內孔加工自動進給裝置的設計與試驗研究?

王志強，楊勝強，李文輝

（太原理工大學，山西 太原 030024）

0 引言

通過對典型的內孔表面光整加工方法進行比較，發現傳統的加工方法和設備很難對深孔、變徑孔、彎孔、階梯孔等內孔表面有效地去除毛刺及進行精磨削加工。本文在氣粒兩相流光整加工［1］的基礎上設計了一種內孔加工自動進給裝置，它能帶動氣粒兩相流光整頭進入管道內部，實現對深孔表面的光整加工。該自動進給裝置結構簡單，能夠帶動光整頭沿工件內表面勻速運行，且控制方便。

1 氣粒兩相流光整加工

圖1為氣粒兩相流光整頭的工作示意圖，光整頭直徑與管道內徑相同，其內部開有一環槽及3個切向孔，中心空槽與通氣管連接。當壓力氣體從通氣管進入光整頭的內部，并通過3個切向孔進入環槽中，壓力氣體便在環槽中高速旋轉，形成環流，并且帶動環槽中的固體磨粒沿環槽旋轉，磨粒與工件內壁發生碰撞和磨削，從而實現對其表面的光整加工。多余的氣體則從光整頭與工件的間隙排出。

圖1 氣粒兩相流光整頭的工作示意圖

2 自動進給裝置的工作原理［2］

由于光整加工是連續進行的，每個表面需要有短暫的加工時間，這就要求自動進給裝置的運行速度不能過快，如果進給速度過快，則會造成加工效果不明顯、加工效率低等后果。由于螺旋驅動具有將旋轉運動直接轉換為直線運動的特點，并且不需其他中間傳動環節，因此利用螺旋驅動原理，可以設計出結構簡單、控制方便的推進裝置，實現預期功能。

2.1 自動進給裝置組成

圖2為內孔加工自動進給裝置的工作示意圖。自動進給裝置帶動氣粒兩相流光整加工頭沿管道移動，同時光整頭對內壁進行精磨削。自動進給裝置由驅動電機、螺旋驅動單元和導向部分組成。當電機輸出轉矩后，帶動螺旋驅動單元沿管道軸線轉動，并且產生軸向力，推動導向單元向前運動。導向單元由兩排導向輪組成，每排由呈120°均勻分布的3組輪組成。電機箱體內裝有電機，其輸出軸與螺旋驅動單元通過聯軸器相連。導向輪和驅動輪則利用彈性裝置柔性地壓緊在工件內表面。當自動進給裝置工作時，螺旋驅動單元旋轉，包括電機箱體、導向輪在內的導向部分不產生轉動，而是沿管壁軸向移動，從而推動光整頭沿軸向移動。改變施加于電機的電流極性，可改變自動進給裝置的運動方向，使裝置在管內沿相反的方向運動。

2.2 驅動原理分析

由自動進給裝置的結構可知，自動進給裝置的關鍵組成部分在于螺旋驅動單元，電機輸出轉矩直接到驅動單元后，不需要中間換向機構就可以產生軸向運動，其依靠的是螺旋驅動原理。圖3為螺旋驅動原理分析圖，坐標系中x 軸為管道圓周切線方向，y 軸為管道軸線方向。驅動輪與x 軸呈θ 角，即螺旋角，當電機輸出轉矩后，在驅動輪的螺旋方向產生驅動力f，該驅動力在x、y 軸分別產生分力，在x 軸上的分力fx提供了螺旋驅動單元沿管道軸線旋轉的動力，在y 軸上的分力fy提供了整個自動進給裝置沿管道軸線運動的動力。

圖2 自動進給裝置工作示意圖

圖3 螺旋驅動原理分析圖

3 自動進給裝置的功率計算［3］

自動進給裝置中有3對驅動輪和6對導向輪，為保證內孔加工自動進給裝置能夠帶動氣粒兩相流加工頭正常運動，對其進行受力分析，計算出裝置勻速運行所需的電機功率和彈簧正壓力。

