挤压切削试验系统研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 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。
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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