基于Preston方程的反射杯抛磨工艺参数研究

2018年7月
第46卷第14期
机床与液压
MACHINETOOL&HYDRAULICS
Jul 2018
Vol 46No 14
DOI:10.3969/j issn 1001-3881 2018 14 004
收稿日期:2017-01-16
基金项目:2016年保定市科学技术研究与发展计划(16ZG011);河北农业大学青年学术带头人资助项目(1002001-3)作者简介:韩晓露(1989 ),男,研究生,研究方向为机电一体化技术㊂E-mail:hanglela@sina com㊂通信作者:
王家忠,E-mail:wjz9001@163 com㊂
基于Preston方程的反射抛磨工艺参数研究
韩晓露,王家忠,弋景刚,刘江涛
(河北农业大学机电工程学院,河北保定071001)
摘要:反射杯是液电冲击波式碎石机的关键部件之一,目前国内主要依靠手工抛磨㊂为了实现反射杯尺寸精度㊁表面粗糙度和品质稳定㊁高效生产,在经改造的数控车床上,对一种气囊式抛磨头的反射杯抛磨工艺进行研究㊂在Preston去除函数解析的基础上结合椭圆赫兹接触理论,确定影响反射杯内表面材料去除量的重要参数㊂为了保证抛磨的质量要求,优化了抛磨轨迹㊂试验结果表明,达到了反射杯尺寸精度和表面粗糙度要求㊂
关键词:气囊抛磨;Preston方程;材料去除量;抛磨轨迹汪伊涵
中图分类号:TG519 1㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-3881(2018)14-012-5
StudyonPolishingProcessingParametersofReflectiveCupBasedonPrestonEquation
HANXiaolu,WANGJiazhong,YIJinggang,LIUJiangtao
(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,AgriculturalUniversityofHebei,
BaodingHebei071001,China)
Abstract:Reflectivecupisoneofthekeycomponentsofelectrohydraulicshockwavelithotripter.Atpresent,manualpolishingismainlyreliedonathome.Inordertoachievedimensionalaccuracy,surfaceroughness,stablequality,highefficiencyofthe
reflec⁃tioncup,polishingprocessingparametersofreflectivecupwasresearchedbasedonbonnettoolonthetransformedCNClathe.BasedontheanalysisofthePrestonremovalfunctioncombiningthetheoryofellipticHertziancontact,theimportantparametersaffectingthematerialremovalontheinnersurfaceofthereflectivecupweredetermined.Inordertoensurethequalityrequirementsofpolishing,thepolishingtrajectorywasoptimized.Theexperimentalresultsshowthattherequirementsondimensionalaccuracyandsurfacerough⁃nessofthereflectioncuparereached.
