基于射流支撑的细长轴加工误差补偿设计

基于射流支撑的细长轴加工误差补偿设计

卢晓艳

(江苏信息职业技术学院 机电工程系，江苏 无锡214153)

摘要：针对低刚度细长轴在加工过程中因切削力而产生的变形尺寸误差，文章设计了一种以切削液为介质的射流作为细长轴车削的随动柔性辅助支撑新的加工方法。最后，对细长轴在有无水射流辅助支撑作用下进行了实验对比分析。结果表明，水射流辅助支撑可很好的减小细长轴加工误差，为提高细长轴的加工质量提供理论指导。

关键词：细长轴；变形；射流支撑；补偿

文章编号：1001-2265(2015)09-0020-04

收稿日期：2014-11-18；修回日期：2014-12-24

作者简介：卢晓艳 (1979—)，女，河北易县人，江苏信息职业技术学院讲师，研究方向为逆向工程技术、CAD/CAM/CAE，(E-mail) luxiaoyan1979@yeah.net。

中图分类号：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

在车床上加工的零件一般都是回转体零件，而轴类零件是经常遇到的典型零件，细长轴本身刚性差，其长度与直径比一般大于25(L/d(25)，且L/d的值越大，刚性越差。细长轴虽然结构简单，但在加工时受到切削力的作用极易产生切削变形与切削振动，造成较大的加工误差，影响加工精度和加工质量[1]。随着先进制造技术的发展，对零件加工精度和加工质量的要求越来越高，而细长轴车削的加工是机械加工中的难点，如何有效的提高细长轴的加工质量，解决细长轴车削加工难题显得尤为重要，国内外专家和技术人员对细长轴加工做了大量研究。Shawky[2]为了实时监测细长轴的壁厚利用超声波原理设计了传感器，对车刀的位置进行反馈并加以调节，来提高细长轴的加工质量。Choudhury[3]等针对刀具设计了在线振动检测及减振系统，通过系统中的光纤传感器将测量到的刀具相对于工件的变化位移传递给振动控制组件产生力来减小这种变化以减少振动。S.C Lin[4]等设计了一套振动检测及减振系统，该系统由振动检测子系统和减振子系统2个子系统组成，振动检测子系统将检测到的工件振动信号发送给对应的减振子系统，进而对切削用量进行调节来减少振动。邓志平[5]通过ANSYS有限元法对双刀车削的细长轴车削加工精度进行仿真分析，并通过试验获取有无双刀车削加工的数据，表明采用双刀车削加工方法可以有效的提高零件加工精度。

本文对细长轴加工误差进行分析，设计了一种以切削液为介质的射流作为细长轴车削的辅助支撑的新切削加工方法，并利用实验获取的数据，绘制细长轴的直径误差对比图。结果表明：采用射流辅助支撑技术可以有效的提高细长轴加工误差的问题。

1细长轴加工误差分析

在车削加工过程中，切削力可以分解为轴向切削力Fx、主切削力Fz、背向力Fy，三者都会在各自的方向上引起细长轴产生弯曲变形，如图1所示。

普通轴类零件车削时产生的尺寸加工误差主要是由车刀及工件的偏移一起造成的，对于细长轴来说，其尺寸误差主要由工件加工时产生的弯曲变形造成。在车削加工中，轴向切削力Fx是在细长轴x方向的分力，对径向变形的影响较小，一般可以忽略；背向力Fy与主切削力Fz是在细长轴y、z方向的分力，并使细长轴在y、z方向产生弯曲变形，对细长轴的加工精度会有直接影响，是造成加工误差的主要原因。

如图2是细长轴车削时产生尺寸误差的过程，dw为细长轴车削前的尺寸，de为车削后的实际尺寸，dm为车削后的理论尺寸，ap为背吃刀量。

图1　车削时合力及其分力

1.车削前的细长轴的位置 2.车削时的细长轴的位置 3.细长轴的理论位置

图2车削时尺寸误差的产生

细长轴本身的刚性很差，在加工过程中易受背向力Fy与主切削力Fz的影响，其在y、z方向产生弯曲变形分别为Δy、Δz，即细长轴车削后的实际直径de为：

(1)

(2)

