王志強(qiáng)，楊勝?gòu)?qiáng)，李文輝

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

0 引言

通過(guò)對(duì)典型的內(nèi)孔表面光整加工方法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的加工方法和設(shè)備很難對(duì)深孔、變徑孔、彎孔、階梯孔等內(nèi)孔表面有效地去除毛刺及進(jìn)行精磨削加工。本文在氣粒兩相流光整加工［1］的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種內(nèi)孔加工自動(dòng)進(jìn)給裝置，它能帶動(dòng)氣粒兩相流光整頭進(jìn)入管道內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)對(duì)深孔表面的光整加工。該自動(dòng)進(jìn)給裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠帶動(dòng)光整頭沿工件內(nèi)表面勻速運(yùn)行，且控制方便。

1 氣粒兩相流光整加工

圖1為氣粒兩相流光整頭的工作示意圖，光整頭直徑與管道內(nèi)徑相同，其內(nèi)部開(kāi)有一環(huán)槽及3個(gè)切向孔，中心空槽與通氣管連接。當(dāng)壓力氣體從通氣管進(jìn)入光整頭的內(nèi)部，并通過(guò)3個(gè)切向孔進(jìn)入環(huán)槽中，壓力氣體便在環(huán)槽中高速旋轉(zhuǎn)，形成環(huán)流，并且?guī)?dòng)環(huán)槽中的固體磨粒沿環(huán)槽旋轉(zhuǎn)，磨粒與工件內(nèi)壁發(fā)生碰撞和磨削，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其表面的光整加工。多余的氣體則從光整頭與工件的間隙排出。

圖1 氣粒兩相流光整頭的工作示意圖

2 自動(dòng)進(jìn)給裝置的工作原理［2］

由于光整加工是連續(xù)進(jìn)行的，每個(gè)表面需要有短暫的加工時(shí)間，這就要求自動(dòng)進(jìn)給裝置的運(yùn)行速度不能過(guò)快，如果進(jìn)給速度過(guò)快，則會(huì)造成加工效果不明顯、加工效率低等后果。由于螺旋驅(qū)動(dòng)具有將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直接轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，并且不需其他中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此利用螺旋驅(qū)動(dòng)原理，可以設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便的推進(jìn)裝置，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。

2.1 自動(dòng)進(jìn)給裝置組成

圖2為內(nèi)孔加工自動(dòng)進(jìn)給裝置的工作示意圖。自動(dòng)進(jìn)給裝置帶動(dòng)氣粒兩相流光整加工頭沿管道移動(dòng)，同時(shí)光整頭對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行精磨削。自動(dòng)進(jìn)給裝置由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、螺旋驅(qū)動(dòng)單元和導(dǎo)向部分組成。當(dāng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩后，帶動(dòng)螺旋驅(qū)動(dòng)單元沿管道軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，并且產(chǎn)生軸向力，推動(dòng)導(dǎo)向單元向前運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向單元由兩排導(dǎo)向輪組成，每排由呈120°均勻分布的3組輪組成。電機(jī)箱體內(nèi)裝有電機(jī)，其輸出軸與螺旋驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)聯(lián)軸器相連。導(dǎo)向輪和驅(qū)動(dòng)輪則利用彈性裝置柔性地壓緊在工件內(nèi)表面。當(dāng)自動(dòng)進(jìn)給裝置工作時(shí)，螺旋驅(qū)動(dòng)單元旋轉(zhuǎn)，包括電機(jī)箱體、導(dǎo)向輪在內(nèi)的導(dǎo)向部分不產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，而是沿管壁軸向移動(dòng)，從而推動(dòng)光整頭沿軸向移動(dòng)。改變施加于電機(jī)的電流極性，可改變自動(dòng)進(jìn)給裝置的運(yùn)動(dòng)方向，使裝置在管內(nèi)沿相反的方向運(yùn)動(dòng)。

2.2 驅(qū)動(dòng)原理分析

由自動(dòng)進(jìn)給裝置的結(jié)構(gòu)可知，自動(dòng)進(jìn)給裝置的關(guān)鍵組成部分在于螺旋驅(qū)動(dòng)單元，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩直接到驅(qū)動(dòng)單元后，不需要中間換向機(jī)構(gòu)就可以產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)，其依靠的是螺旋驅(qū)動(dòng)原理。圖3為螺旋驅(qū)動(dòng)原理分析圖，坐標(biāo)系中x 軸為管道圓周切線方向，y 軸為管道軸線方向。驅(qū)動(dòng)輪與x 軸呈θ 角，即螺旋角，當(dāng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩后，在驅(qū)動(dòng)輪的螺旋方向產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力f，該驅(qū)動(dòng)力在x、y 軸分別產(chǎn)生分力，在x 軸上的分力fx提供了螺旋驅(qū)動(dòng)單元沿管道軸線旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力，在y 軸上的分力fy提供了整個(gè)自動(dòng)進(jìn)給裝置沿管道軸線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。

圖2 自動(dòng)進(jìn)給裝置工作示意圖

圖3 螺旋驅(qū)動(dòng)原理分析圖

3 自動(dòng)進(jìn)給裝置的功率計(jì)算［3］

自動(dòng)進(jìn)給裝置中有3對(duì)驅(qū)動(dòng)輪和6對(duì)導(dǎo)向輪，為保證內(nèi)孔加工自動(dòng)進(jìn)給裝置能夠帶動(dòng)氣粒兩相流加工頭正常運(yùn)動(dòng)，對(duì)其進(jìn)行受力分析，計(jì)算出裝置勻速運(yùn)行所需的電機(jī)功率和彈簧正壓力。

