异型孔加工系统设计及补偿方法研究毕业论文

异形孔加工系统设计及补偿方法研究第一章绪论11课题的来源及研究意义本课题是在沈阳贝特数控机械有限公司和温州大统活塞水泵有限公司共同合作的超磁致伸缩材料微位移进给器基础上对活塞异形销孔的加工而提出来的。异形孔主要包括椭圆孔、喇叭孔以及椭圆孔和喇叭孔组合孔等特殊结构的孔。异形孔的应用非常广泛，表现尤为突出的是在汽车制造业的发动机活塞中。汽车制造业是目前我国以及世界上许多发达国家的支柱产业。随着我国经济和科学技术的高速发展，汽车企业也随之迅速崛起。不仅包括世界知名汽车企业通用，宝马、奔驰等落户中国，我国自主研制的汽车包括华晨，一汽等品牌汽车在国内领先，甚至在世界上也有较大的影响。2011年，我国汽车市场呈现平稳增长态势，产销量平均每月突破150万辆，全年汽车销售超过1850万辆，再次刷新全球历史纪录。据中国汽车工业协会统计，我国2011年累计生产汽车184189万辆，同比增长08，销售汽车185051万辆，同比增长25。汽车技术的飞速发展，推动了有汽车心脏之称的发动机技术的进步。随着发动机输出功率的增大和转速的提高，活塞所承受的燃气压力和惯性力愈来愈大，导致活塞销孔所承受的载荷也愈来愈大。发动机的核心部件活塞的质量，直接影响着发动机乃至整个动力、传动系统的性能指标。通过对普通的圆柱形销孔所受载荷的分析可知，在发动机工作时，销孔的各个部分所受载荷是不均匀的，受到热变形和机械变形的影响，销孔的内侧所受应力最大，易产生应力集中，而外侧所受应力最小。如图1所示，销孔处的应力分布主要取决于活塞销与销孔两者之间的变形是否相适应。由于压力的作用，活塞销产生弯曲变形，相应销孔处也产生变形。如果活塞销刚度较大而销孔处刚度较小，或者相反，则变形不能相适应。从而引起销孔上侧边缘处产生严重的应力集中，造成销孔开裂1。据AE公司的试验结果分析，采用传统的普通圆柱形活塞销孔时，活塞销孔的内侧应力是外侧应力的147倍2。与此同时，工作温度的升高导致活塞销和销孔横截面半径的对比变化，载荷趋于朝垂直面同样也而产生集中，降低活塞寿命。综合以上因素，一柴油机厂对型号为6110A的普通圆柱形销孔的活塞进行了试验，当发动机的功率由104KW提高到147KW时，活塞销座出现明显裂纹，这表明普通圆柱形活塞销孔结构已经难以满足越来越高的机械负荷及热负荷的要求。要达到提高发动机的性能，就必须提高发动机活塞销孔的承受载荷能力和延长活塞的使用寿命。根据试验研究表明，目前在活塞材料性能受到很大限制的环境下，提高活塞性能的最有效途径是优化活塞销孔的应力分布。所以适应活塞销孔应力分布要求，并且能够降低销孔内侧应力集中的各种异形结构的活塞销孔应运而生，并成为发展高速强载发动机的必备技术。通常情况下将销孔设计成喇叭口形状、椭圆形状及变椭圆的组合型孔，这些非圆柱形销孔即为“异形销孔”。目前，异型销孔形状主要有以下几种喇叭口销孔、椭圆形销孔、带卸荷槽的销孔等。它们分别能减小30，2025，10的应力集中，其中喇叭孔形状是最为有效的方式3。异形孔结构能够显著提高活塞的使用寿命，但由于异形孔结构的特殊性，决定了其加工过程和加工设备的复杂性，从而给异形孔的加工提出了难题。外小内大的倒喇叭形的异形孔加工，需要刀具能实现微量径向进给，一般锥形孔锥度为001MM004MM，常规活塞椭圆孔椭圆度为002004MM，这样需要刀具径向进给量也必须为001004MM；对于主轴转速为3000NPM的镗床而言，实现等截面标准椭圆加工刀具至少需要有10OHZ的响应频率。