下面将细长轴变形分解在两个方向，且互相垂直，对弯曲变形引起的加工误差进一步分析，如图3所示。

图3　各个方向引起的误差

图3a中，大圆2表示在背向力Fy作用下车削后细长轴直径，小圆1表示在背向力Fy作用下的理论加工直径；图3b中，大圆2表示在主切削力Fz作用下车削后细长轴直径，小圆1表示在背向力Fz作用下的理论加工直径。

图3a中的尺寸误差为:

Δdy=2Δy

(3)

图3b中，由于Δy和Δz相差不大，均远远小于dm，则此时的尺寸误差为

(4)

由式(3)、(4)可知，由Δy导致的Δdy远大于Δz导致的ΔdZ，Δy为背向力Fy导致的尺寸误差，即通过上述的分析，可以得出背向力Fy是导致细长轴弯曲变形的主要因素。

2细长轴射流支撑补偿设计

细长轴加工过程中，由于切削力的作用细长轴会发生弯曲变形，从而引起加工误差[6]。采用镜像误差补偿原理，即为射流产生一个和切削力相位差180°的冲击力波形以抵消切削力，由此提高零件的工艺刚性，减小零件变形，抑制工艺系统的振动。水射流喷射装置通过夹具固定并且使其和机床车刀同步运动，从而保证切削力和射流冲击力相位差180°。细长轴杆径方向受到的合力为切削力和射流冲击力之差，冲击力通过控制射流供压压力容易进行控制。通过调节供压压力使射流冲击力大小等于切削力大小，因此杆径方向受到的合力可显著减小。图4为细长轴车削射流辅助支撑实验装置，主要由射流发生装置、切削力测量装置及夹具装置等组成。

图4　细长轴车削射流辅助支撑实验装置

3细长轴射流支撑加工模型及力学分析

3.1射流辅助支撑车削模型

细长轴加工过程中，由于切削力的作用使细长轴产生弯曲变形，从而引起加工误差[7-8]。采用镜像误差补偿原理，即车刀和射流喷嘴对称分布，射流可以产生一个和切削力相位差180°的冲击力以抵消切削力，由此提高细长轴的工艺刚性，减小细长轴变形，抑制工艺系统的振动，射流辅助支撑车削基本结构如图5所示。

图5　射流辅助支撑车削结构

3.2射流辅助支撑车削力学分析

在车削加工过程中，切削力可以分解为轴向切削力Fx、主切削力Fz、背向力Fy，三者都会在各自的方向上引起细长轴产生弯曲变形。由上述分析可知，背向力Fy对细长轴加工精度的影响最大[9-10]。

细长轴车削时，常采用一顶一夹的装夹方式，其一端采用三爪卡盘夹紧，另一端采用顶针支承，完成细长轴在车床上的定位与夹紧，根据约束情况，可以将系统简化为超静定梁问题建模，射流辅助支撑车削模型受力简图如图6所示，其中L为细长轴的长度；a为刀具到固定端A的距离；F1、F1x分别为车刀受到背向力和轴向力；F2为射流冲击力；FBy为支座的约束反力；MA为A处的弯距。

图6　射流辅助支撑车削力学模型

射流辅助支撑车削加工时使细长轴发生弯曲变形的力主要是背向力F1与射流冲击力F2的合力。根据切削力的经验公式[11-12]，背向力的表达式为：

Fy= 9.81CFyapxFyfyFyυcnFyKFy

(5)

式中，ap为刀具背吃刀量；f为进给量；vc为切削速度；CFy为工件材料和切削条件对背向力Fy的影响系数；XFc、YFp、YFx、YFy、nFc、nFp分别为公式中，切削深度、每齿进给量和切削速度的指数；KFy为实际加工条件与经验公式中切削条件不同时，各种因素对背向力Fy影响的修正系数之乘积。

(6)

式中：w为B处的垂直挠度。

(7)

(8)

(9)

式中：E为弹性模量；I为惯性矩。

根据(5)~(9)，得到：

(10)

根据静力平衡方程∑Fy=0，得到：

FAy=F1-F2-FBy

(11)

根据静力平衡方程∑FX=0，得到：

FAX=F1X

(12)

根据静力平衡方程∑MA=0，得到：

MA=F1a-F2a-FByL

(13)

则在0

(14)

由边界条：x=0,w=0,w′=0和x=L,w=0，可求出式(14)任意点挠度w为：

(15)

