1 引言

成形聯(lián)接是利用非圓剖面的軸與相應(yīng)輪廓的轂孔所構(gòu)成的軸轂聯(lián)接(圖1)。這種聯(lián)接不用鍵或花鍵察纯，故又稱無鍵聯(lián)接闸拿，或型面聯(lián)接污桦。

軸頭和轂孔可以是柱形的(圖1a)也可以是錐形的(圖1b)亩歹。柱形的除靜聯(lián)接外還可以用于無載荷作用下做軸向移動的動聯(lián)接；錐形的裝拆容易凡橱，還可承受單方向的軸向力小作。

由于成形聯(lián)接具有拆裝方便，能保證良好的對中性稼钩；聯(lián)接面上沒有鍵槽及尖角顾稀，減小了應(yīng)力集中，因而承載能力高猛糯，可傳遞大扭矩陋沫，疲勞強(qiáng)度高，可替代鍵或花鍵聯(lián)接轨府。對于帶錐度的成形聯(lián)接軸(孔)能夠做到無間隙配合岁之，性能更優(yōu)良，工作更可靠峦爪。這種理想的設(shè)計嫁慌，一直因為加工工藝復(fù)雜，對工藝過程研究不夠辅蜡，尚無良好的加工設(shè)備及刀具、量具鹦卫，至今使其廣泛應(yīng)用受到很大的限制迅撑。因此，要使其作為通用的基礎(chǔ)零件推廣應(yīng)用沥萄，關(guān)鍵在于正確地解決其加工方法驼功。

圖1 成形聯(lián)接

現(xiàn)有的加工方法中，典型的非圓成形軸加工可以采用靠模仿型法和機(jī)械式運動合成法實現(xiàn)冒窍。非圓型孔可以用成形插刀來加工递沪，這些方法或需要硬靠模，或需要專用機(jī)床或系列專用刀具综液，制造柔性差款慨，生產(chǎn)效率低，所以谬莹，采用數(shù)控加工已成為趨勢檩奠。浙江大學(xué)的鄔義杰，在一臺XK5040三坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控銑床上附帽，對三角軸進(jìn)行了銑削加工試驗埠戳。本文介紹的數(shù)控車削系統(tǒng)利用高響應(yīng)電液伺服油缸作進(jìn)給機(jī)構(gòu)，驅(qū)動刀架在工件的徑向作快速運動，跟蹤加工成形聯(lián)接面整胃。只用一套數(shù)控裝置颗圣，就能夠完成非圓軸截面和錐度的加工，對刀和調(diào)整十分方便屁使。

2 成形聯(lián)接軸(孔)數(shù)控車削系統(tǒng)的構(gòu)成和加工原理

數(shù)控加工系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示在岂。在PC總線的工控機(jī)上，可通過軟件來改變成形軸(孔)的形狀叮褐、尺寸大小和錐度比例等称桶。加工時，工控機(jī)檢測車床主軸轉(zhuǎn)角和液壓伺服刀架位置炕常，實時反饋控制伺服系統(tǒng)車削工件枚甫，做到了無靠模車削。

1.伺服放大器 2.位移傳感器 3.閥控缸 4.工件 5.光電編碼器
圖2 加工系統(tǒng)構(gòu)成框圖

在成形聯(lián)接軸的車削過程中贿魄，以典型的帶錐度的PK-3成形軸的加工為例胎拥，本文采用一套數(shù)控系統(tǒng)同時完成錐度和PK-3成形軸截面兩種運動。加工時秕颖，成形聯(lián)接軸表面的空間軌跡如圖3所示角术，該軌跡由工件繞主軸的回轉(zhuǎn)運動(繞Z軸)、伺服刀架的往復(fù)進(jìn)給運動(X軸方向)和伺服刀架的勻速走刀運動(沿Z軸方向)復(fù)合而成疚函。伺服刀架的往復(fù)進(jìn)給運動軌跡持结，是由計算機(jī)控制下的電液伺服系統(tǒng)跟蹤特定的輸入曲線來實現(xiàn)的。該輸入曲線被稱為跟蹤曲線枕厅，其本質(zhì)是液壓靠模仿形加工中仿形頭的運動軌跡惋粟。當(dāng)跟蹤曲線由計算機(jī)生成時，如果加工相同零件時洲鸠，跟蹤曲線能夠精確地保持不變堂淡；如果加工零件變化時，跟蹤曲線能夠靈活地由軟件改變扒腕，完全代替靠模绢淀。因此，跟蹤曲線又稱為“軟靠鸟”皆的。

