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成形聯接的數控車削研究

時間:2011-06-12 15:01:38 來源:未知

1 引言


圖1 成形聯接
成形聯接是利用非圓剖面的軸與相應輪廓的轂孔所構成的軸轂聯接(圖1)。這種聯接不用鍵或花鍵，故又稱無鍵聯接，或型面聯接。
軸頭和轂孔可以是柱形的(圖1a)也可以是錐形的(圖1b)。柱形的除靜聯接外還可以用于無載荷作用下做軸向移動的動聯接；錐形的裝拆容易，還可承受單方向的軸向力。
由于成形聯接具有拆裝方便，能保證良好的對中性；聯接面上沒有鍵槽及尖角，減小了應力集中，因而承載能力高，可傳遞大扭矩，疲勞強度高，可替代鍵或花鍵聯接。對于帶錐度的成形聯接軸(孔)能夠做到無間隙配合，性能更優良，工作更可靠。這種理想的設計，一直因為加工工藝復雜，對工藝過程研究不夠，尚無良好的加工設備及刀具、量具，至今使其廣泛應用受到很大的限制。因此，要使其作為通用的基礎零件推廣應用，關鍵在于正確地解決其加工方法。
現有的加工方法中，典型的非圓成形軸加工可以采用靠模仿型法和機械式運動合成法實現。非圓型孔可以用成形插刀來加工，這些方法或需要硬靠模，或需要專用機床或系列專用刀具，制造柔性差，生產效率低，所以，采用數控加工已成為趨勢。浙江大學的鄔義杰，在一臺XK5040三坐標聯動數控銑床上，對三角軸進行了銑削加工試驗。本文介紹的數控車削系統利用高響應電液伺服油缸作進給機構，驅動刀架在工件的徑向作快速運動，跟蹤加工成形聯接面。只用一套數控裝置，就能夠完成非圓軸截面和錐度的加工，對刀和調整十分方便。

2 成形聯接軸(孔)數控車削系統的構成和加工原理

數控加工系統構成如圖2所示。在PC總線的工控機上，可通過軟件來改變成形軸(孔)的形狀、尺寸大小和錐度比例等。加工時，工控機檢測車床主軸轉角和液壓伺服刀架位置，實時反饋控制伺服系統車削工件，做到了無靠模車削。

1.伺服放大器 2.位移傳感器 3.閥控缸 4.工件 5.光電編碼器
圖2 加工系統構成框圖
圖3 成形聯接軸表面的空間軌跡
在成形聯接軸的車削過程中，以典型的帶錐度的PK-3成形軸的加工為例，本文采用一套數控系統同時完成錐度和PK-3成形軸截面兩種運動。加工時，成形聯接軸表面的空間軌跡如圖3所示，該軌跡由工件繞主軸的回轉運動(繞Z軸)、伺服刀架的往復進給運動(X軸方向)和伺服刀架的勻速走刀運動(沿Z軸方向)復合而成。伺服刀架的往復進給運動軌跡，是由計算機控制下的電液伺服系統跟蹤特定的輸入曲線來實現的。該輸入曲線被稱為跟蹤曲線，其本質是液壓靠模仿形加工中仿形頭的運動軌跡。當跟蹤曲線由計算機生成時，如果加工相同零件時，跟蹤曲線能夠精確地保持不變；如果加工零件變化時，跟蹤曲線能夠靈活地由軟件改變，完全代替靠模。因此，跟蹤曲線又稱為“軟靠模”。
跟蹤曲線以工件繞主軸回轉一周的角度(2p弧度)為一個周期。本系統用光電編碼器檢測主軸回轉的角度，計算機控制跟蹤曲線與回轉的角度同步，電液伺服系統跟蹤曲線，使刀架運動與工件回轉運動保持協調同步。
在完成加工這一動力學過程的問題上，本設計采用的跟蹤方法與插補法完全不同。一般數控系統是指采用計算機的控制系統，既包括基于插補原理的數值控制(Numerical Control)，也包括基于動力學的數字控制(Digital Control)。本文采用了后者。這就要求提高伺服刀架的頻寬和行程。本文采用的新型電液伺服進給刀架，克服了一般電液伺服系統響應低的缺點，頻寬超過130Hz，設計的最大行程為8mm。 #p#分頁標題#e#
本文用PK—3成形軸的廓形曲線(又稱P3或K形成型軸聯接)來進行討論。PK—3成形曲線有簡明的表達式，在圖4中的參數方程為： x(t0)=(R-ecos3t0)cost0+3esin3t0sint0(1)y(t0)=(R-ecos3t0)sint0-3esin3t0cost0 (2)


