挤压切削试验系统研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 2.6MB 90 页 15积分
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摘 要
刀刃不切除材料而只对工件表面起挤压作用，刀具的切割作用消失，无金属
切屑，称此类加工为挤压加工。挤压加工具有诸多优点，可以有效提高加工精度、
改善表面质量、提高生产效率和降低加工成本，目前，在国内外应用较多，但对
挤压加工原理、挤压加工各参数优化以及各参数对工件质量影响研究较少，水平
较低，更没有相应的挤压加工试验系统。因此，为了使挤压加工理论更好运用于
实践、进一步完善挤压加工理论、优化挤压加工各参数以及加工出更高质量的工
件，本文着重研究挤压加工试验系统的建立。
挤压加工试验系统包括微位移进给系统和自动测量系统两个部分。要实现挤
压加工，必须微位移进给，这在目前的车床上还难以实现，必须单独构建微位移
进给系统，微位移进给系统是挤压加工试验系统建立的关键和前提，它主要包括
三部分：驱动器、导向机构和控制系统。本文研究的微位移进给系统，其驱动器
采用压电陶瓷驱动器；导向机构，采用柔性铰链技术来设计，它具有传动环节小、
无摩擦、刚性好、可以重复性使用，目前已经运用航天仪器中，是研究的一个热
点，在设计柔性铰链导向机构中，采用能量法和材料力学方法等两种理论进行设
计，为了有效保证本文所设计的柔性铰链导向机构满足挤压加工要求，还运用有
限元方法对其进行校核；为了更好实现高精度微位移进给，控制系统采用闭环控
制。
挤压力和挤压温度是挤压加工过程中两个重要的参数，对进一步研究挤压加
工理论具有重要作用，也是挤压加工刀具选用、设计、夹具设计和机床选用的重
要依据。因此，在挤压加工试验系统中需要构建挤压力、挤压温度自动测量系统。
构建此系统的关键是测力传感器的选用，因为挤压力较小，一般传感器难以实现
对其测量，本文选用三向压电车削测力仪实现挤压力的测量，并采用自然热电偶
法实现挤压温度的测量，且基于虚拟仪器技术来构建自动测量系统，因此本文建
立的挤压加工试验系统，利用计算机可以实现挤压力和挤压温度的自动测量。
本文建立的挤压加工试验系统，可以有效实现挤压加工，并自动测量挤压加
工参数，对挤压加工理论研究和实践应用具有重要的指导作用。
关键词：挤压加工，微位移进给，虚拟仪器，柔性铰链，控制系统
ABSTRACT
The theory of extrusion cutting is introduced in this paper. It is one of special cutting
processes. It can not only enhance machining accuracy and amend surface finish qualiy,
but also improve machining efficiency and cut off machining cost. Owing to these
advantages, the experiment system of extrusion cutting is set up in this paper in order to
realize the theory of extrusion cutting. The experiment system is of great importance to
make further development of the extrusion cutting, and above all, apply the theory into
practice. So this paper is focus on the foundation of the experiment system, which
includes a micro-feed system and a monitoring system.
Micro-feed system is an important prerequisite for the realization of the extrusion
cutting. And it consists of three parts: drive, guide unit and control system. Piezoelectric
element is chosed as the activator, which is the most advanced, responsible and easy
autocontrol in micro-feed drive field. Secondly, a flexure-hinge-based guide unit is
designed, which is turned out to be effective in engineering, and energy, mechanics
analytical methods and finite element models of the flexures are presented. Last but not
least, based on the virtual instrument technology, a close-loop control system is
designed, which can make the system a higher precision positioning. So based on the
above parts, the micro-feed sytem can meet the requirement of extrusion cutting.
Monitoring system is another important part of the experiment system, which need to
automaticly measure the cutting force and cutting temperature that is two crucial
parameters of extrusion cutting. Transducer selection is the key of the establishment of
the monitoring system. So the piezoelectric type pressure transducer is choosed. Based
on the virtual instrument technology, monitoring system is built, which can meet the
demand of the test system.
All in all, the experiment system of the extrusion cutting is effective, which could
have greate influence on the machinery industry.
