铁超磁致伸缩材料在异型销孔加工中的应用

沈阳理工大学硕士学位论文铁超磁致伸缩材料在异型销孔加工中的应用姓名：周亮申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：李国康2010-12-27沈阳理工大学硕士学位论文 摘摘 要要 稀土铁超磁致伸缩材料(GMM)是一种良好发展前景的新型功能材料，具有磁致伸缩系数大、响应速度快、耦合系数大等优点，将其应用在异型孔活塞加工中很有发展前景。 本文首先对活塞异形销孔的数控加工成型原理及常用加工方法作了归纳和总结；通过对异形销孔成型原理和常用加工方法的分析比较，研究了活塞异形销孔加工的最佳方案。 其次，通过实验验证了超磁致伸缩材料的相关性能。对超磁致伸缩材料相关性能参数进行了分析，找出了减小磁滞非线性等特性对驱动器及微进给机构的影响的因素。此外，还设计加工了超磁致伸缩驱动器，完成了其性能测试和一套能实现高运行精度的驱动系统的设计及测试，完成了刀具径向微进给机构的方案设计及改进，完成了镗杆径向位移量的测量，完成了数据分析和数控加工系统的闭环改造，得到了镗杆尾部电涡流传感器实时的反馈镗杆进给的数据，最终达到精确加工的目的。 最后，对整个数控加工系统的的驱动器及微进给机构运动过程进行了测试实验和镗杆的改进实验，验证了超磁致伸缩驱动方法和控制理论应用于异形孔活塞加工的可行性、合理性及优越性，并对误差进行分析研究。 关键词：GMM，磁致伸缩驱动器，磁滞非线性，微进给 沈阳理工大学硕士学位论文 Abstract Giant magnetostrictive material (GMM) is a new kind of functional material which was supposed to have a good prospect in the application of abnormity bores piston machining, because of its large magnetostrictive coefficient, rapid response and large coupling coefficient. The best solution of abnormity bores piston machining was obtained firstly by the summarization and analysis of the NC forming principle and its commonly processing methods. The characteristics of the giant magnetostrictive materials were verified secondly by experiments. The impact of nonlinear hysteretic characters on the drivers and micro-feed mechanism were found out by the analysis of giant magnetostrictive materials related nature. Besides that, the characteristics that of the magnetostrictive actuator which was a high- precision drive system were tested and analyzed. And the design and improvement of the program of radial micro-tool feed mechanism, radial displacement measuring of boring bar, closed-loop improvement of NC system data analyzing and acquisition of feedback data by eddy current sensor which was at the end of boring bar were completed to achieve the precision machining. The feasibility and rationality of driving method and control theory of giant magnetostriction was proved by the tests and improved experiments of the overall CNC machining systems actuator and micro-feeder mechanics. The error was analyzed and studied finally. Keyword: GMM, magnetostrictive actuator, magnetostrictive nonlinear, micro-feed 沈阳理工大学硕士学位论文 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者（签字）： 日 期 ： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 第 1 章 绪论 - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 课题的来源及研究意义 本课题是基于沈阳贝特数控有限公司磁致伸缩微进给器项目的基础上对径向微进给机构进行改进而提出来的。 