陳運(yùn)勝

(廣州華立科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電與自動化學(xué)部，廣州　511325)

輪軌作用下液壓機(jī)械加工的熱誤差補(bǔ)償方法

陳運(yùn)勝

(廣州華立科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電與自動化學(xué)部，廣州511325)

摘要：在輪軌作用下液壓機(jī)械加工過程中，輪軌液壓線散熱程度的非均勻分布，導(dǎo)致機(jī)械加工出現(xiàn)熱誤差，需要進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償，傳統(tǒng)方法采用熱力學(xué)分層切割技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱誤差補(bǔ)償，在加工高溫環(huán)境下補(bǔ)償效果不好，提出一種基于多重約束熱輻射控制的輪軌作用下液壓機(jī)械加工的熱誤差補(bǔ)償方法。首先進(jìn)行了輪軌作用下液壓機(jī)械加工的熱力學(xué)環(huán)境模型構(gòu)建，分析輪軌作用下液壓機(jī)械加工約束狀態(tài)模型，進(jìn)行機(jī)械加工精度影響參量分析，采用多重約束熱輻射控制方法實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工過程中的誤差補(bǔ)償控制，提高加工性能。仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能測試，結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行輪軌作用下液壓機(jī)械加工熱誤差補(bǔ)償，機(jī)械液壓加工精度得到大幅度提高，加工控制過程的收斂性能較好。

關(guān)鍵詞：液壓機(jī)械；加工；熱誤差補(bǔ)償

隨著機(jī)械工業(yè)的大力發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的精密度逐漸提高，而今機(jī)械產(chǎn)品逐漸應(yīng)用在集成電子制造等產(chǎn)業(yè)中，對機(jī)械加工的精度要求越來越高，精加工行業(yè)在制造業(yè)、汽車工業(yè)和航空航天等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景，液壓機(jī)械加工是當(dāng)前機(jī)械加工的一個主要方式，在液壓機(jī)械加工中，通過刨、車、銑三道工序?qū)崿F(xiàn)對機(jī)械的加工和鍛造，這一過程中，需要采用輪軌作用實(shí)現(xiàn)機(jī)械模具的定型處理，提高機(jī)械產(chǎn)品的承壓能力。然而，在這一道工序中，由于輪軌作用下液壓機(jī)械加工會產(chǎn)生非均勻的熱量，導(dǎo)致機(jī)械加工出現(xiàn)熱誤差，輪軌液壓線散熱程度的非均勻分布，提高了熱誤差的機(jī)械加工精度的影響性能，對此，需要對輪軌作用下液壓機(jī)械加工的誤差進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償，提高加工工藝和機(jī)械加工精度[1-3]。

傳統(tǒng)方法采用熱力學(xué)分層切割技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱誤差補(bǔ)償，在加工高溫環(huán)境下補(bǔ)償效果不好，提出一種基于多重約束熱輻射控制的輪軌作用下液壓機(jī)械加工的熱誤差補(bǔ)償方法[4-6]。首先進(jìn)行了輪軌作用下液壓機(jī)械加工的熱力學(xué)環(huán)境模型構(gòu)建，分析輪軌作用下液壓機(jī)械加工約束狀態(tài)模型，進(jìn)行機(jī)械加工精度影響參量分析，采用多重約束熱輻射控制方法實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工過程中的誤差補(bǔ)償控制，提高加工性能，仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能測試，得出有效性和可行性結(jié)論，在機(jī)械加工精度改善中具有較好的應(yīng)用價值。

1輪軌作用下液壓機(jī)械加工的熱力學(xué)環(huán)境模型及問題描述

1.1輪軌作用下液壓機(jī)械加工的熱力學(xué)環(huán)境流場分析

為了實(shí)現(xiàn)對輪軌作用下液壓機(jī)械形體的高精度鍛壓，本文以高強(qiáng)度鋼材料制造的輪軌作用下液壓機(jī)械為例，分析輪軌作用下液壓機(jī)械加工的熱力學(xué)環(huán)境模型，綜合考慮輪軌作用下液壓機(jī)械的外形鍛壓殘余應(yīng)力的影響，對液壓機(jī)械加工熱力學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化控制模型的設(shè)計(jì)，提高模型的加工精度[7-8]，液壓機(jī)械加工過程如圖1所示。