就是说，喇叭口形的异形孔需要刀具实现径向位移连续进给，而椭圆形的异形孔的加工不仅需要刀具实现径向位移的进给，还必须满足刀具的高频率的径向振动，给加工能加了很大的难度。所以，高频响、高分辨率的微量进给机构的研制是解决活塞异形销孔精密加工难题的关键。由于不光在民用领域发动机具有举足轻重的作用，同时涉及国家安全领域中，正因此，世界上发达国家对高端发动机技术采取了很大的保密措施。那么对活塞异形孔高端精密加工技术以及装备研究显得非常重要。综观相关领域研究情况，国外活塞非圆截面销孔数控加工技术已经进入实用阶段，相对而言我国目当前却停留在研究和试验阶段。尽管如此，国内也采用了许多世界上先进材料和技术创新设计出各种机构来实现异形孔加工。例如，稀土超磁致伸缩材料和压电晶体等材料。但是在创新结构高效实用上存在很大问题，需要进一步研究。稀土超磁致伸缩材料作为一种新型的能量转换功能材料，会在外界磁场作用下产生较大的应变伸缩，并且具有输出力强、机电祸合系数高、应变大、响应速度快等优异特性。在强输出力、高功率密度及高精度、大应变、快速响应和高可靠性等方面较传统技术具有无法比拟的优点。利用将稀土超磁致伸缩材料GMM研究一种微量、高频响的位移驱动机构应用于活塞异形销孔的加工技术，具有良好的应用前景，并能够提高我国发动机水平。12国内外异形孔加工系统研究现状及发展121国内发展现状因为异形孔结构特殊，无法用传统的加工方法实现，所以需要创新的工艺和设备。目前，能够完成活塞异形销孔的加工方法有靠模仿形法、机械运动合成法以及数控加工法等45。1、机械靠模仿形加工机械靠模仿形加工技术主要是依据靠模的形状，并通过传递机构实现镗刀径向移动实现异形孔加工。异形销孔精度可达到。靠模仿形加工方M05法的柔性好，应用范围广，根据靠模的不同能够加工多种类型异形孔。但是由于受伺服控制系统和靠模的摩擦等误差影响，加工一致性较低，并且响应速度也不高。2、机械偏心法偏心法是机械运动合成方法的一种，主要是利用偏心机构驱动刀具完成需要运动轨迹，加工原理如图11。图中，为旋转主轴中心，为镗刀杆中心，OO镗杆随主轴一起旋转，利用偏心合成运动实现镗刀刀尖椭圆轨迹运动。按照此原理，滨州渤海活塞股份有限公司设计生产了型号HYX一70的异形活塞销孔镗床。它主要通过偏心主轴加工方法进行加工31，采用微机控制径向进给机构。这种加工方法的优点是生产效率较高和加工速度快，缺点是一种机床只能加工一种特定类型的非圆截面。综合考虑，这对于活塞生产企业来说加工成本较高。3、数控加工法数控变形镗杆加工法是数控加工法的主要运用形式，主要是利用超磁致伸缩材料、压电陶瓷、微机控制机械滑块式、嵌入式GMM镗杆、电磁驱动机构等方法，通过控制电流或电压来控制实现镗刀的径向位移进给，达到加工异形孔的目的。这种方法加工效率高，柔性高，可加工多种非圆截面，同时具有高的加工精度。目前国内各大高校、科研机构以及部分高技术产业公司已经运运用这些技术取得了显著的主要成果有（1）利用压电元件如图所示，以压电元件为动力，在电压作用下迫使压电元件伸长，驱动弹性元件带动镗刀杆变形，产生径向位移，从而实现活塞异形销孔的加工。广东工业大学自动化所利用此原理研制出新型数控精镗床3233，精度达到微米级要求，技术性能指标均达国际领先水平。上海交通大学33437提出了一种柔性铰链放大机构，将压电陶瓷的输出位移放大，以获得更大的镗杆径向位移，这就扩大异形孔加工范围。