4实验

为了验证本文提出的以切削液为介质的射流补偿技术的有效性，以细长轴进行误差补偿加工实验。实验所用工件的有效长度为L=520 mm，直径D=20 mm，长径约为26，超过25，属于细长轴类工件，且已经过粗加工，工件材料为45号钢。本实验的加工主要参数：主轴转速v=150m/min，进给量f=0.6 mm/min，背吃刀量ap=2mm；喷嘴直径为2mm，喷距为5mm，泵压为12MPa。实验主要设备如下：

(1)车床 CA6136；

(2)DJ-CL-1型三向切削测力仪；

(3)桥式三坐标测量机 GLOBAL Mini，测头半径为1mm。

先取若干根细长轴样件按照未进行射流补偿方法进行加工，车削完成后对细长轴上沿轴向均匀分布的14个点处的直径进行测量，本文取每两点间的间距为40mm；再将细长轴按照本文提出的射流辅助支撑方法进行加工，车削加工完成后同样对14个点处的直径进行测量。细长轴加工实验现场图如图7所示。

图7　细长轴加工实验现场图

4.1实验结果分析

对测量数据进行处理后，可得到进行射流补偿后细长轴的加工误差和补偿前的加工误差对比曲线图，如图8所示。

图8　细长轴补偿前后加工误差对比曲线图

由图8可以看出，当不采用射流补偿加工时，细长轴尺寸误差呈现出中间大两端小的变化趋势，尺寸误差最大值出现在细长轴的中部偏右，最大值约0.072mm，这是因为细长轴中间部位远离卡盘和顶尖；此外，卡盘的刚度大于顶尖的刚度，所以最大尺寸误差并非在细长轴的中间。当采用射流补偿加工时，细长轴沿轴向各点的尺寸误差大小相差不多，最大值约0.013mm。从试验结果可以看出，射流辅助支撑细长轴加工很大程度提高了工艺系统的刚度，抑制了细长轴加工误差，可以有效提高细长轴的加工精度。

5结论

细长轴是典型的低刚度零件，在生产生活中有着

广泛的应用，由于其刚性较差被认为是机械加工中的难题。随着先进制造技术的发展，对细长轴的要求也越来越高，加工难度也越来越大，特别是航天航空工业的发展对零件加工精度的要求越来越高，传统的加工方法很难满足加工精度和生产效率的要求。针对这一问题，本文通过设计以切削液为介质的射流作为细长轴车削辅助支撑新的加工方法。通过实验验证，该方法能够有效的提高细长轴的刚性，减小和抑制细长轴因切削力引起的弯曲变形，有效解决了低刚度零件的加工效率低和质量难以保证的难题。

[参考文献]

[1] 张红丽. 看图学车床加工[M].北京:化学工业出版社，2010.

[2] AM Shawky，MA Elbestawi. In-process Evaluation of Workpiece Geometrical Tolerances in Bar Turning[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture.1996，36(1):33-46.

[3] SK Choudhury,MS Sharath.On-line control of machine tool vibration during turning operation[J].Journal of Materials Processing Technology,1995,47(3-4):251-259.

[4] SC Lin，MR Hu.Low Vibration Control System in Turning[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture,1992(32) :629-640.

[5] 邓志平，金龙，张洪. 细长轴的双刀车削加工精度的研究[J]. 中国机械工程学报，2014,12 (1)：44-47.

[6] 董久虎，谌永祥，李双跃，等．薄壁叶片加工变形误差补偿[J]．机械设计与研究，2013,29 (4): 81-85.

[7] 董久虎，谌永祥，李双跃，等.薄壁叶片加工变形误差补偿[J].机械设计与研究，2013 (8): 81-85.

[8] 虞文俊. 细长轴类工件车削加工研究[D].成都:西华大学，2010.

[9] 赵刚. 细长轴双刀车削有限元法仿真研究[D].城都:西华大学，2013.

[10] 郭建亮.细长轴类工件车削加工的研究[D]:哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

[11] 杨淑子. 机械加工工艺手册[M]. 北京：机械工业出版社，2001.

[12] 陈窦钧. 实用机械加工工艺手册[M]. 北京：机械工业出版社，2003.

(编辑李秀敏)