圖1　液壓機(jī)械加工過程

基于有限元分析方法，在輪軌作用下液壓機(jī)械加工中，假設(shè)機(jī)械加工的熱力學(xué)環(huán)境旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系為：

(1)

在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，液壓機(jī)械熱力學(xué)熱點(diǎn)分布模型具有非均勻性，確定每個鍛壓時間點(diǎn)的所有鍛壓熱點(diǎn)的最小的路徑為：

(2)

式中p(k(n)；n1，n2)——由n1到n2沿加工軌跡k(n)的熱力學(xué)補(bǔ)償函數(shù)g(x，y)與f(x)之和。

結(jié)合銑刀的錐孔高度和接管的大小，分析輪軌作用下液壓機(jī)械結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，得到直角坐標(biāo)系下液壓機(jī)械加工的熱誤差向量為：

(3)

式中δp——錐孔高度，mm；

Dc——接管材質(zhì)的直徑，mm；

pc——計(jì)算壓力，MPa；

K——離心泵流場特征系數(shù)，取0.27；

[σ]t——設(shè)計(jì)溫度下機(jī)械加工承受應(yīng)力，MPa；

φ——矢量裁剪接頭系數(shù)，取1.0。

在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，分析輪軌作用下液壓機(jī)械加工曲率矢量，BWP為液壓機(jī)械的三軸加工中心，ω為旋轉(zhuǎn)角速度，n為熱誤差補(bǔ)償干擾項(xiàng)，通過網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行機(jī)械加工的流場分析，采用計(jì)算特性較好的六面體結(jié)構(gòu)模型，得到輪軌作用下液壓機(jī)械加工胚體劃分后的網(wǎng)格數(shù)量具有正交性，得到加工的熱誤差的幾個約束條件如下：

XRL=R×θRL

(4)

XRR=R×θRR

(5)

XRL-XRR=D×δ

(6)

XRL-XRM+Lsinθp

(7)

(8)

Yp=Lcosθp

(9)

(10)

XRR+XRL=2XRM

(11)

液壓機(jī)械作為最基本的鍛制管件，通過CAD/CAM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)精加工，在加工過程中，需要對液壓機(jī)械的多軸坐標(biāo)系進(jìn)行齊次坐標(biāo)變換，得到液壓機(jī)械的輪軌作用下熱力學(xué)環(huán)境流場狀態(tài)方程變化為：

(12)

通過這些方程，得到液壓機(jī)械內(nèi)部存在流動旋渦和壓力波動的計(jì)算結(jié)果，在機(jī)械熱力學(xué)流場中，為了保障機(jī)械加工具有足夠的承壓能力，需要進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償控制。

1.2輪軌作用下液壓機(jī)械加工的狀態(tài)參量模型

在進(jìn)行輪軌作用下液壓機(jī)械加工的熱力學(xué)環(huán)境描述的基礎(chǔ)上，進(jìn)行參數(shù)分析，構(gòu)建輪軌作用下液壓機(jī)械加工的參量分析模型，實(shí)現(xiàn)對輪軌作用下液壓機(jī)械加工誤差補(bǔ)償控制。給出輪軌作用下液壓機(jī)械加工的路徑規(guī)劃和精度控制的參數(shù)控制，模型的幾個約束條件如下：

XRL=R×θRL

(13)

XRR=R×θRR

(14)

XRL-XRR=D×δ

(15)

XRL-XRM+Lsinθp

(16)

(17)

式中X——鍛壓熱點(diǎn)的剛度退化位移；

θ——輪軌作用下機(jī)械熱力場矢量豎直方向的角度；

δ——輪軌作用下液壓機(jī)械繞擺桿旋轉(zhuǎn)的角度；

Mp——輪軌作用下液壓機(jī)械加工體的質(zhì)量；

MR——輪軌作用下液壓機(jī)械內(nèi)外膜層的彈性模量。

對機(jī)械加工平衡點(diǎn)附近進(jìn)行線性化處理，通過遍歷每條熱力學(xué)流場網(wǎng)格線，若網(wǎng)格線兩端存在一對屬性相同(同一層位，與同一斷層相關(guān)聯(lián)，同為熱損耗)的無效點(diǎn)和有效點(diǎn)，可以得到：

G(C[Δ+κ(Δ)])+CT∈Dom(G)=0

(18)

(19)

當(dāng)時p>2，液壓機(jī)械的軸截面抗彎剛度滿足：

(20)