实验表明，加工精度可以到到3微米。（2）直线电机驱动技术湖南长沙一派数控机械有限公司利用直线电机驱动技术，结合数控技术生产出异形销孔加工镗床，工作稳定，并且有动平衡自动调节功能，精度较高，但是加工效率低。（3）微机控制机械滑块式国防科技大学3839提出一种基于斜面滑块机构实现镗杆径向位移进给的异形孔加工方法。通过工业计算机发出信号控制镗杆径向微小位移，并由伺服电机带动滚珠丝杠驱动斜面滑块产生前后滑动，完成挠性接头的径向进给运动，从而实现活塞异形销孔的加工。（5）磁致伸缩技术山东大学4043设计了一种能够完成各类活塞异形销孔的柔性精密数控加工机构，它是基于超磁致伸缩材料的高频响应伺服镗刀杆，其结构如图所示。弹性元件体分别与机床主轴和镗刀杆相连接。在弹性元件上开了一个槽，主要是为了能让弹性元件变形更加容易。控制系统输入控制电流，超磁致伸缩材料执行器工作，输出相应的轴向位移，此位移通过顶杆推动弹性元件的活动端摆动，从而形成镗刀杆的径向弯曲，实现径向位移进给，最终实现加工异形孔。浙江大学4445将超磁致伸缩材料嵌入到镗刀杆中，设计出一种结构简单的活塞异形销孔精密加工方法。它的主要工作原理是，在驱动电流作用下，磁致伸缩材料伸长，迫使镗刀杆弯曲，产生径向位移进给。通过控制输入电流的大小可以改变镗刀杆径向弯曲量，从而实现加工不同的异形销孔。由上述可知，相对于传统的运动合成法和靠模仿形法，基于数控变形镗杆的异形孔加工方法具有加工加工柔性好、精度高、无摩擦疲劳等特点，是当前异形销孔加工的发展主要趋势。由于设计机构复杂，误差较大，精密位移控制困难等因素，使得利用电磁机构和磁悬浮主轴机构加工异形孔的技术在数控变形加工活塞异形孔方法中受到限制；压电陶瓷机构加工异形孔的方法，应用比较广泛，但是因为压电陶瓷本身应变量较小，在范围内，并661010且能量密度低，导致压电陶瓷刀具输出力小和行程小；机械滑块方法和伺服电机驱动方法实现异形销孔的加工技术，加工异形孔的类型受到滑块形状制约，加工精度受滑块和机械传动机构的影响。磁致伸缩材料与压电陶瓷相比，它有较大的应变，其伸缩范围在之间，并且能量密度高，响应66150201时间快。利用超磁致伸缩材料实现异形孔加工，具有大应变，高输出力和实现高频响等特点。122国外加工发展趋势异形销孔对活塞销孔的应力分布有很大的改善，引起各国汽车制造业和活塞生产企业的高度重视。当前，美国，德国，英国，日本等发达国家已经在研究和设计活塞销孔的加工设备上去的很大成就。国外异形销孔加工取得的成就表国外异形销孔加工状况公司机床控制精度加工精度结构特点美国BOHAI公司0005机械斜槽进刀德国KS公司0005机械仿形加工美国DEVLZEG公司25/脉冲0005AB8200CNC美国CROSS公司30/脉冲0005高速微机控制另外还有一些国外研究机构在智能材料领域基础上提出一些新的智能加工结构，为高精度、高可靠性加工技术提出了新的发展思路。HANSONANDTSAO21设计一个能通过快速变化切削深度来补偿圆柱误差的在线镗杆伺服系统，如图所示随着刀具切削深度的不同，利用压电陶瓷驱动刀具调整进给量，通过在线补偿减小镗削的销孔的圆度误差。KATSUKI等使用压电元件执行器和激光提出一种新的深孔镗削刀具22，这种刀具不仅可防止加工中产生的轴向偏移，还能够通过减少镗杆的弯曲和刚性的扭转，提高刀具的可控性，孔的切削深度可以到700MM，是目前可加工的最深孔。