成形聯(lián)接的數(shù)控車削研究

1 引言

成形聯(lián)接是利用非圓剖面的軸與相應(yīng)輪廓的轂孔所構(gòu)成的軸轂聯(lián)接(圖1)。這種聯(lián)接不用鍵或花鍵，故又稱無鍵聯(lián)接，或型面聯(lián)接。

軸頭和轂孔可以是柱形的(圖1a)也可以是錐形的(圖1b)。柱形的除靜聯(lián)接外還可以用于無載荷作用下做軸向移動(dòng)的動(dòng)聯(lián)接；錐形的裝拆容易，還可承受單方向的軸向力。

由于成形聯(lián)接具有拆裝方便，能保證良好的對(duì)中性；聯(lián)接面上沒有鍵槽及尖角，減小了應(yīng)力集中，因而承載能力高，可傳遞大扭矩，疲勞強(qiáng)度高，可替代鍵或花鍵聯(lián)接。對(duì)于帶錐度的成形聯(lián)接軸(孔)能夠做到無間隙配合，性能更優(yōu)良，工作更可靠。這種理想的設(shè)計(jì)，一直因?yàn)榧庸すに噺?fù)雜，對(duì)工藝過程研究不夠，尚無良好的加工設(shè)備及刀具、量具，至今使其廣泛應(yīng)用受到很大的限制。因此，要使其作為通用的基礎(chǔ)零件推廣應(yīng)用，關(guān)鍵在于正確地解決其加工方法。

圖1 成形聯(lián)接

現(xiàn)有的加工方法中，典型的非圓成形軸加工可以采用靠模仿型法和機(jī)械式運(yùn)動(dòng)合成法實(shí)現(xiàn)。非圓型孔可以用成形插刀來加工，這些方法或需要硬靠模，或需要專用機(jī)床或系列專用刀具，制造柔性差，生產(chǎn)效率低，所以，采用數(shù)控加工已成為趨勢(shì)。浙江大學(xué)的鄔義杰，在一臺(tái)XK5040三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床上，對(duì)三角軸進(jìn)行了銑削加工試驗(yàn)。本文介紹的數(shù)控車削系統(tǒng)利用高響應(yīng)電液伺服油缸作進(jìn)給機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)刀架在工件的徑向作快速運(yùn)動(dòng)，跟蹤加工成形聯(lián)接面。只用一套數(shù)控裝置，就能夠完成非圓軸截面和錐度的加工，對(duì)刀和調(diào)整十分方便。

2 成形聯(lián)接軸(孔)數(shù)控車削系統(tǒng)的構(gòu)成和加工原理

數(shù)控加工系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。在PC總線的工控機(jī)上，可通過軟件來改變成形軸(孔)的形狀、尺寸大小和錐度比例等。加工時(shí)，工控機(jī)檢測(cè)車床主軸轉(zhuǎn)角和液壓伺服刀架位置，實(shí)時(shí)反饋控制伺服系統(tǒng)車削工件，做到了無靠模車削。

1.伺服放大器 2.位移傳感器 3.閥控缸 4.工件 5.光電編碼器
圖2 加工系統(tǒng)構(gòu)成框圖

在成形聯(lián)接軸的車削過程中，以典型的帶錐度的PK-3成形軸的加工為例，本文采用一套數(shù)控系統(tǒng)同時(shí)完成錐度和PK-3成形軸截面兩種運(yùn)動(dòng)。加工時(shí)，成形聯(lián)接軸表面的空間軌跡如圖3所示，該軌跡由工件繞主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(繞Z軸)、伺服刀架的往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)(X軸方向)和伺服刀架的勻速走刀運(yùn)動(dòng)(沿Z軸方向)復(fù)合而成。伺服刀架的往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軌跡，是由計(jì)算機(jī)控制下的電液伺服系統(tǒng)跟蹤特定的輸入曲線來實(shí)現(xiàn)的。該輸入曲線被稱為跟蹤曲線，其本質(zhì)是液壓靠模仿形加工中仿形頭的運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)跟蹤曲線由計(jì)算機(jī)生成時(shí)，如果加工相同零件時(shí)，跟蹤曲線能夠精確地保持不變；如果加工零件變化時(shí)，跟蹤曲線能夠靈活地由軟件改變，完全代替靠模。因此，跟蹤曲線又稱為“軟靠�！�。

圖3 成形聯(lián)接軸表面的空間軌跡

跟蹤曲線以工件繞主軸回轉(zhuǎn)一周的角度(2π弧度)為一個(gè)周期。本系統(tǒng)用光電編碼器檢測(cè)主軸回轉(zhuǎn)的角度，計(jì)算機(jī)控制跟蹤曲線與回轉(zhuǎn)的角度同步，電液伺服系統(tǒng)跟蹤曲線，使刀架運(yùn)動(dòng)與工件回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)保持協(xié)調(diào)同步。

在完成加工這一動(dòng)力學(xué)過程的問題上，本設(shè)計(jì)采用的跟蹤方法與插補(bǔ)法完全不同。一般數(shù)控系統(tǒng)是指采用計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)，既包括基于插補(bǔ)原理的數(shù)值控制(Numerical Control)，也包括基于動(dòng)力學(xué)的數(shù)字控制(Digital Control)。本文采用了后者。這就要求提高伺服刀架的頻寬和行程。本文采用的新型電液伺服進(jìn)給刀架，克服了一般電液伺服系統(tǒng)響應(yīng)低的缺點(diǎn)，頻寬超過130Hz，設(shè)計(jì)的最大行程為8mm。