機(jī)械材料的組成具有相異性，鍛壓材料表面的形狀與鍛壓過程熱量有傳導(dǎo)關(guān)系，這種關(guān)聯(lián)性表示為：

M(T)=ε(T)σT4

(21)

得到機(jī)械加工的輪軌鍛壓曲率的恢復(fù)約束函數(shù)為：

(22)

T——輪軌液壓旋轉(zhuǎn)周期變量。

通過生成層位面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用矢量裁剪求出交點(diǎn)，形成層面的網(wǎng)格狀表達(dá)，根據(jù)機(jī)械鍛壓的熱量分布的定常性，設(shè)定：

(23)

得到輪軌作用下液壓機(jī)械加工平衡點(diǎn)的熱力荷載—位移恢復(fù)約束函數(shù)可以表述為：

(24)

式中xt——輪軌作用下液壓機(jī)械在t時刻的鍛壓熱量測量值；

wt——相應(yīng)的xt的權(quán)值向量。

通過這些參量模型構(gòu)建，進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償。

2熱誤差補(bǔ)償控制算法改進(jìn)實(shí)現(xiàn)

在進(jìn)行了輪軌作用下液壓機(jī)械加工的熱力學(xué)環(huán)境流場分析和參量模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償控制，在輪軌作用下液壓機(jī)械加工過程中，輪軌液壓線散熱程度的非均勻分布，導(dǎo)致機(jī)械加工出現(xiàn)熱誤差，需要進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償。傳統(tǒng)方法采用熱力學(xué)分層切割技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱誤差補(bǔ)償，在加工高溫環(huán)境下補(bǔ)償效果不好，為了克服傳統(tǒng)方法的弊端，提高機(jī)械加工精度，提出一種基于多重約束熱輻射控制的輪軌作用下液壓機(jī)械加工的熱誤差補(bǔ)償方法。

算法設(shè)計(jì)描述如下：輪軌作用下液壓機(jī)械加工點(diǎn)最優(yōu)路徑分為輪軌作用下液壓機(jī)械的向鍛壓局部最優(yōu)路徑和后向鍛壓最優(yōu)路徑，在加工過程中的熱量守恒方程分別如下：

(25)

(26)

Zk={z0，z1，…，zk}

式中τij——機(jī)械加工過程中的熱輻射強(qiáng)度；Zk——采用多重約束控制，得到熱量誤差測量值；xk——輪軌作用下液壓機(jī)械的熱量控制誤差{xk，yk，θk}。

根據(jù)液壓機(jī)械的剛度退化強(qiáng)化模量置信度，得到熱誤差補(bǔ)償源累積滯回能項(xiàng)，Sm=0。熱量衰減過程中不存在外部鍛壓力，此時，F(xiàn)i=0。流體密度較小，流經(jīng)液壓機(jī)械時間較短，因此不考慮重力作用，ρgi=0。

輪軌作用下液壓機(jī)械加工節(jié)點(diǎn)的累積滯回能表示為：

(27)

將此關(guān)系式代入式能量方程：

對于鍛壓熱點(diǎn)，基于多重約束熱輻射控制，得到擬合控制方程為：

(28)

把恒荷載作為鍛壓強(qiáng)度脆弱點(diǎn)加在熱量誤差補(bǔ)償控制項(xiàng)上，構(gòu)建輪軌作用下液壓機(jī)械加工最優(yōu)路徑模型，得到鋼結(jié)構(gòu)鍛壓應(yīng)力的湍流k-ε方程選用標(biāo)準(zhǔn)方程：

+Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(29)

(30)

通過分析，得到液壓機(jī)械加工路徑規(guī)劃控制規(guī)則為：

Pα(μ)=∫PQ線f(μcosα-vsinα，μsinα+vcosα)dv

(31)

在最近的點(diǎn)的位置坐標(biāo)中，液壓機(jī)械熱誤差補(bǔ)償?shù)臒o阻尼非線性控制軸方向的分量：

(32)

(33)

(34)