Keywords:Bonnetpolishing;Prestonequation;Materialremovalquantity;Polishingtrajectory
㊀㊀利用体外冲击波碎石机碎石是肾结石㊁胆囊结石㊁输尿管结石最理想的方法㊂反射杯是液电冲击波式碎石机的关键部件之一㊂碎石机工作时,反射杯起到聚焦的作用,通过聚焦冲击波将结石粉
碎㊂反射杯为易损件,需求量很大㊂要达到碎石聚焦的要求,需保证反射杯内表面粗糙度和形状精度,因此选择合理的加工工艺对碎石的效果起到关键性作用㊂目前国内还没有专门用于反射杯内表面研抛的设备,主要依靠手工加工,存在着抛磨环境恶劣㊁劳动强度大㊁抛磨一致性差㊁效率低和对工人熟练程度要求高等问题㊂急需研制一台反射杯内表面抛磨机,实现抛磨的自动化[1]㊂
作者提出一种气囊式反射杯内表面抛磨系统,在Preston去除函数解析的基础上结合椭圆赫兹接触理论,确定影响反射杯内表面抛磨工艺的重要参数;在此基础上,建立了各重要参数与反射杯内表面材料去除率之间的联系,能够更清晰地得出抛磨过程中各参数对材料去除率的影响;依据反射杯内表面曲率变化
特征,优化抛磨轨迹,通过反射杯工件抛磨试验得出合理的反射杯内表面抛磨工艺㊂
1㊀气囊式反射杯内表面抛磨结构
图1所示为反射杯内表面抛磨系统的机械结构图,由数控车床改造而成㊂反射杯工件装卡在卧式车床的三爪卡盘上,气囊式拋磨头机构固定在十字滑台上㊂反射杯工件自转,气囊式拋磨头机构通过十字滑台按照设定的轨迹实现进给运动
图1㊀反射杯内表面抛磨系统机械结构
图2所示为抛磨反射杯内表面的仿形气囊式拋磨
头的内部结构㊂与传统的砂带抛磨技术相比,它具有以下优点:
(1)拋磨头抛磨反射杯内表面过程中可以实现面接触,抛磨均匀且不易灼伤反射杯内表面㊂
(2)拋磨头与反射杯内曲面能够达到很好的贴合,抛磨过程中能够获得稳定的材料去除率,抛磨后能够得到高质量的抛磨内表面㊂
(3)拋磨头与反射杯工件内表面为柔性接触,能够实现抛磨的均匀性,柔性气囊还可以起到吸收振动的作用,可以提高抛磨过程的稳定性,从而保证反射杯内表面的抛磨质量
沪语输入法
图2㊀仿形气囊式拋磨头的内部结构
2 反射杯工件材料去除量的分析2 1㊀抛磨工艺参数分析
根据反射杯的内曲面为椭圆的特点,在加工过程中抛磨工具与反射杯之间的相对运动如图3所示㊂两个移动自由度T1㊁T2用于实现抛磨工具的进给运动,R1为反射杯的转动,R2为拋磨头绕自转轴旋转㊂
图3㊀加工反射杯内曲面运动分析
文中所采用的抛磨方法是利用高速运转的气囊抛磨头接触低速旋转的工件,实现反射杯内表面抛磨㊂
在对反射杯内表面的气囊抛磨加工中,工件的速度㊁拋磨头的线速度及进给量等工艺参数对反射杯内表面质量和抛磨效率有很大影响,尤其对磨削加工深度产生影响[2]㊂因此,有必要对反射杯型面磨削去除深度的影响进行分析㊂图4为仿形气囊抛磨反射杯工件内曲面的材料去除原理图
第一中文
图4㊀气囊定点抛磨反射杯内表面的材料去除原理图
图中:R为气囊抛磨头的半径;D=R-h,h为气囊与反射杯内表面接触时的压缩量;O1为气囊的球心;n1为气囊拋磨头A轴的旋转速度;n2为气囊拋磨头自身转轴的旋转速度;θ为气囊拋磨头绕着A轴转过的角度㊂
作者应用Preston方程建立气囊抛磨头的材料去除模型㊂该方程是由Preston提出的用于表达在单位时间内待加工工件材料加工深度与作用在接触区域压强之间关系的经验公式[3
-5]
㊂模型除了受磨削压力和
气囊抛磨头速度影响之外,还会受到其他因素的影
响,把这些影响因素简化为Preston常数kp[6]㊂
由Preston方程可知:dH
dt
=kppvr(1)
其中:kp为比例系数,与磨料㊁抛光膏㊁被抛光材料有关;p为抛磨头对工件表面产生的压力;vr为气囊抛磨头与被抛磨工件的瞬时相对速度;H为抛磨点在瞬时t的材料去除深度㊂
反射杯抛磨时的Preston系数为定值,将式(1)改为弧微分形式并整理得:
dHdsds
dt=kppvr