圖4為自動進給裝置受力分析圖。其中，F 為驅動輪沿管壁螺旋方向的摩擦力，F1為導向輪受到的滾動摩擦力，G 為自動進給裝置所受的重力，W負載為光整加工頭產生的阻力，Hx和Hy分別為由整體的阻力引起的驅動輪與管壁的最大靜摩擦力在圓周方向和軸向上的分力，N1為驅動輪受到管壁的反作用力，N2為導向輪受到管壁的反作用力，H 為導向輪與管壁在圓周方向產生的最大靜摩擦力，Tm為電機輸出的力矩。

圖4 自動進給裝置的受力分析圖

為了表示得更清楚，給出了驅動輪的受力分析，見圖5。圖5中，Fr為驅動輪受到的滾動摩擦力，Fx、Fy、Fz為驅動輪軸對驅動輪產生的反作用力，θ為螺旋角。

假設3組驅動輪和3 組導向輪的受力相同且均勻，則得到自動進給裝置的下列4組靜平衡方程。

（1）取裝置整體為分析對象，在y 軸方向取合力，由力平衡方程可得：

其中：R 為驅動輪半徑；fr為滾動摩擦系數。

圖5 驅動輪的受力

（2）取螺旋驅動單元為分析對象，對y 軸取合力矩，由∑My＝0，得：

其中：D 為管道內徑。

（3）取單個驅動輪為分析對象，對輪心取合力矩，由∑MO＝0，得：

其中：fh1為輪與輪軸摩擦系數；r為輪軸半徑。

（4）Hx和Hy滿足下列關系：

其中：fh為輪子與管壁的靜摩擦系數。

同時，自動進給裝置運動過程中導向輪與管壁的圓周方向的靜摩擦力產生的力矩需大于自動進給裝置螺旋推進所需的力矩，否則，整個保持機構將發生旋轉而失效，即由導向輪不發生相對管壁的滑動有：

自動進給裝置所需的牽引力為100 N，總重量m＝6.3kg，管道內徑D＝244 mm，車輪半徑R＝12.5mm，輪軸半徑r＝4mm，螺旋角θ＝10°。聯立式（1）～式（5）得：N1＝24.47N，N2＝3.53N，Tm＝3.98 Nm，自動進給裝置所需電機功率為P＝12.5 W。

4 初步試驗

圖6為加工制作的內孔加工自動進給裝置及在管道中行走示意圖。其箱體材料為尼龍，聯軸器采用剛性聯軸器，電機功率為15 W，轉速范圍0r／min～30r／min，通過調速器調節裝置的轉速。

圖6 自動進給裝置在管道中行走

將螺旋傳動自動進給裝置放入管道中，對自動進給裝置沿水平方向進行測試，得到電機的轉速與自動進給裝置行走速度的關系，見表1。

表1 自動進給裝置沿水平方向運動的測試結果

試驗結果表明，內孔加工自動進給裝置的電機轉速在0r／min～26r／min之間，行走速度為0mm／s～40.3mm／s，裝置在管道中運行平穩。

5 結論

經過設計計算，開發了可以進行氣粒兩相流光整加工深孔表面的內孔加工自動進給裝置，對裝置進行受力分析和計算，確定自動進給裝置所需的電機功率、彈簧正壓力等。通過試驗，測得自動進給裝置在管道中的行走速度在0mm／s～40.3 mm／s之間，為下一步的設計和實驗研究提供了理論依據。

［1］ 楊曉春.面向孔表面氣粒兩相強制環流光整加工數值模擬和實驗研究［D］.太原：太原理工大學，2011：27－32.

［2］ 蘇毅，易方，李著信，等.一種適用于管道推進裝置的新型螺旋驅動器［J］.化工機械，2010，37（1）：83－86.

［3］ 郭瑜，尚建忠，羅自榮，等.微小型螺旋驅動管道推進裝置建模與分析［J］.機械制造，2006，44（12）：11－14.