Key words：Extrusion cutting, Micro-feed, Virtual instrument, Flexure
hinge, Control system
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 课题来源及其意义 ..............................................1
§1.2 课题研究现状 ..................................................2
§1.3 课题研究内容及其关键技术 ......................................3
§1.4 本章小结 ......................................................4
第二章 挤压加工原理研究 .............................................. 5
§2.1 金属塑性变形理论 ............................................. 5
§2.2 挤压力模型 ................................................... 6
§2.2.1 挤压力的理论研究状况 ..................................... 6
§2.2.2 挤压力模型的建立 ......................................... 6
§2.2.3 挤压力方程的建立 ......................................... 8
§2.3 挤压热和挤压温度 ............................................ 10
§2.3.1 挤压热分析 .............................................. 10
§2.3.2 挤压温度分析 ............................................ 11
§2.4 挤压加工的工艺参数 .......................................... 14
§2.5 本章小结 .................................................... 15
第三章 挤压加工试验系统总体设计及其硬件选型 ......................... 17
§3.1 挤压加工试验系统需求分析 .....................................17
§3.2 微位移进给系统 .............................................. 17
§3.3 自动测量系统 ................................................ 19
§3.4 挤压加工试验系统总体设计 .................................... 21
§3.5 本章小结 .....................................................22
第四章 挤压加工试验系统中微位移进给系统研究 ......................... 23
§4.1 微位移进给系统概述 ...........................................23
§4.2 微位移进给系统总体设计 .......................................23
§4.2.1 需求分析 ................................................. 24
§4.2.2 驱动器方案确定 ........................................... 24
§4.2.3 控制系统配置 ............................................. 29
§4.3 导向机构研究 .................................................30
§4.3.1 柔性铰链的发展及研究现状 ................................. 31
§4.3.2 导向机构方案确定 ......................................... 31
§4.3.3 导向机构设计 ............................................ 33
§4.3.4 有限元校核 ............................................... 40
§4.3.5 导向机构设计图纸 ......................................... 43
§4.3.6 导向机构加工 ............................................. 44
§4.4 控制系统研究 ................................................ 45
§4.4.1 压电陶瓷驱动器的建模与控制 ............................... 45
§4.4.2 开环控制 ................................................. 45
§4.4.3 闭环控制 ................................................. 47
§4.5 本章小结 .....................................................49
第五章 挤压加工试验系统中自动测量系统研究 ........................... 51