本文用PK—3成形軸的廓形曲線(又稱P3或K形成型軸聯(lián)接)來進(jìn)行討論。PK—3成形曲線有簡(jiǎn)明的表達(dá)式，在圖4中的參數(shù)方程為：

x(t₀)=(R-ecos3t₀)cost₀+3esin3t₀sint₀
y(t₀)=(R-ecos3t₀)sint₀-3esin3t₀cost₀

式中 R——平均半徑，mm
e——偏心量，mm
t0——角參數(shù)，rad

由式(1)和(2)，如圖4用極坐標(biāo)時(shí)，計(jì)算截面廓形曲線的矢徑ρ(mm)和極角θ(rad)為

r=(x²+y²)^½
q=arctg(y/x)

圖4 PK-3成形軸的截面廓形 圖5 PK-3成形截面的跟蹤曲線

采用跟蹤法車削加工時(shí)，伺服刀架刀尖往復(fù)的位置就是矢徑r的變化量，以下的跟蹤曲線均以矢徑r和極角q表示。PK—3成形軸截面的跟蹤曲線如圖5，圖例中取R=7mm，e=0.45mm，該曲線的傅立葉展開式為

式中 ω=3ω0,t∈[0,60L/Sn]
ω0——車床主軸角速度，rad/s
t——時(shí)間，s
n——車床主軸轉(zhuǎn)速,r/min,n=60w0/2π
L——PK—3成形軸加工部分長(zhǎng)度，mm
S——車床走刀量，mm/r

式(3)中的k實(shí)際并不取∞，而是根據(jù)精度要求選取，本文k取3。

根據(jù)kw，設(shè)計(jì)電液伺服系統(tǒng)的頻寬。

在進(jìn)行錐度PK—3成形軸加工時(shí)，錐度的跟蹤曲線為

ρ1=αSωt/2π (4)

式中 α——PK—3成形軸的錐度比系數(shù)

圖6為錐度的跟蹤曲線。合成后的跟蹤曲線為

ρ=ρ0+ρ1

圖7為加工長(zhǎng)度L上的合成跟蹤曲線。

圖6 錐度的跟蹤曲線 圖7 錐度PK-3成形軸的合成跟蹤曲線

當(dāng)采用伺服液壓缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，很容易跟隨合成的跟蹤曲線。這樣，一套數(shù)控系統(tǒng)同時(shí)完成了錐度和PK—3成形軸截面兩種變化。刀架按合成的軌跡運(yùn)動(dòng)，其行程大于單獨(dú)加工不帶錐度的PK—3成形軸時(shí)的行程。

3 系統(tǒng)控制方法和加工試驗(yàn)

采用電液伺服刀架作驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有切削力大，剛性好的特點(diǎn)。但由于電液伺服系統(tǒng)本身的非線性因素，一般線性系統(tǒng)的控制方法難以勝任，必須采用具有一定適應(yīng)能力的非線性控制策略。本系統(tǒng)采用筆者已研究的自適應(yīng)控制算法，具體可見《機(jī)床與液壓》雜志1995年第2期刊載的《高響應(yīng)高精度電液伺服系統(tǒng)自適應(yīng)控制的工程實(shí)現(xiàn)》一文。

PK—3成形軸的數(shù)控車削試驗(yàn)是在一臺(tái)普通MAZAK—J1車床上進(jìn)行的，結(jié)構(gòu)如圖2。改裝時(shí)，首先，在原車床主軸尾端加上了一個(gè)光電編碼器，用來測(cè)主軸轉(zhuǎn)角。其次，將原車床刀架換成了液壓伺服刀架，并在液壓伺服刀架上加裝位移傳感器，用來測(cè)刀架位移，安裝十分方便。在控制系統(tǒng)中，主機(jī)為一PC總線的CONTEC工控機(jī)，接口是12位的A/D和D/A，位移傳感器為L(zhǎng)VDT-1型壓差式傳感器，-3dB頻寬240Hz，測(cè)量范圍0～±3mm。伺服刀架為自制高響應(yīng)低摩擦液壓油缸，行程為±4mm，液壓剛度kh=66.8N/µm，固有頻率為fh=450.7Hz。試驗(yàn)時(shí)，利用光電編碼器每周的零位脈沖，作為主軸回轉(zhuǎn)角與跟蹤曲線的周期同步信號(hào)。加工時(shí)，無論成形軸或孔，車削刀具均采用普通通用刀具(外圓車刀和內(nèi)孔鏜刀)，安裝在伺服刀架上。對(duì)刀時(shí)，先由計(jì)算機(jī)將控制輸出量送零值，保持刀架不動(dòng)，按一般車削圓工件方法，手動(dòng)試切對(duì)刀。試驗(yàn)加工零件為45號(hào)鋼，在主軸轉(zhuǎn)速為600r/min時(shí)，進(jìn)行了平均直徑��20mm、錐度比為1∶40、帶錐度的PK—3成形軸和孔的車削。用加工好的錐度PK—3成形軸和孔，可以做到無間隙配合，取得較滿意的效果。

4 結(jié)論

1) 采用本文提出的方法車削加工成形聯(lián)接軸(孔)時(shí)，設(shè)備簡(jiǎn)單，工件裝夾和對(duì)刀調(diào)整容易，使用方便，成形聯(lián)接件易于推廣應(yīng)用。
2) 作為一般應(yīng)用，帶錐度的成形聯(lián)接件，能做到無間隙配合，更便于使用推廣。
3) 作為產(chǎn)品，成形聯(lián)接件的檢驗(yàn)測(cè)量問題有待進(jìn)一步研究。
4) 試驗(yàn)表明，本文的理論分析、電液伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)是正確可行的，該方法還可為其它非圓表面的加工提供借鑒。