圖4 PK-3成形軸的截面廓形
圖5 PK-3成形截面的跟蹤曲線
式中 R——平均半徑，mm
e——偏心量，mm
t0——角參數，rad
由式(1)和(2)，如圖4用極坐標時，計算截面廓形曲線的矢徑r(mm)和極角q(rad)為

r=(x2+y2)½
q=arctg(y/x)
采用跟蹤法車削加工時，伺服刀架刀尖往復的位置就是矢徑r的變化量，以下的跟蹤曲線均以矢徑r和極角q表示。PK—3成形軸截面的跟蹤曲線如圖5，圖例中取R=7mm，e=0.45mm，該曲線的傅立葉展開式為 (3)
式中 w=3w0,t∈[0,60L/Sn]
w0——車床主軸角速度，rad/s
t——時間，s
n——車床主軸轉速,r/min,n=60w0/2p
L——PK—3成形軸加工部分長度，mm
S——車床走刀量，mm/r
式(3)中的k實際并不取∞，而是根據精度要求選取，本文k取3。
根據kw，設計電液伺服系統的頻寬。
在進行錐度PK—3成形軸加工時，錐度的跟蹤曲線為 r1=aSwt/2p(4)
式中 a——PK—3成形軸的錐度比系數
圖6為錐度的跟蹤曲線。合成后的跟蹤曲線為

r=r0+r1
圖7為加工長度L上的合成跟蹤曲線。

圖6 錐度的跟蹤曲線
圖7 錐度PK-3成形軸的合成跟蹤曲線
當采用伺服液壓缸作為執行機構時，很容易跟隨合成的跟蹤曲線。這樣，一套數控系統同時完成了錐度和PK—3成形軸截面兩種變化。刀架按合成的軌跡運動，其行程大于單獨加工不帶錐度的PK—3成形軸時的行程。

3 系統控制方法和加工試驗

采用電液伺服刀架作驅動機構，具有切削力大，剛性好的特點。但由于電液伺服系統本身的非線性因素，一般線性系統的控制方法難以勝任，必須采用具有一定適應能力的非線性控制策略。本系統采用筆者已研究的自適應控制算法，具體可見《機床與液壓》雜志1995年第2期刊載的《高響應高精度電液伺服系統自適應控制的工程實現》一文。 #p#分頁標題#e#
PK—3成形軸的數控車削試驗是在一臺普通MAZAK—J1車床上進行的，結構如圖2。改裝時，首先，在原車床主軸尾端加上了一個光電編碼器，用來測主軸轉角。其次，將原車床刀架換成了液壓伺服刀架，并在液壓伺服刀架上加裝位移傳感器，用來測刀架位移，安裝十分方便。在控制系統中，主機為一PC總線的CONTEC工控機，接口是12位的A/D和D/A，位移傳感器為LVDT-1型壓差式傳感器，-3dB頻寬240Hz，測量范圍0～±3mm。伺服刀架為自制高響應低摩擦液壓油缸，行程為±4mm，液壓剛度kh=66.8N/µm，固有頻率為fh=450.7Hz。試驗時，利用光電編碼器每周的零位脈沖，作為主軸回轉角與跟蹤曲線的周期同步信號。加工時，無論成形軸或孔，車削刀具均采用普通通用刀具(外圓車刀和內孔鏜刀)，安裝在伺服刀架上。對刀時，先由計算機將控制輸出量送零值，保持刀架不動，按一般車削圓工件方法，手動試切對刀。試驗加工零件為45號鋼，在主軸轉速為600r/min時，進行了平均直徑?20mm、錐度比為1∶40、帶錐度的PK—3成形軸和孔的車削。用加工好的錐度PK—3成形軸和孔，可以做到無間隙配合，取得較滿意的效果。

4 結論

  1. 采用本文提出的方法車削加工成形聯接軸(孔)時，設備簡單，工件裝夾和對刀調整容易，使用方便，成形聯接件易于推廣應用。
  2. 作為一般應用，帶錐度的成形聯接件，能做到無間隙配合，更便于使用推廣。
  3. 作為產品，成形聯接件的檢驗測量問題有待進一步研究。
  4. 試驗表明，本文的理論分析、電液伺服系統的設計及計算機控制系統的開發是正確可行的，該方法還可為其它非圓表面的加工提供借鑒。

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