§5.1 前言 .........................................................51
§5.2 虚拟仪器 .....................................................51
§5.2.1 虚拟仪器概述 ............................................. 51
§5.2.2 LabVIEW 简介 ............................................. 52
§5.2.3 数据采集技术 ............................................ 53
§5.2.4 数据采集卡选用、设置与测试以及 I/O 转接板选用 ............ 55
§5.3 挤压力测量 ...................................................61
§5.3.1 刀具挤压力概述 ........................................... 61
§5.3.2 测力传感器基本原理 ....................................... 62
§5.3.3 测力传感器选用 ........................................... 63
§5.3.4 电荷放大器选择 ........................................... 67
§5.3.5 三向车削测力仪和电荷放大器使用注意事项 ................... 67
§5.4 温度测量 .................................................... 68
§5.4.1 温度测量基本原理 ........................................ 68
§5.4.2 根据自然热电偶测量法构建系统框图 ........................ 69
§5.4.3 工件－刀具热电偶标定 .................................... 70
§5.5 软件设计相关技术 ............................................ 71
§5.5.1 程序设计模块化 .......................................... 71
§5.5.2 面向对象技术 ............................................ 71
§5.6 功能模块设计 ................................................ 72
§5.6.1 自动测量系统总体设计 .................................... 72
§5.6.2 系统飘溢调零 ............................................ 73
§5.6.3 数据采集、存储、显示模块 ................................ 74
§5.6.4 挤压力、挤压温度数据回放和处理模块 ...................... 75
§5.7 主界面设计 .................................................. 77
§5.8 测控系统特点 ................................................ 79
§5.9 程序的运行与调试 ............................................ 80
§5.10 本章小结 ....................................................81
第六章 总结与展望 ................................................... 83
§6.1 全文总结 .................................................... 83
§6.2 工作展望 .................................................... 83
参考文献 ............................................................ 85
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 87
致谢 ................................................................ 89
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题来源及其意义
机械制造业是国民经济的支柱产业，很多国家都把注意力放在机械制造业的
发展和技术改进上，把它看成国民经济发展的重中之重，机械制造业为国民经济
和社会发展及国防建设提供物质基础，它是国民生产的主要组成部分，机械制造
水平是国家综合实力的重要标志。其中，加工技术是机械制造业中应用最广泛的
基础技术之一，各国从事加工的人数众多，耗资十分惊人，因此大力提高加工的
生产效率，提高产品质量，缩短产品生产时间，降低生产成本，对促进机械制造
业的发展、促进国民经济和社会发展及国防建设的发展有着极其重要的意义。
在传统加工中，加工深度远远大于加工刀刃的钝圆半径，所以加工刀刃圆弧
作用几乎可以忽略，通常把刀具看成理想锋利。实际上理想的刀刃是不存在的，
无论刃磨质量多么好，严格说刀具的刃口总是呈圆弧状，我们称之为刀刃圆弧。
尤其进行超精密加工时，加工深度通常只有数个微米，甚至几个纳米。刀刃的尺
寸和形状在加工过程中的作用不能被忽略。
图 1－1 考虑刀刃钝圆的加工原理图
如图 1－1 所示，设刀具钝圆半径为 rn，在刀具钝圆上存在一点设为 K，称为