汽车产业正逐步成为我国工业发展的支柱产业，据中国汽车工业协会统计，我国 2009 全年累计生产汽车 1379.10 万辆，同比增加 48.3%（以上数据参考汽车之家的“2009 年中国汽车产销量跃居世界第一”一文） ，汽车产销量呈高增长态势，首次成为世界汽车产销第一大国。汽车技术的发展，也推动了发动机技术的发展。发动机是汽车的心脏，而活塞是发动机的核心，也是燃烧力转变为机械动能的连接件。活塞的质量的好坏直接影响着汽车的质量。甚至影响着发动机乃至整个动力、传动系统的性能指标。活塞作为典型的汽车零部件，在切削加工方面具有很强的工艺特点。其功能和精度将直接影响着最终产品的关键特性的质量指标。 随着汽车整车对发动机的动力性、 经济性、 环保性及可靠性的要求越来越严格，活塞已发展成为集轻质新材料、异型外圆、异型销孔等多项新技术于一体的高技术含量的产品，以保证活塞的耐磨性、耐热性、平稳的导向性及良好的密封功能，为减少发动机的摩擦损失，并降低油耗、噪声和排放。为达到以上的功能要求，发展趋势是将活塞设计成异型销孔，即将垂直于活塞轴线的横剖面加工成类椭圆，且可根据不同的发动机要求加工出不同的活塞椭圆度，椭圆度精度达 0.005mm；活塞纵剖面的外轮廓为高次函数的拟合曲线，轮廓精度为 0.0050.01mm；为提高活塞的承载能力，以提高发动机的升功率，通常将高负荷活塞的销孔设计成圆柱带喇叭或者椭圆等异形(异型销孔),销孔尺寸精度达 IT4 级，轮廓精度为0.003mm。 为了达到以上要求，加工工艺方面的难题也随之出现,异型销孔的变形量小(2040mµ)，进刀困难，传统的镗削加工控制显得力不从心，必须探索新的加工路径。同时，数控技术的飞速发展和广泛应用也对加工自动化、智能化方面的研究提出了新的要求1。 基于超磁致伸缩材料的活塞异形孔数控加工系统正好具有高沈阳理工大学硕士学位论文 - 2 - 精度、操作简单、稳定性好、功能强大等特点，能够满足当前市场对异型销孔活塞的加工要求的需求。 1.2 国内外研究现状与应用前景 超磁致伸缩材料被视为 21 世纪提高一个国家科技综合竞争力的战略性功能材料。超磁致伸缩执行器是超磁致伸缩材料的主要应用形式，是典型的物性型现代执行器，近一些年以来一直是各国研究的热点，蕴含着巨大的生命力，应用前景非常广阔。 目前，英、美、德、日、意等工业发达国家对异形销孔镗削系统的研究已走向了实用阶段。如英国的 WWY 公司、美国的 BOHAI 公司、德国的 MAHLE 公司、日本的泉公司、意大利的 BOBJO 公司都进行了相关的开发研究，并将之应用于生产中。其中，德国 KS 公司和马勒公司是当今世界上活塞制造规模最大、最著名的公司之一。他们对加工活塞设备的更新速度非常快。早在七十年代，大多数活塞加工还都是单机作业的，但到八十年代后逐渐发展成为有自动上下料装置的活塞自动加工设备;到九十年代已逐渐发展成为可有计算机控制的、且可在线检测和信息反馈的机电一体化的活塞加工自动化生产线。各国的对异型销孔加工技术分布状况见表 1.1: 表 1.1 国外异型销孔加工状况 目前国内上海、广东等地也有厂家开始在应用，但都存在很多不足，还无法满足各种异形销孔的加工要求。 广东工业大学自动化所研制了一种采用微驱动技术的新型 NC 镗床， 装有这种新型变形镗杆的 NC 镗床能高效地镗削活塞异形销孔， 并达到微米精度的要求。 这是一种以压电元件为动力的新型变形镗杆的机构，该机械结构具有结构简单、体国别及公司 机床控制精度 结构特点 加工精度 mm 美国 BOHAI 公司 采用机械斜槽进刀 ±0.005 德国 KS 公司 采用机械仿形加工 ±0.005 美国 DEVLZ-EG 公司 2.5µ/脉冲 采用 AB8200CNC ±0.005 美国 CROSS 公司 3.0µ/脉冲 高速微机控制 ±0.005 日本泉公司 ±0.001 第 1 章 绪论 - 3 - 积小、重量轻、制造装配容易、精度高等特点。 由上海交通大学、上海活塞厂以及有关机床厂已研制成功全自动 CNC 镗削活塞销孔专用机床，实现了镗削活塞销孔工序的全自动化。该机床在上海活塞厂已投入生产，而且已和全自动 CNC 精车活塞止口专机连在一起，实现了全自动生产线加工。该机床性能稳定，各项性能指标达到设计要求，加工速度为:每只活塞所用加工时间小于是 20 秒，性能价格比优于德国同类机床2。 而由沈阳贝特数控有限公司最新研制的磁致伸缩异型销孔镗削系统以超磁致伸缩微进给器为基础，实现镗刀杆径向微位移，主要用来加工活塞内喇叭口形销孔。该加工系统具有精度高、操作简单、稳定性好、功能强大等特点，能够满足目前市场上对活塞异形销孔的加工要求。 1.3 活塞异形销孔常用加工方式 活塞销孔主要经镗削成形，异型销孔对均化销座的机械负荷和热负荷、提高销座的承载能力、延长活塞的使用寿命以及对开发高增压发动机都具有非常重要的意义， 。活塞销孔的轴线方向与机床的纵向进给 Z 轴平行，是机床的主运动方向;镗杆的径向位移为机床的 X 轴进给方向，完成镗削过程的径向进刀。活塞异形销孔的截面尺寸变化量很小，其加工精度要求一般要达到:半径公差为 3µm，型线轮廓度为 1.5µm，表面粗糙度为 0.4µm。要实现活塞异形销孔的精密加工，刀具的重复定位。 目前国内外内燃机活塞设计师主要将圆柱形销孔活塞改造设计成椭圆形、 卸荷腔形和内喇叭口形等形状的销孔活塞，本系统主要针对加工内喇叭口形销孔活塞如图 1.1。实践证明，相比于前两种销孔活塞