圖4為自動(dòng)進(jìn)給裝置受力分析圖。其中，F(xiàn) 為驅(qū)動(dòng)輪沿管壁螺旋方向的摩擦力，F(xiàn)1為導(dǎo)向輪受到的滾動(dòng)摩擦力，G 為自動(dòng)進(jìn)給裝置所受的重力，W負(fù)載為光整加工頭產(chǎn)生的阻力，Hx和Hy分別為由整體的阻力引起的驅(qū)動(dòng)輪與管壁的最大靜摩擦力在圓周方向和軸向上的分力，N1為驅(qū)動(dòng)輪受到管壁的反作用力，N2為導(dǎo)向輪受到管壁的反作用力，H 為導(dǎo)向輪與管壁在圓周方向產(chǎn)生的最大靜摩擦力，Tm為電機(jī)輸出的力矩。

圖4 自動(dòng)進(jìn)給裝置的受力分析圖

為了表示得更清楚，給出了驅(qū)動(dòng)輪的受力分析，見(jiàn)圖5。圖5中，F(xiàn)r為驅(qū)動(dòng)輪受到的滾動(dòng)摩擦力，F(xiàn)x、Fy、Fz為驅(qū)動(dòng)輪軸對(duì)驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生的反作用力，θ為螺旋角。

假設(shè)3組驅(qū)動(dòng)輪和3 組導(dǎo)向輪的受力相同且均勻，則得到自動(dòng)進(jìn)給裝置的下列4組靜平衡方程。

（1）取裝置整體為分析對(duì)象，在y 軸方向取合力，由力平衡方程可得：

其中：R 為驅(qū)動(dòng)輪半徑；fr為滾動(dòng)摩擦系數(shù)。

圖5 驅(qū)動(dòng)輪的受力

（2）取螺旋驅(qū)動(dòng)單元為分析對(duì)象，對(duì)y 軸取合力矩，由∑My＝0，得：

其中：D 為管道內(nèi)徑。

（3）取單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪為分析對(duì)象，對(duì)輪心取合力矩，由∑MO＝0，得：

其中：fh1為輪與輪軸摩擦系數(shù)；r為輪軸半徑。

（4）Hx和Hy滿足下列關(guān)系：

其中：fh為輪子與管壁的靜摩擦系數(shù)。

同時(shí)，自動(dòng)進(jìn)給裝置運(yùn)動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)向輪與管壁的圓周方向的靜摩擦力產(chǎn)生的力矩需大于自動(dòng)進(jìn)給裝置螺旋推進(jìn)所需的力矩，否則，整個(gè)保持機(jī)構(gòu)將發(fā)生旋轉(zhuǎn)而失效，即由導(dǎo)向輪不發(fā)生相對(duì)管壁的滑動(dòng)有：

自動(dòng)進(jìn)給裝置所需的牽引力為100 N，總重量m＝6.3kg，管道內(nèi)徑D＝244 mm，車輪半徑R＝12.5mm，輪軸半徑r＝4mm，螺旋角θ＝10°。聯(lián)立式（1）～式（5）得：N1＝24.47N，N2＝3.53N，Tm＝3.98 Nm，自動(dòng)進(jìn)給裝置所需電機(jī)功率為P＝12.5 W。

4 初步試驗(yàn)

圖6為加工制作的內(nèi)孔加工自動(dòng)進(jìn)給裝置及在管道中行走示意圖。其箱體材料為尼龍，聯(lián)軸器采用剛性聯(lián)軸器，電機(jī)功率為15 W，轉(zhuǎn)速范圍0r／min～30r／min，通過(guò)調(diào)速器調(diào)節(jié)裝置的轉(zhuǎn)速。

圖6 自動(dòng)進(jìn)給裝置在管道中行走

將螺旋傳動(dòng)自動(dòng)進(jìn)給裝置放入管道中，對(duì)自動(dòng)進(jìn)給裝置沿水平方向進(jìn)行測(cè)試，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速與自動(dòng)進(jìn)給裝置行走速度的關(guān)系，見(jiàn)表1。

表1 自動(dòng)進(jìn)給裝置沿水平方向運(yùn)動(dòng)的測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)孔加工自動(dòng)進(jìn)給裝置的電機(jī)轉(zhuǎn)速在0r／min～26r／min之間，行走速度為0mm／s～40.3mm／s，裝置在管道中運(yùn)行平穩(wěn)。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，開(kāi)發(fā)了可以進(jìn)行氣粒兩相流光整加工深孔表面的內(nèi)孔加工自動(dòng)進(jìn)給裝置，對(duì)裝置進(jìn)行受力分析和計(jì)算，確定自動(dòng)進(jìn)給裝置所需的電機(jī)功率、彈簧正壓力等。通過(guò)試驗(yàn)，測(cè)得自動(dòng)進(jìn)給裝置在管道中的行走速度在0mm／s～40.3 mm／s之間，為下一步的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究提供了理論依據(jù)。

［1］ 楊曉春.面向孔表面氣粒兩相強(qiáng)制環(huán)流光整加工數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2011：27－32.

［2］ 蘇毅，易方，李著信，等.一種適用于管道推進(jìn)裝置的新型螺旋驅(qū)動(dòng)器［J］.化工機(jī)械，2010，37（1）：83－86.

［3］ 郭瑜，尚建忠，羅自榮，等.微小型螺旋驅(qū)動(dòng)管道推進(jìn)裝置建模與分析［J］.機(jī)械制造，2006，44（12）：11－14.