基于射流支撐的細(xì)長軸加工誤差補(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 無錫214153)

摘要：針對低剛度細(xì)長軸在加工過程中因切削力而產(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)長軸車削的隨動柔性輔助支撐新的加工方法。最后，對細(xì)長軸在有無水射流輔助支撐作用下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對比分析。結(jié)果表明，水射流輔助支撐可很好的減小細(xì)長軸加工誤差，為提高細(xì)長軸的加工質(zhì)量提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：細(xì)長軸；變形；射流支撐；補(bǔ)償

文章編號：1001-2265(2015)09-0020-04

收稿日期：2014-11-18；修回日期：2014-12-24

作者簡介：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。

中圖分類號：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

在車床上加工的零件一般都是回轉(zhuǎn)體零件，而軸類零件是經(jīng)常遇到的典型零件，細(xì)長軸本身剛性差，其長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)長軸雖然結(jié)構(gòu)簡單，但在加工時受到切削力的作用極易產(chǎn)生切削變形與切削振動，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，對零件加工精度和加工質(zhì)量的要求越來越高，而細(xì)長軸車削的加工是機(jī)械加工中的難點(diǎn)，如何有效的提高細(xì)長軸的加工質(zhì)量，解決細(xì)長軸車削加工難題顯得尤為重要，國內(nèi)外專家和技術(shù)人員對細(xì)長軸加工做了大量研究。Shawky[2]為了實(shí)時監(jiān)測細(xì)長軸的壁厚利用超聲波原理設(shè)計(jì)了傳感器，對車刀的位置進(jìn)行反饋并加以調(diào)節(jié)，來提高細(xì)長軸的加工質(zhì)量。Choudhury[3]等針對刀具設(shè)計(jì)了在線振動檢測及減振系統(tǒng)，通過系統(tǒng)中的光纖傳感器將測量到的刀具相對于工件的變化位移傳遞給振動控制組件產(chǎn)生力來減小這種變化以減少振動。S.C Lin[4]等設(shè)計(jì)了一套振動檢測及減振系統(tǒng)，該系統(tǒng)由振動檢測子系統(tǒng)和減振子系統(tǒng)2個子系統(tǒng)組成，振動檢測子系統(tǒng)將檢測到的工件振動信號發(fā)送給對應(yīng)的減振子系統(tǒng)，進(jìn)而對切削用量進(jìn)行調(diào)節(jié)來減少振動。鄧志平[5]通過ANSYS有限元法對雙刀車削的細(xì)長軸車削加工精度進(jìn)行仿真分析，并通過試驗(yàn)獲取有無雙刀車削加工的數(shù)據(jù)，表明采用雙刀車削加工方法可以有效的提高零件加工精度。

本文對細(xì)長軸加工誤差進(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)長軸車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)長軸的直徑誤差對比圖。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)長軸加工誤差的問題。

1細(xì)長軸加工誤差分析

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

普通軸類零件車削時產(chǎn)生的尺寸加工誤差主要是由車刀及工件的偏移一起造成的，對于細(xì)長軸來說，其尺寸誤差主要由工件加工時產(chǎn)生的彎曲變形造成。在車削加工中，軸向切削力Fx是在細(xì)長軸x方向的分力，對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)長軸y、z方向的分力，并使細(xì)長軸在y、z方向產(chǎn)生彎曲變形，對細(xì)長軸的加工精度會有直接影響，是造成加工誤差的主要原因。

如圖2是細(xì)長軸車削時產(chǎn)生尺寸誤差的過程，dw為細(xì)長軸車削前的尺寸，de為車削后的實(shí)際尺寸，dm為車削后的理論尺寸，ap為背吃刀量。

圖1　車削時合力及其分力

1.車削前的細(xì)長軸的位置 2.車削時的細(xì)長軸的位置 3.細(xì)長軸的理論位置

圖2車削時尺寸誤差的產(chǎn)生

細(xì)長軸本身的剛性很差，在加工過程中易受背向力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)長軸車削后的實(shí)際直徑de為：

