；KFy為實(shí)際加工條件與經(jīng)驗(yàn)公式中切削條件不同時(shí)，各種因素對(duì)背向力Fy影響的修正系數(shù)之乘積。

(6)

式中：w為B處的垂直撓度。

(7)

(8)

(9)

式中：E為彈性模量；I為慣性矩。

根據(jù)(5)~(9)，得到：

(10)

根據(jù)靜力平衡方程∑Fy=0，得到：

FAy=F1-F2-FBy

(11)

根據(jù)靜力平衡方程∑FX=0，得到：

FAX=F1X

(12)

根據(jù)靜力平衡方程∑MA=0，得到：

MA=F1a-F2a-FByL

(13)

則在0

(14)

由邊界條：x=0,w=0,w′=0和x=L,w=0，可求出式(14)任意點(diǎn)撓度w為：

(15)

4實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的以切削液為介質(zhì)的射流補(bǔ)償技術(shù)的有效性，以細(xì)長(zhǎng)軸進(jìn)行誤差補(bǔ)償加工實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用工件的有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)=520 mm，直徑D=20 mm，長(zhǎng)徑約為26，超過(guò)25，屬于細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)工件，且已經(jīng)過(guò)粗加工，工件材料為45號(hào)鋼。本實(shí)驗(yàn)的加工主要參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速v=150m/min，進(jìn)給量f=0.6 mm/min，背吃刀量ap=2mm；噴嘴直徑為2mm，噴距為5mm，泵壓為12MPa。實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備如下：

(1)車(chē)床 CA6136；

(2)DJ-CL-1型三向切削測(cè)力儀；

(3)橋式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) GLOBAL Mini，測(cè)頭半徑為1mm。

先取若干根細(xì)長(zhǎng)軸樣件按照未進(jìn)行射流補(bǔ)償方法進(jìn)行加工，車(chē)削完成后對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸上沿軸向均勻分布的14個(gè)點(diǎn)處的直徑進(jìn)行測(cè)量，本文取每?jī)牲c(diǎn)間的間距為40mm；再將細(xì)長(zhǎng)軸按照本文提出的射流輔助支撐方法進(jìn)行加工，車(chē)削加工完成后同樣對(duì)14個(gè)點(diǎn)處的直徑進(jìn)行測(cè)量。細(xì)長(zhǎng)軸加工實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖7所示。

圖7　細(xì)長(zhǎng)軸加工實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

4.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，可得到進(jìn)行射流補(bǔ)償后細(xì)長(zhǎng)軸的加工誤差和補(bǔ)償前的加工誤差對(duì)比曲線圖，如圖8所示。

圖8　細(xì)長(zhǎng)軸補(bǔ)償前后加工誤差對(duì)比曲線圖

由圖8可以看出，當(dāng)不采用射流補(bǔ)償加工時(shí)，細(xì)長(zhǎng)軸尺寸誤差呈現(xiàn)出中間大兩端小的變化趨勢(shì)，尺寸誤差最大值出現(xiàn)在細(xì)長(zhǎng)軸的中部偏右，最大值約0.072mm，這是因?yàn)榧?xì)長(zhǎng)軸中間部位遠(yuǎn)離卡盤(pán)和頂尖；此外，卡盤(pán)的剛度大于頂尖的剛度，所以最大尺寸誤差并非在細(xì)長(zhǎng)軸的中間。當(dāng)采用射流補(bǔ)償加工時(shí)，細(xì)長(zhǎng)軸沿軸向各點(diǎn)的尺寸誤差大小相差不多，最大值約0.013mm。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，射流輔助支撐細(xì)長(zhǎng)軸加工很大程度提高了工藝系統(tǒng)的剛度，抑制了細(xì)長(zhǎng)軸加工誤差，可以有效提高細(xì)長(zhǎng)軸的加工精度。

5結(jié)論

細(xì)長(zhǎng)軸是典型的低剛度零件，在生產(chǎn)生活中有著

廣泛的應(yīng)用，由于其剛性較差被認(rèn)為是機(jī)械加工中的難題。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸的要求也越來(lái)越高，加工難度也越來(lái)越大，特別是航天航空工業(yè)的發(fā)展對(duì)零件加工精度的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的加工方法很難滿足加工精度和生產(chǎn)效率的要求。針對(duì)這一問(wèn)題，本文通過(guò)設(shè)計(jì)以切削液為介質(zhì)的射流作為細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削輔助支撐新的加工方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法能夠有效的提高細(xì)長(zhǎng)軸的剛性，減小和抑制細(xì)長(zhǎng)軸因切削力引起的彎曲變形，有效解決了低剛度零件的加工效率低和質(zhì)量難以保證的難題。

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(編輯李秀敏)