(2)
其中:s为单位长度㊂
图5所示为气囊拋磨头与反射杯内表面抛光工作接触区域的速度分析图㊂其中:ω1为反射杯的旋转速度,ω2为拋磨头的旋转速度;β为拋磨头的偏转角,α为拋磨头与反射杯接触圆心角;T1为接触点处
的切线,T2为法线,T3为拋磨头的轴线;c2(xc,yc,zc)为任意接触点,c2绕Z轴旋转轨迹为轨迹1,绕T3旋转轨迹为轨迹2;c1(xc,0,zc)为c2在XOZ平面的投影;T(a,0,b)为c2绕T3旋转得到的点;i1㊁j1㊁k1分别是X㊁Y㊁Z轴上的单位向量㊂
㊃31㊃第14期韩晓露等:基于Preston方程的反射杯抛磨工艺参数研究
㊀㊀㊀
图5㊀拋磨头与反射杯工作接触区域的速度分析
点c2相对于反射杯工件的速度v1为:
v1=i1j1k10
ω1xc
yczc
=-ω1yi1+ω1xj1(3)
定义:T1㊁T2㊁T3的斜率分别为k1㊁k2㊁k3,则有:
k3=k2+tanβ1-k2tanβ
(4)
因此直线T3的方程为:k3(x-x0)-z+z0=0(5)
ω2=-ω21+k23㊃i1-ω2k3
1+k23
㊃k1(6)
点T处满足方程:k3(a-x0)-b-z0=0b-ycu-xc=-1k3
ìîíïï
ï⇒a=k3x0+yc-z0+xc/k3
k3+1/k3b=k3x0-z0-k2
3yc-k3xc-k23+1
ìîíïï
ïï(7)
点c2处,绕拋磨头的轴线T3的速度v2为:
v2=i1j1k1_
ω2
1+k3
0_
ω2k3
1+k23
xc-ayc
zc-ω
(8)
由于抛磨方法特殊性,瞬时速度vr为:
光固化打印机vr=v1-v2(9)
vr=-ω1y+ω2k31+k23æèçöø÷㊃i1+-ω2y1+k2
3æ
èçöø
÷㊃k1+ω2(z-ω)-ω2k3(x-a)
1+k23
㊃j1+ω1xj1(10)
反射杯待加工内表面为椭球面,材料为马氏体不锈钢,接触轮采用球形气囊式㊂为简化分析,将反射杯假设为刚体,与反射杯工件内表面接触时只有气囊拋磨头产生弹性变形,它们之间的接触符合赫兹椭圆
接触条件,如图6所示:X为球形气囊拋磨头轴向进给方向,Y为球形气囊抛磨头沿着抛光轨迹的切向方向(反射杯的旋转线速度的反方向),Z为反射杯工件内表面法向矢量方向;a㊁
b分别表示拋磨头与反射杯工件接触椭圆的长短半轴;N为赫兹接触椭圆区域内某一微元,为气囊式拋磨头与工件表面通过压力接触而产生的弹性变形量[7]㊂因此,气囊抛磨头对反射杯内曲面的抛磨过程可以认为是赫兹接触椭圆在抛磨路径上的运动过程㊂
图6㊀气囊抛磨头与工件表面接触示意图
那么将式(2)在PQ区域内进行积分求得接触区域X方向上N的去除深度:
h(x)=ʏb-bdH
ds=ʏ
b-b
kppvrv1dy(11)
其中:p为拋磨头作用于微元N的法向压强㊂
由椭圆赫兹接触可得:
p(x,y)=p0
1-xaæèçöø÷2-ybæèçöø
÷2(12)
其中:p0为气囊抛磨头与工件接触区域中心处压强,
且满足:
p0=3Fn
2πab
(13)
其中:Fn为抛磨头与工件接触的法向接触力,与气囊与反射杯内表面接触时的压缩量h有关㊂
联立式(11)和式(12)得:
h(x)=-kpvrv13Fn1-xaæèçöø÷2éëêêùû
úú4a
(14)
其中椭圆接触区域的长半轴a可以表示为[8-9]
a=
3.207πE∗QPæèçö
ø
÷
1.272
1.003+0.5968PQæèçöø
÷éëêêùû
úúFnR1P+Q{
}
1/3
(15)
其中:P㊁Q为抛磨接触点相对主曲率;E∗与气囊式拋磨头和工件的弹性模量相关㊂
记Re为等效曲率半径,其值为:
Re=QPæèçöø
÷
1.272
1.003+0.5968PQæèçöø÷éëêêùûúúR1P+Q
(16)
41㊃机床与液压第46卷
联立式(14)和式(16)得:
h(x)=-3kpπE∗3.207æèçöø÷1/3vrv1Fn2/3
