射流法控制薄壁件加工变形的理论研究

第１９卷第４期　２００６年７月　机电产品开发与刨新　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ＶＯＩ．１　９．Ｎｏ．４　Ｊｕｌｙ．，２００６　射流法控制薄壁件加工变形的理论研究　孙连栋　（台州职业技术学院，浙江台州３１８０００）　摘　要：提出了一种用于控制大型薄壁件加工变形的方法一射流法。采用射流法将高压液体沿切削力的　敏感方向的反向，射向切削力的作用点（正在加工的部位），可起到浮动支承的作用，能有效地　减小因切削力而引起的加工变形。　关键词：薄壁件；变形；变形控制；射流　中图分类号：ＴＧ５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—６６７３（２００ｌ６）０４—１７２—０３　０引言　目前，国内外学者对薄壁零件的加工进行了大量研　方向为不敏感方向。　射流法就是用高压液体（如切削液）沿敏感力的相　反方向，射向敏感力的作用点上，以抵消敏感力对薄壁　件变形的影响。　究，提出了许多控制薄壁件加工变形的方法，本文将其分　为两大类。一类是工艺方法，主要是优化刀具路径＿ｌｌ２１，进　给量局部优化嘲，增加辅助支承　等，这类方法的特点　是容易实现，能在一定程度上减小变形，但不能从根本　上解决，且加工效率低。另一类是改进机床设计。其中　较为典型的有平行双主轴方案嘲，刀具偏摆加工方案旧。　这一类方案的特点是需要增加机床主轴或偏摆轴，需要　重新设计机床，工作量较大，加工范围或精度有限，其　使用会受到一些限制。　（ａ）敏感方向在刀具－－４ｔ，ｌ　（ｂ）敏感方向在刀具顶端　影响加工变形的因素很多，但在溥壁件加工中切削力　造成的变形最大。如果在加工中能有一个浮动的支承，用　图１　射流法减少切削变形示意图　射流法的实质是用高压液体沿敏感力的相反方向，　射向工件的正在加工的部位，起到一个浮动支撑的作用　枷　以抵消切削力对薄壁件加工变形的影响。射流所产生的　支撑力应与切削力相当，所以该方法的重点是切削力的　以抵消刀具对工件的切削力，其变形就会降到很低，射流　法的思想正是源于此。　１　射流法的工作原理　如图１所示，零件加工时都要受到削力的作用。　大型薄壁件加工一般采用铣削的方式，铣刀是多刃刀　具，随着每个齿的切入或切出均会造成切削力的变化，　实时检测、射流流量的实时控制。射流法控制薄壁件加　工变形的工作过程如图２所示。　但总的切削力波动不大。将切削力分为ｘ、Ｙ、ｚ三个　方向的分量，其中一个力垂直作用于薄壁件的表面，零　件在该方向刚性最差，造成的变形也最大，该方向称为　薄壁件变形的敏感方向，该力称为敏感力；其它两个方　向的切削力对零件变形的影响较小，称为不敏感力，其　收稿日期：２００６—０６—１３　图２　射流法的工作过程　２力的检测装置　（１）检测主电机电流：检测主电机电流，计算其瞬　时功率，根据切削力在Ｘ、Ｙ、ｚ三个方向的分配，计算　出敏感方向的切削力，但这种方法不够准确。　作者简介：孙连栋（１９７１一），男，教师，实验师。主要从事　数控加工理论及实训教学工作，已发表论文多篇，编写教　材２本，主持省级课题１项、市级课题１项，参与国家级　课题１项、省级课题４项，获省级教学成果二等奖１项。　１７２　维普资讯 http://www.cqvip.com

・数控机床世界・　（２）用压电晶体测力仪：压电晶体测力仪利用不同　方向切片的石英晶体产生电荷的力作用方向不同的原　理，可以同时测量Ｘ，Ｙ，Ｚ轴三个方向的铣削力而避免　各分力的相互干扰。压电晶体测力仪具有较高的相应频　—　＝　Ａ　，　０　二＝二　率和测量精度，测力性能良好同。使用时将测力仪与机　床主轴相连接，并通过数据采集分析装置得出铣削过程　中各个方向的铣削力。测力仪需经标定，将测力时的输　厂　１４ｌ　图５射流力的计算图　出数据转换成力值。这种方法较准确、方便。　３控制装置　它是射流法控制薄壁件加工变形的核心环节，将实　时采集的力的信息通过一系列处理，转化为控制液体的　压力及流量，从而达到产生相应的力以抵消切削力对加　工变形的影响。其原理如图３所示。　可厂二氓卜—，厂面　］厂＿＋　厂————］　—Ｌ　．ｊ……一　信号转换　………～　检测环节ｌ　图３控制装置工作原理图　Ａ，　经过计算表　明，当液体一定、　通流面积一定时，　射流所产生的力仅　与流量有关，现推　导如下：　根据流体力学　图４　动量方程参考图　的动量方程嗍：　∑Ｆ＿熹　ｕｄＶ］＋ｐｑ（［３２ｖ　）　（１）　式中：Ｆ一控制体积内液体所受的外力的矢量和；　Ｖ一控制体积；ｐ一液体的密度；ｕ一通流截面上的实际　流速；ｑ一流量；ｐ－一截面１处动量修正系数。　＝　ｍｖｌ（ｐｖ　ｌＡＪ　ＶＩ　ｆ３２－￣２处动量修正系数，　ｆＡｕ２ｄｍ：一祟：　ｖ。一截面１处的平均流速；ｖ广截面２处的平均流　速。在稳定切削时，切削力的变化不大，相应的射流力　变化也不大，因此射流可近似视为恒定流动。于是有：　∑Ｆ＝ｐｑ（ｐ２ｖ厂　）　（２）　射流力的计算如图５所示，　划出ａｂｃｅｄｆ为控制体　积，则截面ａｂ、ｃｄ、ｅｆ上均为大气压力Ｐ　。若已知喷嘴　出口ａｂ处面积为Ａ，射流的流量为ｑ，流体的密度为Ｐ，　并设挡板对射流的作用力为Ｆ，由动量方程得：　Ａ—Ｆ＝　Ｆ＝ｐｑ（０－ｖ１）＝－ｐｑｖｌ；因为ｐａ＝０（相对压力）所以：　Ｆ＝ｐｑｖｌ＝ｐｑ　／Ａ　（３）　因此，射流作用在挡板上的力方向向右，大小与Ｆ相　等，且当液体一定、通流面积一定时，力的大小仅与流量的　平方成正比。故在控制射流时，仅需要控制流量的大小即可。　４执行机构　不工作时起卸荷　油箱２过滤器　３变量柱塞泵４先导　作用，此时单向　流　气　：　羔　盏　阀６防止油液倒１０电液伺服阀　流。气囊式储能　图６液压原理图　器８起稳压、补充供油等功能，先导式减压阀９保证供　给电液伺服阀的压力恒定，电液伺服阀１０由控制系统　的电信号控制，保证射流所需要的流量。　（２）安装。在机床上的安装，要保证喷嘴与铣刀切　削部分对应且能与刀具一起移动。　（３）喷嘴。根据铣刀切削部分与工件接触的部位形　状不同，可将喷嘴分为两大类，一类是长方形，用于铣　刀一侧加工的情况，其长、宽的尺寸大小与刀具和工件　的接触区域大小一致；另一类是圆形，用于铣刀端部加　工情况，其内孔直径与铣刀直径一至。喷嘴的形状大　小，可根据需要进行更换。　５射流法的特点　一是用控制液体流量来控制支承力容易实现；二是　１７３　维普资讯 http://www.cqvip.com

