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当成形联接轴毂孔数控车削加工的研究

发布时间:2021-09-11 08:50:32 阅读: 来源:大鹏卡槽厂家

成形联接轴/毂孔数控车削加工的研究

1 前言

成形联接(无键联接)具有较大的断面积和惯性矩,联接面上没有键槽及尖角等应力源,在传动中依靠接触面传递扭矩,承载能力高,不会因应力集中而破坏,在保证相同的刚度和强度的条件下,尺寸较小,对于具有锥度的成形联接可以承受单方面的轴向力,非常适合在重载或安装要求较为紧凑的条件下使用。然而由于型面复杂‘从某种含义上讲,加工、制造困难,还没有得到广泛应用。 近年来,已有一些学者研究提出了多种加工方法,如采用四轴联动数控铣削、磨削利用这些资源制造发动机排气净化材料加工、成形插削加工等。但都因为各自的缺点,没有得到实际应用。

实际上,对于成形联接中的典型零件,如三角、四角等形状的轴/毂孔(图1) ,最直接和高效的加工方法是车削加工。当刀架性能满足要求时,采用内孔镗刀或外圆车刀,可以加工型面较为复杂、无间隙配合的三角轴/毂孔(也可以采用与车削加工相同的数控装置和控制方法,变车刀为磨头进行磨削加工)。当采用计算机校制系统数控加工时,计算机可以根据型面设计和工艺要求自动生成加工数据(电称为软靠模)在加工不同型面时仅需更换数据,具有较大的柔性。采用车削加工的关键在于大行程、高响应、高精度的伺服刀架和有效的控制策略。笔者在实践中采用特殊设计的电液伺服刀架和迭代学习控制策略.刀架的-3dB频宽达到130Hz,切削行程为 2mm,切削力满足对钢材加工的要求。以一套数控系统同时完成锥度和三角形截面的加工,并对直径为20mm、锥度为1:20通过产品自检、工序互检、质量专检等措施 的三角轴/毂孔进行了加工实验,获得了成功。

2 型面介绍

由于三角轴等成形联接使用较少,其设计方法也未能标然后到达控制横梁移动的目标准化和系列化。通常是依据所采用的加工方法,并为方便加工,以分段圆弧、偏心圆弧、摆线、等距曲线等构成成形曲线。本文采用的三角轴/孔的廓形曲线如图2 。从图中可以看出,最大切削量为1.26mm。如果将切削量按旋转角度在X-Y平面展开,其形状如图3。从图2和图3可以看出,机床主轴旋转一周,刀架必须往返3次。 对于有锥度的三角轴/毂孔,其塑面轮廓为锥度曲线和三角轴曲线的合成。由于采用计算机控制刀架按照给定的切削量运动,且切削量按照 走刀量 进行计算以控制工件加工长度与所生成的数据量一一对应。因此,锥度曲线与三角轴曲线合成时,应当注意将三角轴/毂孔对应长度处的值相加,而不是简单相加。 叠加了锥度后的轴/毂孔.其加工的切削量大于柱形三角轴/毂孔,同时其有三角形截面的复杂性。对刀架动特性的要求则更加苛刻。

3 型面分析

在三角轴/毂孔的加工中,理想的刀架运动将是图3所示的切削量轨迹这也是控制系统的给定指令曲线。从图3可以看出,主轴旋转一周,刀架将往复三次。实际上,这一运动通常包含高次谐波。这一点,通过对给定运动轨迹的傅立叶展开可以清楚地看到。在难以得到解析解的情况下,也可以对给定数据进行拟合,分析该曲线的信号成分。本文采用多项式的正交化最小二乘方法进行拟合,令g(q)为切削量曲线,拟合结果如下:

式(2)表明,刀架运动的基频为主轴旋转频率的3倍,同时含有2倍频和3倍频。因此,应适当选择加工时的主轴转速以保证刀架的-3dB 频宽满足上述要求。同时,还应注意到,对于非线性系统,其-3dB频宽随输入信号幅值变化,通常是输人幅值越大,-3dB频宽越小。

图4 迭代学习控制策略框图

1.光电编码器 2.工件 3.伺服阀 4.位移传感器 5.刀架

图5 加工控制系统

4 控制策略

从上面的分析可以看出,带有锥度的三角轴/毂孔等成形联结,其型线具有切削量大(给定信号幅值较大),型线相对复杂,含有高频谐波等显著特点。型线从其截面看,有较强的重复性同时具有渐变性。实践证明.在高速加工情况下,对于这样的型线,采用通常的反馈控制难以获得高精度,而迭代学习控制是较适合的方法。 迭代学习控制由日本Arimoto教授提出,用于结定信号周期重复问题的控制。其应用的条件是系统满足给定信号、负载扰动、初始条件以及系统动特周期性重复的要求。从其结构、对信息的利用、对实施控制的条件等方面来看,这一控制策略已不同于以往的反馈控制,而应属于智能控制的范畴。然而,考虑到三角轴/孔等成形联结零件型线的渐变特性,与迭代学习控制的重复性要求是一对矛盾。解决这一矛盾的关键在于提高控制策略的收敛速度,使其高于型线周期变化的速率。 本文采用的控制策略框图如图4。为提高迭代学习控制策略的收敛速度,对经典迭代P型学习控制策略进行了修正,增加了针对给定信号渐变的控制量。实践证明效果良好。

5 试验结果

依据以上分析,实践中在主轴转速600r/min的条件下,进行了锥度为1: 20的三角轴/孔的实际加工。采用计算机控制技术、控制高响应电液伺服刀架运动.加工控制系统如图5。图6 为三角孔控制系统跟踪结果。图7为三角孔某一母线的跟踪结果。图中,实线为给定曲线,虚线为跟踪结果。从图中的跟踪误差可以清楚地看出,截面的误差均在20 m以内。

本文采用高响应电液伺服刀架和跟踪控制策略,对成形联结中典型的三角轴/毂孔零件进行了具有锥度时的车削加工试验。试验结果表明,车削加工可以获得较高的效率和精度,避免了采用多轴连动数控加工所必须的高投入,并且可以加以改装、以同样的控制方式完成磨削等精加工,具有较大的应用前景。

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