(1)

(2)

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

圖3　各個方向引起的誤差

圖3a中，大圓2表示在背向力Fy作用下車削后細(xì)長軸直徑，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作用下車削后細(xì)長軸直徑，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，即通過上述的分析，可以得出背向力Fy是導(dǎo)致細(xì)長軸彎曲變形的主要因素。

2細(xì)長軸射流支撐補(bǔ)償設(shè)計(jì)

細(xì)長軸加工過程中，由于切削力的作用細(xì)長軸會發(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。水射流噴射裝置通過夾具固定并且使其和機(jī)床車刀同步運(yùn)動，從而保證切削力和射流沖擊力相位差180°。細(xì)長軸桿徑方向受到的合力為切削力和射流沖擊力之差，沖擊力通過控制射流供壓壓力容易進(jìn)行控制。通過調(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)長軸車削射流輔助支撐實(shí)驗(yàn)裝置，主要由射流發(fā)生裝置、切削力測量裝置及夾具裝置等組成。

圖4　細(xì)長軸車削射流輔助支撐實(shí)驗(yàn)裝置

3細(xì)長軸射流支撐加工模型及力學(xué)分析

3.1射流輔助支撐車削模型

細(xì)長軸加工過程中，由于切削力的作用使細(xì)長軸產(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，即車刀和射流噴嘴對稱分布，射流可以產(chǎn)生一個和切削力相位差180°的沖擊力以抵消切削力，由此提高細(xì)長軸的工藝剛性，減小細(xì)長軸變形，抑制工藝系統(tǒng)的振動，射流輔助支撐車削基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　射流輔助支撐車削結(jié)構(gòu)

3.2射流輔助支撐車削力學(xué)分析

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

細(xì)長軸車削時，常采用一頂一夾的裝夾方式，其一端采用三爪卡盤夾緊，另一端采用頂針支承，完成細(xì)長軸在車床上的定位與夾緊，根據(jù)約束情況，可以將系統(tǒng)簡化為超靜定梁問題建模，射流輔助支撐車削模型受力簡圖如圖6所示，其中L為細(xì)長軸的長度；a為刀具到固定端A的距離；F1、F1x分別為車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　射流輔助支撐車削力學(xué)模型

射流輔助支撐車削加工時使細(xì)長軸發(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，各種因素對背向力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)所用工件的有效長度為L=520 mm，直徑D=20 mm，長徑約為26，超過25，屬于細(xì)長軸類工件，且已經(jīng)過粗加工，工件材料為45號鋼。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)車床 CA6136；

(2)DJ-CL-1型三向切削測力儀；

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

先取若干根細(xì)長軸樣件按照未進(jìn)行射流補(bǔ)償方法進(jìn)行加工，車削完成后對細(xì)長軸上沿軸向均勻分布的14個點(diǎn)處的直徑進(jìn)行測量，本文取每兩點(diǎn)間的間距為40mm；再將細(xì)長軸按照本文提出的射流輔助支撐方法進(jìn)行加工，車削加工完成后同樣對14個點(diǎn)處的直徑進(jìn)行測量。細(xì)長軸加工實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖如圖7所示。

圖7　細(xì)長軸加工實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖

4.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，可得到進(jìn)行射流補(bǔ)償后細(xì)長軸的加工誤差和補(bǔ)償前的加工誤差對比曲線圖，如圖8所示。

圖8　細(xì)長軸補(bǔ)償前后加工誤差對比曲線圖

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

5結(jié)論

細(xì)長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，對細(xì)長軸的要求也越來越高，加工難度也越來越大，特別是航天航空工業(yè)的發(fā)展對零件加工精度的要求越來越高，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。針對這一問題，本文通過設(shè)計(jì)以切削液為介質(zhì)的射流作為細(xì)長軸車削輔助支撐新的加工方法。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法能夠有效的提高細(xì)長軸的剛性，減小和抑制細(xì)長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)