图所示是由ONEAL等2324、KOREN等25，MIN等26提出的新型智能镗刀。这此种智能刀具由两个光学位置感测仪、电子控制系统、压电执行器、杠杆位移放大机构、电源和数据传输系统组成装有粗、精加工两把刀具，它实现了机械、光学和控制技术的集成，是机械加工的新领域。LIU等27将GMM微位移控制装置运用到车削加工中的技术进行改进，通过速度反馈提高系统的阻尼，使用PID控制算法实现车削非圆面的机械零件。EDA等28和YAMAMOT等29也各自提出了利用复合压电和磁致伸缩执行器策略，并且补偿温度误差完成刀具进给的精密位置控制。其中TERFONOLD执行器30的设计与应用显得很重要，加上卡尔曼滤估计的前馈控制算法，这种执行器能够很好地主动消除刀具振动，提高加工精度。总结国外研究可知，国外对于压电陶瓷和超磁致伸缩材料等新型智能材料的应用的及其广泛，并且进行许多开拓性的研究，效果非常理想。这表明，要实现机构的高频响和高精度的微量控制完全能够通过压电陶瓷和GMM等智能材料的驱动来实现。同时可以看出，在精密加工领域，以压电陶瓷材料和超磁致伸缩智能材料为主的智能材料逐渐取代传统的单纯电机驱动刀具，已成为当前各个国家研究的热点和发展方向。13超磁致伸缩执行器应用与研究概况稀土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。而利用稀土超磁致伸缩材料制成的各种执行器是超磁致伸缩材料的主要应用形式，其中稀土超磁致伸缩材料微位移进给器是一种典型的物性型现代执行器，是近一些年以来一直各国研究的热点，蕴含着巨大的生命力，应用前景非常广阔。131超磁致伸缩材料发展早在18世纪40年代年，英国物理学家詹姆斯普雷斯科特焦耳最早发现了磁致伸缩现象，但是由于其伸缩应变量为106105级别，与自身材料热膨胀系数相差不多，所以使用范围很小，当时仅局限于超声执行器方面应用。通过研究不仅揭示了电磁作用、机械畸变和铁磁体三者之间的关系，还发现了许多大磁致伸缩材料。比如，20世纪60年代初，科学家发现稀土具有许多特别的磁性特征。1963年，LEGVOLD等人发现在低温条件下，稀土金属试TB和摘DY的磁致伸缩变化量是传统磁致伸缩材料的1001000倍，这以发现使得磁致伸缩材料的应用出现了重大突破。但是它们有序化温度很低的特点导致它不能用来做成在室温条件下工作的器件。1970年以后，在室温下工作的稀土超磁致伸缩材开始被人们研究47，研究者们采用合金化来改变元素组合，以提高材料的居里温度，使其在常温条件下能够获得较大的稳定磁致伸缩。自1971年爱荷华州立大学和美国海军水面武器研究中心开始探索有实用意义的稀土超磁致伸缩材料。AECLARK在1972年和1974年分别发现TBFE2、DYFE2等二元稀土铁合金在室温和低磁场下有很大的磁致伸缩系数6和三元稀土铁合金在常温下饱和磁致伸缩系数达到103数量级，并且磁机耦合系数能够大于06。之后，美国、瑞典和日本等的一些公司和其他研究机构着重对三元稀土铁合金进行了大量的研究，分别采用不同工艺、不同配比制成了具有各种规格的超磁致伸缩材料，并且做了大量的试验。我国作为稀土资源的大国，开展这方面的研究较晚，但进展及其迅速。中科院物理所、冶金部钢铁研究总院、中科院上海冶金研究所、北京科技大学、北京有色金属研究总院、辽宁新城稀土压磁材料有限公司和包头稀土研究所等单位在国家“863”等项目资金的资助下都在从事相关领域的研究，取得了显著的成果，产品的主要性能指标已接近或达到国际同类产品的先进水平。