刀具磨損自動補償精密鏜削結構設計與研究*

黃 娟 肖鐵忠 高 靜 羅 靜

(①四川工程職業技術學院，四川 德陽618000;②重慶理工大學汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶400054)

隨著加工技術向微米、納米級別的發展，機械加工領域的精度要求越來越高。傳統超精密機床主要靠提高機床主軸、導軌、絲杠、微進給機構等基礎元部件的精度來提高加工精度，但是現有基礎上再提高其精度已變得十分困難［1］;現在超精密加工更多采用的是對工件加工精度實時測量并通過微位移補償機構進行誤差補償［2］。而刀具磨損是影響加工精度的重要因素之一。開發超高精度的加工技術已成為加工領域的重要任務之一，工件加工精度要求越高，刀具磨損帶來的影響越大。要達到提高加工精度的目的，解決刀具磨損對加工精度的影響，需要設計能對刀具刀刃位置進行微米、亞納米或納米級調整的刀具磨損裝置。壓電陶瓷驅動器因具有體積小、驅動電壓低、響應快、位移分辨率高、不發熱、無噪聲等特點，是微位移機構中應用最廣的驅動元件之一［3-4］。本文以某缸孔精鏜刀具為例，利用壓電陶瓷作為驅動元件，設計對刀具磨損進行誤差補償的微位移機構。

1 微位移自動補償鏜削結構設計

1.1 鏜削結構設計

本文設計的鏜削刀具針對某汽車發動機缸體缸孔精加工工序，缸孔尺寸精度及形位誤差要求均較高，刀具在加工時因磨損而使其精度較難維持，需要設計結構合理的自動補償刀具，實現刀具磨損補償，保證加工質量。設計的精鏜刀具如圖1所示，精鏜刀1完成缸孔的精鏜，倒角刀6完成缸孔頂部的45°倒角，當刀刃位置磨損達到一定值時，微位移補償機構2自動完成刀片的徑向位移，實現刀具磨損的自動補償，保證產品加工質量。

1.2 微位移自動補償機構

微位移機構一般由控制系統、微動機構及檢測裝置組成［5］。微動機構是指行程在毫米范圍內，精度及靈敏度在微米、納米級的機構。微位移機構根據形成微位移的驅動機構可分為機械式和機電式兩大類［6］，如圖2所示。

機械式微位移機構是傳統的在精密機械及儀器中應用最為廣泛的機構，此機構因存在機械間隙、磨損及爬行現象等缺陷，其運動精度及靈敏度均不高，無法應用于高精度與超高精度場合，一般在中等精度場合應用較多;機電式微位移機構是近年發展起來的，也是目前在精密、超精密機械及儀器中應用最為廣泛的新型微位移器件。

本文設計的微位移機構應用于某缸孔精密鏜削刀具刀刃的磨損補償，鏜削刀具尺寸小、安裝空間狹窄、加工精度要求高，因而要求補償機構應具有尺寸小、安裝方便、不發熱、位移精度高等特點。綜上分析，本課題選擇壓電陶瓷作為微位移機構的驅動元件。

微位移補償機構如圖3所示，圓管狀壓電陶瓷1的內外壁作為電極，當其通以正向電流時，壓電陶瓷1伸長，推動方形楔塊2、圓柱楔塊3徑向移動，使精鏜刀4克服壓板彈簧5的壓力完成徑向補償，然后接入反向電流，壓電陶瓷收縮，圖示方形楔塊2的下端出現間隙，方形楔塊向圖示的左邊移動消除間隙。如此對壓電陶瓷1通以正反向電流實現刀具的徑向補償。

2 位移特性分析

在利用壓電陶瓷做驅動器的微位移機構中，在加工過程中必須考慮切削力對壓電陶瓷的影響。采用圖4所示的坐標系對切削力進行估算，切削力計算的指數公式為:

式中:CFX、CFY、CFZ為由被切削材料與切削條件共同決定的系數;xFX、xFY、xFZ，yFX、yFY、yFZ，nFX、nFY、nFZ分別為公式中背吃刀量ap，進給量f，刀具切削線速度v的指數;KFX、KFY、KFZ分別為3個分力計算式中當實際加工條件與求經驗公式時的條件不符時，各種因數對切削分力修正系數的積。

精鏜時，切削用量參數為:ap=0.1 mm，v=400 m/min，f=0.1 mm/r，通過參數查找并計算，得到精鏜時刀刃位置的力為:切向力FX=18 N，徑向力FY=9 N，軸向力FZ=6 N。

壓電陶瓷是具有有限剛度的彈性體，在壓力的作用下會使其產生位移。由壓電陶瓷的特性可知，在運動過程中，壓電陶瓷如受到恒定的載荷，將產生一定的零點偏移，但是不影響通電時輸出的幅值，同理，如受彈性壓力也會產生一定的零點偏移，但不影響輸出幅值［1，7］。壓電陶瓷受力后產生的位移可表示為:

式中:ΔL為零點位移，μm;F為壓電陶瓷所受的力(變力或恒力)，N;Kr為壓電陶瓷的剛度，N/μm。

本文設計的鏜削結構針對某缸體缸孔的精鏜加工工序，切削參數確定，刀片所受的各向力可視為恒力。當F為恒力時，其電壓位移特性曲線將發生零點偏移，如圖5所示。

圖中ΔL為零點位移，L0、L1分別表示壓電陶瓷不受力與受力時的電壓位移特性曲線。可知，實際加工時，只需考慮受力帶來的零點偏移即可。

3 鏜桿有限元分析

3.1 鏜桿幾何模型及有限元模型的建立

3.1.1 幾何模型的建立

為了分析的便利，對鏜桿模型進行簡化:忽略倒角、倒圓等對分析結果影響不大的細部結構［8］。簡化后鏜桿模型如圖6所示。

3.1.2 材料屬性

鏜桿采用40Cr，其材料屬性為:彈性模量E=211 GPa(20℃)，密度為7 900 kg/m3，泊松比為0.28。

3.1.3 網格劃分

本文利用HyperMesh軟件對鏜桿進行有限元分析，在此軟件中三維實體單元網格以四面體、六面體及多面體單元為主［9］。本文采用的是四面體單元。網格劃分的基本過程是先在實體表面上生成二維網格，然后通過“擠壓”的方式生成實體網格單元。采用此方法劃分網格的鏜桿有限元模型如圖7。

3.2 鏜桿靜動態特性分析

3.2.1 鏜桿靜態分析

鏜桿工作時的受力已在前面求出，將鏜桿凸臺處的4個沉頭孔進行約束(鏜桿與主軸是剛性連接)，分別在鏜削刀及倒角刀處添加力及扭矩后，求解得到鏜桿工作受力最大時的瞬時位移變形云圖，如圖8。

鏜桿靜力分析位移變形統計見表1。

表1 鏜桿靜力分析位移統計表

鏜桿所示的坐標系中，Z向與Y向的位移變形會影響缸孔精鏜時缸孔的圓度與圓柱度的精度，是鏜孔時的誤差敏感方向，其Z向與Y向位移引起缸孔圓度與圓柱度原始誤差經計算為Δ=0.347μm，即鏜桿原始誤差遠小于缸孔圓度及圓柱度精度要0.008 mm，知鏜桿剛度滿足工藝系統剛度要求。

3.2.2 鏜桿動態分析

對鏜桿進行加載約束分析，得到的前六階固有頻率，文中只給出鏜桿的前兩階固有頻率云圖，如圖9。

鏜桿前六階固有頻率及振型統計如表2所示。

表2 鏜桿前六階固有頻率及振型統計表

由表2可知，最小固有頻率為934.982 Hz，遠大于機床工作轉速1 944 r/min引起的激振頻率32.4 Hz，在機床正常工作時不會出現共振的情況，鏜桿滿足動態使用要求。

4 鏜削結構的應用

圖10為設計的鏜削結構在某專用鏜床上的應用，通過機床的成功開發，并對缸體缸孔進行加工實驗，經過實測，缸孔的尺寸精度與形位精度均達到或超過了企業的設計要求。鏜削結構在專機上應用1年多以來，各項性能均保持良好，大大縮短了輔助時間，提高了生產效率，為企業節約了成本，創造了較高的經濟效益。

5 結語

(1)設計了某缸孔精加工刀具磨損自動補償鏜削結構，補償位移精度為±1μm，行程為0.1 mm。

(2)分析了微位移機構的位移特性，在精加工時需要考慮恒定徑向切削力對自動補償機構位移的影響;對整個鏜削結構的靜動態特性做了分析，設計的結構滿足使用要求。

(3)所設計的鏜削結構在某專用鏜床上使用1年多以來，各項精度保持良好，生產效率提高了近30%，生產成本降低了將近兩成，為企業帶來了較好的經濟效益。

［1］趙佩鳳，林子賀.刀具磨損補償用壓電陶瓷微位移器的特性分析與實現方案［J］.大連交通大學學報，2011(8):32-36.

［2］馬淑梅，陳彬.超精密加工中的微位移技術［J］.同濟大學學報，2000(12):684-687.

［3］劉定強，黃玉美，謝禮，等.壓電型宏微雙驅動精密定位系統點位協調控［J］.農業機械學報，2011，42(4):220-223，233.

［4］丁金福，鄂世舉，曾平，等.精密車削二維微位移刀架研究［J］.農業機械學報，2012，43(4):230-234.

［5］劉振波.微位移技術研究［D］.長春:長春理工大學，2007.

［6］劉登云，楊志剛，程光明，等.微位移機構的現狀及趨勢［J］.機械設計與制造，2007，01:156-158.

［7］王社良，劉敏，樊禹江.新型壓電陶瓷驅動器的特性分析［J］.材料導報，2012，26(22):153-156.

［8］苑春迎，羅靜，詹捷，等.汽車發動機缸體曲軸孔專用機床鏜削結構設計［J］.四川兵工學報，2011(11):92-95.

［9］于開平.HyperMesh從入門到精通［M］.北京:科學出版社，2005.