通過控制算法實(shí)現(xiàn)了對輪軌作用下液壓機(jī)械加工的熱誤差補(bǔ)償，為提高加工精度奠定基礎(chǔ)。

3仿真實(shí)驗(yàn)與性能分析

為了測試本文設(shè)計(jì)的補(bǔ)償方法在提高機(jī)械加工精度方面的優(yōu)越性，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，由于液壓機(jī)械設(shè)計(jì)、制造的特殊性，使得內(nèi)部熱力學(xué)流場與傳統(tǒng)的機(jī)械加工有較大的差異，采用熱誤差補(bǔ)償，提高加工精度。并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行性能測試，采用有限元法對加工工件進(jìn)行熱熱力學(xué)流場分析實(shí)驗(yàn)中，參量選擇：C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3，輪軌作用下液壓機(jī)械加工材料選擇為L245htyjS鋼胚體構(gòu)件，規(guī)格φ65.2×4.3，機(jī)匣直徑為23 mm，其它的液壓機(jī)械加工參量設(shè)計(jì)結(jié)果見表1。

表1　液壓機(jī)械加工參量設(shè)計(jì)結(jié)果

基于上述仿真環(huán)境和參量設(shè)計(jì)結(jié)果，進(jìn)行輪軌作用下液壓機(jī)械加工的熱力學(xué)環(huán)境模型構(gòu)建，分析輪軌作用下液壓機(jī)械加工約束狀態(tài)模型，進(jìn)行機(jī)械加工精度影響參量分析，采用多重約束熱輻射控制方法實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工過程中的誤差補(bǔ)償控制，輪軌作用下液壓機(jī)械加工的熱力學(xué)流場有限元分析結(jié)果如圖2所示。

圖2　輪軌作用下液壓機(jī)械加工的熱力學(xué)流場有限元分析結(jié)果

從圖2可見，采用本文方法進(jìn)行輪軌作用下液壓機(jī)械加工的熱力學(xué)分析，能準(zhǔn)確反映出機(jī)械加工過程中的內(nèi)部熱流場環(huán)境，通過熱誤差補(bǔ)償控制提高加工性能，為了測試該加工方法的性能，以加工精度和熱誤差補(bǔ)償收斂曲線為測試指標(biāo)，得到仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3　液壓機(jī)械加工精度分析

圖4　熱誤差補(bǔ)償收斂性能分析

從圖3和圖4可見，采用本文方法進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償，液壓機(jī)械加工精度得到大幅度提高，收斂性能較好。

4結(jié)語

在輪軌作用下液壓機(jī)械加工過程中，輪軌液壓線散熱程度的非均勻分布，導(dǎo)致機(jī)械加工出現(xiàn)熱誤差，需要進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償，傳統(tǒng)方法采用熱力學(xué)分層切割技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱誤差補(bǔ)償，在加工高溫環(huán)境下補(bǔ)償效果不好，提出一種基于多重約束熱輻射控制的輪軌作用下液壓機(jī)械加工的熱誤差補(bǔ)償方法。首先進(jìn)行了輪軌作用下液壓機(jī)械加工的熱力學(xué)環(huán)境模型構(gòu)建，分析輪軌作用下液壓機(jī)械加工約束狀態(tài)模型，進(jìn)行機(jī)械加工精度影響參量分析，采用多重約束熱輻射控制方法實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工過程中的誤差補(bǔ)償控制，提高加工性能，仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能測試，展示了本文方法在改善機(jī)械加工進(jìn)度，提高加工控制收斂性方面的優(yōu)越性能。

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(本文編輯：趙艷粉)

Thermal Error Compensation Method for Hydraulic Mechanical Machining Under Wheel/Rail Action

CHEN Yun-sheng

(Guangzhou Huali Science and Technology Vocational College, Guangzhou 511325, China)

Abstract:In the process of hydraulic mechanical machining under the influence of wheel/rail, the uneven distribution of wheel/rail hydraulic line heat radiation may lead to thermal error of machining in need of thermal error compensation. The traditional method achieves the thermal error compensation by using thermodynamic stratified cutting technology, and has bad compensation effect under the high-temperature processing environment. This paper proposes a thermal error compensation method based on multi-constrained thermal radiation control. Firstly, the thermal environment model of hydraulic mechanical machining under the action of wheel/rail is built. The model of mechanical machining constraint state model is analyzed, and the error compensation control is realized. The results show that the accuracy of mechanical hydraulic machine is greatly improved.

Key words:hydraulic machinery; machining; thermal error compensation

DOI：10.11973/dlyny201601022

作者簡介：陳運(yùn)勝(1982)，男，講師，高級技師，主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械工程和自動控制工程。

中圖分類號：TN219

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)01-0098-05

收稿日期：2015-10-23