90年代以来，稀土超磁致伸缩材料开始商品化，他的应用研究日趋活跃，应用它开发的新型机电执行器应用受到了非常广泛的关注。日前，己经有德国、英国、美国、日本、法国、俄罗斯、瑞典等国正在开发各种相关材料的电磁一机械转换器。132稀土超磁致伸缩材料的开发及应用稀土超磁致伸缩材料的主要应用方式是稀土超磁致伸缩材料执行器，它在民用和军工两方面非常广泛。主要原理是通过改变驱动磁场大小以驱动磁致伸缩材料产生轴向微位移运动，并输出位移和力。图是所应用的执行器的一种基本结构，在线圈内通以交变或很定电流，产生变化的磁场，永久磁体或线圈提供偏磁场。偏磁场与交变磁场同时作用，可使磁致伸缩棒工作于线性区范围内7。在国外，军用方面，美国海军及IOWA州立大学自1970年开始研究89并首先将稀土超磁致伸缩材料应用于水声换能器的开发中，取得很好效果。相对于军工方面，这种执行器在民用领域更为广泛，主要应用包括直线电机、振动型电机和精密加工等方面。HROSHIEDA等人将执行器主要应用在超精密加工机床系统当中，使的加工精度可以达到纳米级10；也将它用于超精密位置控制系统的装置中，并且获得了良好的控制效果。日本东芝公司利用磁致伸缩薄膜制作出的接触型扭矩传感器，其特点是响应快、动态范围大和分辨率高，同时与传统金属电阻薄膜制成的扭转应变计相比灵敏度高出10倍11。美国和德国利用超磁致伸缩棒响应速度快及其承载能力很强的的特性开发研制出实验阶段的燃油喷射阀，其启闭时间为LMS。在国内，中科院声学研究所、北京钢铁设计研究总院和解放军715所在1996年共同进行了水声换能器的研究工作，并开发出水声换能器。此外，我国在新型发电机、超声波发生器、磁强计等方面也较多，并取得相应成果。133GMA设计理论研究的现状自70年代以来，欧洲及美国等发达国家一直在努力探索关于稀土超磁致伸缩材料执行器件设计理论及其相关技术。20世纪90年代，材料制备工艺上的重大突破促使该材料迅速商品化，更是促进了与之相关应用技术的研究。尽管如此在稀土超磁致伸缩材料及其执行器在应用方面仍然需要很长的路。温度、磁滞现象、压力等因素对稀土超磁致伸缩材料构件的线性应变产生较强的的影响，导致在材料应变初期和末期产生明显的非线性，而目前将其理想为线性构件或简单的非线性构件是我们的研究和应用重点，所以缺乏对其非线性细致的分析12。在对于对确定系统控制理论问题常规分析研究中得到一些的控制算法，但是在实际当中却不一定能够取得很好的效果。并且在稀土超磁致伸缩执行器系统中对于执行器机构、传感器、功放单元以及信号处理单元缺乏较全面的分析，大量的参考文献当中也很少提到或者论述对于各单元系统最终的控制精度以及影响因素。最终在对于超磁致伸缩材料执行器的设计与优化时缺乏相关必要的理论依据。近些年来，我国虽然在超磁致伸缩材料材料的制备方面，取得一些的进步与发展，但在该执行器的开发及应用研究方面却是较少，基本上可以说是刚刚起步，这就需要我们机械和电器领域工作者不断努力，去推进该技术的发展与应用。14课题的研究内容课题的研究内容如下第一章陈述了选题的依据和意义。总结国内外异形孔，特别是汽车活塞异形销孔的加工工现状、存在问题以及发展趋势。概括了超磁致伸缩材料的应用与发展。最终提出超磁致伸缩材料应用于异形孔加工的新方案。第二章从理论上分析超磁致伸缩材料的变形机理和主要特点，介绍超磁致伸缩材料的基本特性，包括磁致饱和现象，能量转换性能，机电耦合特性和磁致伸缩系数等。