Re
1/31-xaæèçöø÷2éëêêùûúú(17)式(17)即为工件表面材料去除量理论方程㊂由上式可知,去除量由法向接触力Fn㊁拋磨头的旋转速度㊁反射杯旋转线速度㊁气囊与反射杯内表面几何特征Re以及气囊与反射杯的弹性模量E∗共同决定㊂为了保证反射杯内表面抛磨质量一致性,在抛磨
过程中,应控制各个参数在较小的范围内波动
㊂图7㊀螺旋抛磨刀具
运动轨迹
2 2㊀抛磨轨迹的规划
根据反射杯工件为回转类内曲面特征,生成了螺旋抛磨刀具运动轨迹,如图7所示㊂该路径能够保证刀具运动轨迹连续性和方向一致性,避免过多抬刀而造
成的抛磨刀痕,保证加工表面均
匀性,提高加工效率㊂
2 3㊀试验参数设定与加工程序生成
在数控车床的基础上搭建平台,抛磨系统在NC
代码的控制下能够精确地进行抛磨加工㊂程序编译方法采用CAM设计软件,其核心是数控插补算法,对复杂图形进行分析处理,生成刀位路径坐标[10]㊂将Creo中设计的零件导入MasterCAMX9软件中,然后设置加工类型和刀具类型等相关参数,软件经过分析玻璃退火窑
处理自动生成加工路径与NC程序,实现了Creo与MasterCAMX9交互式的自动编程加工㊂文中采用MasterCAMX9生成轨迹代码,操作过程如下:
(1)导入待加工零件将工件Creo模型转化为igs文件类型导入Master⁃CAMX9中㊂
(2)刀具加工路径设置
在MasterCAMX9中选择机床类型ң刀具设置ң毛坯设置ң刀具路径ң曲面精车ң精车参数㊂刀具加工路径如图8所示
图8㊀刀具加工路径
(3)刀具参数与刀具路径参数设置
在手工抛磨工艺中,选用不同粒度的砂纸,是为了实现从粗抛到精抛的过程,文中的气囊拋磨头表面附着不同粒度砂粒,可满足抛磨的要求;在手工抛磨工艺中,选用不同面积的砂纸,为了得到不同的接触压力,文中的气囊式拋磨头通过充放气即可实现内部压力的调节;只需选用不同的反射杯工件旋转速度,就能实现工件内表面的抛磨㊂因此根据反射杯工件内表面的手工抛磨工艺,在MasterCAMX9的刀具选择界面中合理地设置主轴转速㊁进给速率㊁精车步进量㊁精车次数等参数,这些参数为NC程序中的F指令和M指令㊂刀具路径参数精车步进量和精修次数决定精加工的工艺安排㊂
(4)NC数控程序的生成
图9所示为部分NC数控程序代码
图9㊀部分NC代码
3 试验验证
试验使用的反射杯样品的材料为2Cr13,样品工件的长半轴a=93 33mm,短半轴b=85 93mm,壁厚为4mm㊂抛光工艺分粗抛㊁半精抛㊁精抛3道工序,其工艺过程为:
(1)粗抛㊂采用粒度为P400气囊抛磨头,拋磨头的直径D=40mm,反射杯工件转速1000r/min,抛光液选用乳化液;
(2)半精抛㊂采用布轮,选用布轮的直径D=20mm,反射杯工件转速1200r/min,加抛光蜡;
(3)精抛㊂采用粒度为P1200气囊抛磨头,拋磨头的直径D=25mm,反射杯转速1200r/min,进行轻抛㊁干抛㊂
如图10所示:图(a)为抛磨前的反射杯工件
㊃51㊃第14期韩晓露等:基于Preston方程的反射杯抛磨工艺参数研究
㊀㊀㊀
内表面,图(b)为按照工艺参数抛磨后得到的反射杯内表面㊂经测试,Ra=0 043μm,符合要求
图10㊀反射杯工件抛磨前后的表面对比
4㊀结束语
影响反射杯表面材料去除量的主要因素为抛磨头与工件接触的法向接触力Fn,Fn与气囊工作状态下内部压强有关㊂此外,去除量还与拋磨头的旋转速度㊁反射杯旋转线速度㊁气囊与反射杯内表面几何特征以及气囊与反射杯的弹性模量E∗有关㊂文中根据反射杯回转类内曲面的特征,选用了螺旋抛磨
刀具运动轨迹,基于Preston方程优化了反射杯抛磨工艺参数,保证了抛磨质量㊂试验结果表明:抛磨工艺参数的确定是合理的,符合反射杯加工要求㊂
参考文献:
[1]戴红军,王钰君.体外冲击波碎石的原理及临床应用的
扩展[J].中国医疗设备,2003,18(11):32-33.