工件材料的“分流点”，在传统加工过程中，K点以上的材料向上流动成为切屑，
K点以下的材料受应力状态的影响，被迫由刀刃压向工件成为已加工表面。设 K
点以下的加工层厚度为△a，称为压缩层厚度。K点的位置与刀刃处的应力状态有
关。如果加工层厚度减小到小于或接近于△a，在分流点 K 以下，这时刀刃将不切
除材料而只能对工件表面起挤压作用，刀具的切割作用消失，这样的刀具也就转
化为滚压或挤压工具，并称此类加工为挤压加工。
挤压加工试验系统研究
2
在挤压加工下，刀具对加工表面起滚压作用，如图 1-1 所示，加工表面将由
△a 变为△h, △a 包括部分塑性变形和部分弹性变形，△h为弹性恢复，△h 处的
质量为加工表面质量。挤压加工过程中：塑性变形在工作表面残留压应力，由于
加工表面平滑、应力集中小，不易造成疲劳破坏；这种变形的不均匀分布，必将
引起应力的不均匀分布，极大促进附加应力发展，从而提高加工硬化率；由于硬
化结果，变形逐渐趋于均匀，晶粒方位趋于一致，得到截面均匀的冷变形；塑性
变形是许多单个晶粒塑性变形的综合，这些能改善金属表面的机械、物理性能，
提高表面质量、强度和硬度；挤压加工为无屑加工，减少切削瘤的影响，从而提
高加工表面质量和加工精度。总之，相比传统加工方法，挤压加工不仅可以得到
光洁的表面和良好的加工精度，而且被挤压强化，可以提高表面硬度、耐磨性和
疲劳强度；挤压加工还可以作为产品加工的最后工序，从而可以提高生产率，其
作用是非常明显的。
在研究和了解挤压加工原理的基础上，构建满足挤压加工要求的精确的试验
平台，对进一步研究挤压加工原理、优化挤压加工参数、研究各参数对工件质量
的影响及挤压加工实践应用具有重要意义。
§1.2 课题研究现状
挤压加工，国内外应用较多，但对挤压加工原理、挤压加工参数优化以及各
参数对工件质量影响研究较少，水平较低，对挤压加工试验系统的建立与研究更
是鲜见。因此，为了使挤压加工理论更好运用于实践、进一步完善挤压加工理论、
优化挤压加工各参数以及加工出更高质量的工件，本文着重研究挤压加工试验系
统的建立。
挤压加工试验系统的建立主要涉及微位移进给技术与在线自动测量技术。在
微位移进给[1]方便，随着压电、电致、磁致以及静电等微动执行元件的出现和发展，
极大地推动了微位移进给技术的发展。目前常见的微位移进给机构一般是利用弹
性变形、直线电机、机械传动、电磁力和智能材料（压电陶瓷、电致升缩）等实
现微位移进给。其中压电驱动微位移进给机构发展迅速，其良好的性能受到广泛
关注，压电陶瓷驱动的工作原理是利用压电陶瓷的逆压电效应，压电陶瓷片在直
流电场的作用下产生的应变与电场强度平方成正比，其在精密定位和微位移进给
控制中具有其他驱动器无法比拟的优点，压电微位移进给技术[2]是现在研究的热
点，本课题将基于压电驱动原理设计微位移进给机构。
在测控技术方面，我国目前还基本处于传统仪器与计算机化仪器互相分离的
状态，虚拟仪器[3]使传统的硬件仪器受到前所未有的巨大冲击,是 20 世纪仪器领域
第一章 绪论
3
的一次划时代事件，21 世纪虚拟仪器不仅将成为电测仪器的发展方向,而且必将逐
步取代实验室中的传统硬件化仪器。虚拟仪器技术在测控领域中的应用,已经越来
越普遍，所谓虚拟仪器是指将通用计算机和功能化模块结合起来,使传统仪器的某
些硬件软件化,利用计算机强大的图形处理能力,建立虚拟仪器前面板,完成对仪
器的控制、数据分析、存储和显示,而且可以根据自己的需要定义仪器功能,使用
户操作这台计算机就像操作一台自己专门设计的传统仪器一样,改变了传统仪器
的使用方式,提高了仪器的功能性和使用效率，虚拟仪器在十几年的发展中,其专
用工业控制计算机系统正沿着总线与驱动程序标准化，硬/软件模块化，编程平台
的图形化和硬件模块的即插即用方向进步,以开放式模块化仪器标准为基础的虚
拟仪器标准正日趋完善，在发达国家,虚拟仪器的推广应用已十分普及,在电子测
量，测试计量，工业过程和分析处理领域,以及测控领域,利用虚拟仪器都是理想
和高效的解决方案。可以说，在这个计算机和网络时代，利用计算机和网络技术
对传统的产业进行改造，已是大势所趋，而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术
与传统的仪器技术进行融合的产物，因此，在 21 世纪，虚拟仪器将会引发传统的
仪器产业一场新的革命。
本课题，将在研究和了解挤压加工原理的基础上，基于先进的压电驱动微位
移进给技术和先进的虚拟仪器技术，建立满足挤压加工原理要求的试验系统，使
挤压加工得以实现，为进一步研究挤压加工理论和实践应用打下基础。
§1.3 课题研究内容及其关键技术
挤压加工试验系统研究内容：
1) 挤压加工原理研究
2) 挤压加工试验系统总体设计研究
3) 微位移进给系统研究
4) 在线自动测量系统研究
挤压加工试验系统涉及的关键技术：
1) 挤压加工原理
2) 传感器技术
3) 微位移进给技术
4) 虚拟仪器技术
挤压加工试验系统研究
4
5) 信号处理技术
6) 计算机控制技术
§1.4 本章小结
挤压加工具有很多的优点，在精密和超精密加工中更能体现其优越性，为了
能够实现和进一步研究挤压加工，必须建立挤压加工试验系统，这对于推广挤压
加工具有重要的意义。因此，本章主要介绍了课题的来源及其意义，国内外研究
现状，本课题的主要内容和涉及的关键技术。
摘要：

摘要刀刃不切除材料而只对工件表面起挤压作用，刀具的切割作用消失，无金属切屑，称此类加工为挤压加工。挤压加工具有诸多优点，可以有效提高加工精度、改善表面质量、提高生产效率和降低加工成本，目前，在国内外应用较多，但对挤压加工原理、挤压加工各参数优化以及各参数对工件质量影响研究较少，水平较低，更没有相应的挤压加工试验系统。因此，为了使挤压加工理论更好运用于实践、进一步完善挤压加工理论、优化挤压加工各参数以及加工出更高质量的工件，本文着重研究挤压加工试验系统的建立。挤压加工试验系统包括微位移进给系统和自动测量系统两个部分。要实现挤压加工，必须微位移进给，这在目前的车床上还难以实现，必须单独构建微位移进...

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