・数控机床世界・　ｗｏｒｋ　ｐｉｅｃｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｉｎ　ｗｅｂｓ［Ｊ１＿Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ　１９９８，８．　［３］魏丽，郑联语．改进薄壁零件数控加工质量的进给量局部优化方　法［Ｊ１＿航空精密制造技术，２００１，８．　［４］Ｈａｕｋｉ　ＯＢＡＲＡ　ｅｔ　ａ１．Ａ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｈｒｅｅ—ｄｅｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｈｉＴｎ　Ｐａｎｓ　［Ｊｌ＿Ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅｓ　ｏｆ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｔ　Ｔｈｅ　Ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ　ｏｆ　Ｍｉｌｌｅｎｎｉｕｍ，２００１．　不需对机床进行大的改装或重新设计。只需在机床上增　加喷嘴的安装机构。其液体可采用切削液，使用更为方　便；三是在缺乏准确的理论指导的情况下，可采用实验　的方法进行标定，可操作性强。　６结论　采用射流法将高压液体沿切削力的敏感方向的反　向，射向切削力的作用点（正在加工的部位），可起到　浮动支承的作用，能有效地减小因切削力而引起的加工　变形。该方法简单、准确、可操作性强、易实现。　参考文献：　［１］Ｊ．Ｔｌｕｓｔｙ　ｅｔ　ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　Ｈｉｇｈｔ　Ｓｐｅｅｄ　Ｍａｃｈｉｎｅ　ｆｏｒ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ａｉｒｃｒａｆｔ　Ｐａｒｔｓ［Ｊｌ＿Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ￣，１９９７，２．　［２１　ｓ．Ｓｍｉｔｈ　ｅｔ　ａ１．Ｔｏｏｌ　ｐａｔｈ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｍｉｌｌｉｎｇ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　［５］Ｈｉｒｏｙａｓｕ　Ｉ　ＷＡＢＥ，Ｍａｓａｋｉ　ＭＩＺＵＯＣＩＨ　ａｎｄ　Ｋａｚｕｈｉｒｏ　ＹＯＫＯＹＡＭＡ，　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｍ￣ｈｉｎｉｎｇ　Ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　Ｔｈｉｎ　Ｗａｌｌ　Ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ　ｂｙ　Ｅｎｄ　Ｍｉｌｌ　ｆＪ】．日本机械学会论文集，１９９７，１．　［６］王志刚，何宁，武凯．等．薄壁零件加工变形分析及控制方案［Ｊｌ＿中国　机械工程，２００２，１．　［７］彭朋．高速立铣切削力的有限元分析及实验研究［Ｄ］．山东科技大　学硕士学位论文，２００５．　［８］章宏甲，黄谊，王积伟．液压与气压传动［Ｍ］．北京：机械工业出版社，　２　ｍ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｆｌｕｉｄ　Ｊｅｔｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｈｉｎ－ｗａｌｌｅｄ　Ｐａｒｔ　Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ　ＳＵＮ　Ｌｉａｎ—Ｄｏｎｇ　（Ｔａｉｚｈｏｕ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ＣｏＮｅｇｅ，Ｔａｉｚｈｏｕ　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　３１８０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔｓ：Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｌａｒｇｅ　ｓｉｚｅ　ｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄ　ｐａｒｔ　Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ一一ｔｈｅ　ｆｌｕｉｄ　ｊｅｔｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＩＦ　ｗｅ　ｕｓｉｎｇ　ｈｉｇｈ—ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｈｑｕｉｄ　ｃｕ￣ｅｎｔ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｉｎｔｏ　ａｃｔｉｏｎ　ｓｐｏｔ　ｏｆ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ａｌｏｎｇ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ｓ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ＆ｒｅｃｆｉｏｎ　ｒｅｖｅｒｓｅ，ｔｈｅ　ｌｉｑｕｉｄ　ｃａｎ　ｓｕｐｐｏ￣ａｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｒｅｄｕｃｅ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ　ｅｆｆｅｃｔｌｙ　ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄ　ｐａｒｔ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｃｏｎｔｒｏｌ；ｔｈｅ　ｆｌｕｉｄ　ｊｅｔｔｉｎｇ　振键盘输入部分，显示部分，信号输出。复位部分，晶ｌ　　　４结束语　Ｉ一　。，上　其中信号输出包括控制电机正反转的方向脉冲，控　：　在本次研究中，本人综合运用了各种知识，包括微　制电机转速的频率脉冲。在输出脉冲信号之前连接一个　ｌ　机控制方面的，步进电机以及机械制造等，使一些复杂　７４１５２４４芯片，主要是为了防止受到外来干扰的影响，对　ｌ　问题简单化，易操作化。本课题目的是研制新机床、改　外来干扰起屏蔽作用。脉冲发生器要能够随输人参数的　一　造ＩＨ设备，考虑到国内现状，因此具有非常广阔的应用　变化而变化以满足实验要求。　　前景，同时这项研究也为应用新技术提供一条新思路。ｌ　　ｌ３普通攻丝与振动攻丝的加工效果比较　ｌ参考文献：　通过加工可以明显看出普通攻丝和振动攻丝加工的　：　［１１苟琪．航空工艺技术［Ｊｌ＿钛合金工艺研丸１９９２，５．　螺纹，其普通攻丝配合间隙量在５０～ｌＯ０￣ｍ之间，而振　Ｉ　［２１叶大鹏，何聪惠．螺孔振动攻丝实验方案及其运动关系分析［Ｊｌ＿福　动攻丝的间隙量一般在２５～４０　ｍ之间，从实验中明显发　１　建农业大学学抿　，　・　现振动攻丝可以减小被加工螺纹的螺距误差、中径误差　等，提高螺纹的综合精度。　［３］何立民・Ｍｃ　一　系列单片机系统木配置与接口技术［Ｍ］・北京航　空航天大学出版社，　。・　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ－ｔａｐｐｉｎｇ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｂｙ　ＰＣ　Ｓｔｕｄｙ　ＬＶ　Ｙｉｎｇ－Ｂｏ　，ＺＨＡ０　Ｗｅｎ－Ｂｏ　，ＤＩＡ０　Ｘｕｎ－Ｌｉｎ　，ＭＡ　Ｘｉａｎ—Ｌａｉ’　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａ１　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｎａｎ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　２５００１４，Ｃｈｉｎａ；　２Ｊｉｎａｎ　Ｂｏｉｌｅｒ　Ｐｒｅｓｓｉｎｇ　Ｖｅｓｓｅｌ　Ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｊｉｎａｎ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　２５００１０，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｙａｎｔａｉ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｇｒｏｕｐ　Ｌｉｍｉｔｅｄ　Ｃｏｍｐａｎｙ　Ｊｉｎａｎ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　２５００１０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｖｉｂｒｏ—ｃｕｔｔｉｎｇ　ａｓ　ａ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｔａｐｐｉｎｇ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔａｐｐｉｎｇ　ｔｏｒｑｕｅ　ａｎｄ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｔｈｅｏｒｙ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｂａｓｅ，ａ　ｎｅｗ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｉｔ　ｉｓ　ｖｅｒｉｆｉａｂｌｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｄｅｖｉｃｅ　ｉｓ　ｅｆｉｃｉｅｎｔ　ｆｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅａｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｔａｐｐｉｎｇ；ｔａｐｐｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　１７４