圖3 成形聯(lián)接軸表面的空間軌跡

跟蹤曲線以工件繞主軸回轉(zhuǎn)一周的角度(2π弧度)為一個周期。本系統(tǒng)用光電編碼器檢測主軸回轉(zhuǎn)的角度居灯，計算機(jī)控制跟蹤曲線與回轉(zhuǎn)的角度同步祭务，電液伺服系統(tǒng)跟蹤曲線，使刀架運動與工件回轉(zhuǎn)運動保持協(xié)調(diào)同步怪嫌。

在完成加工這一動力學(xué)過程的問題上义锥，本設(shè)計采用的跟蹤方法與插補(bǔ)法完全不同柳沙。一般數(shù)控系統(tǒng)是指采用計算機(jī)的控制系統(tǒng)，既包括基于插補(bǔ)原理的數(shù)值控制(Numerical Control)拌倍，也包括基于動力學(xué)的數(shù)字控制(Digital Control)赂鲤。本文采用了后者。這就要求提高伺服刀架的頻寬和行程京思。本文采用的新型電液伺服進(jìn)給刀架涛闺，克服了一般電液伺服系統(tǒng)響應(yīng)低的缺點，頻寬超過130Hz须涕，設(shè)計的最大行程為8mm征离。

本文用PK—3成形軸的廓形曲線(又稱P3或K形成型軸聯(lián)接)來進(jìn)行討論。PK—3成形曲線有簡明的表達(dá)式肚让，在圖4中的參數(shù)方程為：

x(t₀)=(R-ecos3t₀)cost₀+3esin3t₀sint₀
y(t₀)=(R-ecos3t₀)sint₀-3esin3t₀cost₀

式中 R——平均半徑引继，mm
e——偏心量，mm
t0——角參數(shù)级嘀，rad

由式(1)和(2)广莉，如圖4用極坐標(biāo)時，計算截面廓形曲線的矢徑ρ(mm)和極角θ(rad)為

r=(x²+y²)^?
q=arctg(y/x)

圖4 PK-3成形軸的截面廓形 圖5 PK-3成形截面的跟蹤曲線

采用跟蹤法車削加工時胖讶，伺服刀架刀尖往復(fù)的位置就是矢徑r的變化量德检，以下的跟蹤曲線均以矢徑r和極角q表示。PK—3成形軸截面的跟蹤曲線如圖5斯娃，圖例中取R=7mm澎灸，e=0.45mm，該曲線的傅立葉展開式為

式中 ω=3ω0,t∈[0,60L/Sn]
ω0——車床主軸角速度遮晚，rad/s
t——時間击孩，s
n——車床主軸轉(zhuǎn)速,r/min,n=60w0/2π
L——PK—3成形軸加工部分長度，mm
S——車床走刀量鹏漆，mm/r

式(3)中的k實際并不取∞，而是根據(jù)精度要求選取创泄，本文k取3艺玲。

根據(jù)kw，設(shè)計電液伺服系統(tǒng)的頻寬鞠抑。

在進(jìn)行錐度PK—3成形軸加工時饭聚，錐度的跟蹤曲線為

ρ1=αSωt/2π (4)

式中 α——PK—3成形軸的錐度比系數(shù)