DAIHJ,WANGYJ.TheoryofExtracorporealShockWaveLithotripsyandExpansionofItsClinicalUse[J].ChinaMedicalDevices,2003,18(11):32-33.
[2]金明生.模具自由曲面气囊抛光机理及工艺研究[D].杭州:浙江工业大学,2009.
[3]JOHNSONKL.ContactMechanics[M].Cambridge:Cam⁃
bridgeUniversityPress,1987:150-158.
[4]GREENWOODJA.AnalysisofEllipticalHertzianContacts
[J].TribologyInternational,1997,30(3):235-237.
[5]ANTOINEJF,VISAC,SAUVEYC,etal.ApproximateAnalyticalModelforHertzianEllipticalContactProblems[J].JournalofTribology,2006,128(3):660-664.
[6]赵燕涛.自由曲面变压力砂带磨削相关技术的研究[D].
沈阳:东北大学,2014.[7]陈义.铝轮毂曲面成套机械抛光技术研究[D].武汉:华中科技大学,2010.
[8]董霞.浅谈涂附磨具的选择和应用[J].现代经济信息,2010(5):152.
[9]邵增超.叶片双面磨抛工具系统及实验研究[D].长春:吉林大学,2013.[10]罗志海,杨润泽.砂带的选择㊁使用及养护[J].工具技
术,2011,45(8):78-80.
LUOZH,YANGRZ.Selection,UsingandConservationofBelt[J].ToolEngineering,2011,45(8):78-80.
(上接第23页)4㊀结语
随着电火花加工的广泛应用,对产品加工精度的要求越来越高,对高频率参数可调的脉冲电源的需求也越来越大㊂在这种情况下,提出了基于FPGA的电火花脉冲电源设计,采用IP软核设计实现脉冲电源的核心部件高频脉冲发生器,输出信号的脉宽和脉间精细可调,能与上位机有效通信,仿真与电路测试结果良好,其应用前景广阔㊂
参考文献:
[1]李谢峰,刘志东,张旭东,等.往复走丝电火花线切割
高效低损耗切割研究[J].中国机械工程,2014,25(1):71-76.
LIXF,LIUZD,ZHANGXD,etal.ResearchonEfficientCuttingandLowWireWearTechnologyofHSWEDM[J].ChinaMechanicalEngineering,2014,25(1):71-76.
[2]黄瑞宁,李毅,刘晓飞.节能型电火花加工脉冲电源的研
究[J].中国机械工程,2016,27(18):2520-2523.HUANGRN,LIY,LIUXF.ResearchonEnergy⁃savingEDMPulsePowerSupply[J].ChinaMechanicalEngineer⁃ing,2016,27(18):2520-2523.
[3]张海峰,王立峰,刘建勇.小孔加工电火花脉冲电源实验
研究[J].中国机械工程,2016,27(13):1735-1739.ZHANGHF,WANGLF,LIUJY.ExperimentalStudyofEDMPulseGeneratorforSmallHoleMachining[J].China
MechanicalEngineering,2016,27(13):1735-1739.[4]蒋毅,赵万生,顾琳,等.微细电火花加工脉冲电源及其
脉冲控制技术[J].上海交通大学学报,2011,45(11):
1684-1689.
JIANGY,ZHAOWS,GUL,etal.ResearchonPulseGen⁃eratorandPulseControlTechnologyforMicroElectricalDischargeMachining[J].JournalofShanghaiJiaotongUni⁃versity,2011,45(11):1684-1689.
[5]张德学,张小军,郭华,等.FPGA现代数字系统设计及应用[M].北京:清华大学出版社,2015:1-30.
[6]杨开陵,徐巧玉,王志慧,等.FPGA那些事儿  VerilogHDL建模设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,ic编带
2013:1-20.
[7]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].3版.北京:北京航空航天大学出版社,2013:1-30.[8]胡乾苗.LabVIEW虚拟仪器设计与应用[M].北京:清华
大学出版社,2016:1-20.
61㊃机床与液压第46卷

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