圖6為錐度的跟蹤曲線。合成后的跟蹤曲線為

ρ=ρ0+ρ1

圖7為加工長度L上的合成跟蹤曲線搁拙。

圖6 錐度的跟蹤曲線 圖7 錐度PK-3成形軸的合成跟蹤曲線

當(dāng)采用伺服液壓缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)時秒梳，很容易跟隨合成的跟蹤曲線。這樣箕速，一套數(shù)控系統(tǒng)同時完成了錐度和PK—3成形軸截面兩種變化酪碘。刀架按合成的軌跡運動熏萎，其行程大于單獨加工不帶錐度的PK—3成形軸時的行程。

3 系統(tǒng)控制方法和加工試驗

采用電液伺服刀架作驅(qū)動機(jī)構(gòu)解夜，具有切削力大吃会，剛性好的特點。但由于電液伺服系統(tǒng)本身的非線性因素李狼，一般線性系統(tǒng)的控制方法難以勝任炊办，必須采用具有一定適應(yīng)能力的非線性控制策略。本系統(tǒng)采用筆者已研究的自適應(yīng)控制算法榆模，具體可見《機(jī)床與液壓》雜志1995年第2期刊載的《高響應(yīng)高精度電液伺服系統(tǒng)自適應(yīng)控制的工程實現(xiàn)》一文何哎。

PK—3成形軸的數(shù)控車削試驗是在一臺普通MAZAK—J1車床上進(jìn)行的，結(jié)構(gòu)如圖2积辞。改裝時拳笨，首先，在原車床主軸尾端加上了一個光電編碼器侮夸，用來測主軸轉(zhuǎn)角茶壹。其次，將原車床刀架換成了液壓伺服刀架揍庄，并在液壓伺服刀架上加裝位移傳感器咆蒿，用來測刀架位移，安裝十分方便蚂子。在控制系統(tǒng)中沃测，主機(jī)為一PC總線的CONTEC工控機(jī)，接口是12位的A/D和D/A食茎，位移傳感器為LVDT-1型壓差式傳感器蒂破，-3dB頻寬240Hz，測量范圍0～±3mm别渔。伺服刀架為自制高響應(yīng)低摩擦液壓油缸附迷，行程為±4mm，液壓剛度kh=66.8N/μm哎媚，固有頻率為fh=450.7Hz喇伯。試驗時，利用光電編碼器每周的零位脈沖拨与，作為主軸回轉(zhuǎn)角與跟蹤曲線的周期同步信號稻据。加工時，無論成形軸或孔买喧，車削刀具均采用普通通用刀具(外圓車刀和內(nèi)孔鏜刀)霉枢，安裝在伺服刀架上。對刀時榔屈，先由計算機(jī)將控制輸出量送零值斑宴，保持刀架不動烙损，按一般車削圓工件方法，手動試切對刀桐赠。試驗加工零件為45號鋼穆垦，在主軸轉(zhuǎn)速為600r/min時，進(jìn)行了平均直徑20mm涌粱、錐度比為1∶40辱郑、帶錐度的PK—3成形軸和孔的車削。用加工好的錐度PK—3成形軸和孔侵选，可以做到無間隙配合糟糊，取得較滿意的效果。

4 結(jié)論

1) 采用本文提出的方法車削加工成形聯(lián)接軸(孔)時盐儿，設(shè)備簡單讳臣，工件裝夾和對刀調(diào)整容易，使用方便稠鼻，成形聯(lián)接件易于推廣應(yīng)用冈止。
2) 作為一般應(yīng)用，帶錐度的成形聯(lián)接件候齿，能做到無間隙配合熙暴，更便于使用推廣。
3) 作為產(chǎn)品慌盯，成形聯(lián)接件的檢驗測量問題有待進(jìn)一步研究周霉。
4) 試驗表明，本文的理論分析亚皂、電液伺服系統(tǒng)的設(shè)計及計算機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)是正確可行的俱箱，該方法還可為其它非圓表面的加工提供借鑒。

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