以及其他的工作特性。第三章详细介绍异形孔加工系统的设计与计算，着重强调磁致伸缩径向微位移进给机构的整体结构和工作原理。对于微位移进给器中的磁致伸缩棒和磁路、主要机械结构和冷却装置进行设计。第四章对微位移进给机构的主要弹性元件进行有限元分析和结构优化，并进行实际测量。利用沈阳理工大学动平衡研究所提供的在线动平衡测量仪对整个旋转机构进行动平衡试验。第五章对超磁致伸缩径向微位移机构控制系统的设计，包括恒流源的工作原理，恒流源的主电路和控制电路的设计。并对控制系统进行性能测试。第六章主要介绍异形孔加工系统的补偿原理和方法，利用闭环控制实现加工的一致性。进行加工测试，测量加工尺寸、形位公差的精度和工件的一致性。第七章概括研究成果，并且对以后进行的工作的展望。第2章超磁致伸缩材料的基本特性21磁致伸缩原理211磁致伸缩现象由于磁化状态的改变引起铁磁体物质NI、FE、铁氧体等和亚铁磁物质长度和体积都要发生微小变化，并且在磁场消失以后能回到原来状态，这种现象被称为磁致伸缩现象13。由于英国物理学家焦尔在1842年首度发现该现象，所以又称其为焦尔效应；随着磁致伸缩现象的发现，VILLARI发现了磁致伸缩逆效应，即弱铁磁性材料在具有一定强度外磁场的作用下，当它受到外力产生变形时，材料内部磁场强度将发生一定量的变化，也称其为VILLARI逆效应14。用物理方法解释磁致伸缩逆效应是在一定强度外磁场作用下的铁磁性材料，受到外力作用时产生机械变形，此时材料内部同时伴随着晶格的变化，并引起磁畴内磁矩方向发生改变，因此产生附加磁场，该磁场与外加磁场的叠加导致材料内部磁场强度产生变化。稀土超磁致伸缩材料同时具有磁致伸缩正逆效应，利用磁致伸缩正效应可以制作各种位移转换执行器件，构成执行机构利用它的磁致伸缩逆效应则可以设计和生产出各种传感器件，并且利用其逆磁致伸缩效应可实现执行器与传感器的功能集成。磁致伸缩现象有两种表现形式线性磁致伸缩和体积磁致伸缩。其中线磁致伸缩包括纵向磁致伸缩和横向磁致伸缩。2111线性磁致伸缩当磁性体被磁化时，伴有晶格的自发变形，即沿着磁化方向伸长或者缩短，称为线性磁致伸缩。线性磁致伸缩包括纵向磁致伸缩和横向磁致伸缩。沿外磁场方向尺寸发生的相对变化，成为纵向磁致伸缩；而垂直于外磁场方向尺寸的相对变化，称之为横向磁致伸缩。发生线性磁致伸缩时，磁性材料的体积几乎不产生变化，只是改变其形状，并且线性磁致伸缩时变化的数量级为105106。由于当磁性材料的磁化还没有达到饱和状态时，主要是表现为线性磁致伸缩，所以一般磁致伸缩均指的是线性磁致伸缩。我们用线磁致伸缩系数表征线性磁致伸缩的大小。在磁化过程中，磁体沿着磁化方向上单位长度上发生的长度变化称为线磁致伸缩系数，以表示，表达式为（11）L式中是材料在磁化以后的长度变化量，L是磁性体的原始长度。2112体积磁致伸缩在磁性材料体磁化状态发生改变时其体积发生的膨胀或收缩的现象被称为体积磁致伸缩。体积磁致伸缩主要是在磁性体磁化饱和以后产生。由于在一般磁性体的体积磁致伸缩非常小，很少在实际当中应用，因此在测量和研究中很少考虑这种现象。但是在个别特殊合金材料中体积磁致伸缩表现的较为明显而被加以利用。我们用体积磁致伸缩系数用来表示体积伸缩效应的大小。在磁化过程中，磁性体单位体积上发生的体积变化称为体积磁致伸缩系数，以表示，表达式为（12）V式中是磁化之后的体积变化量，V是磁性体材料的原始体积。磁致伸缩系数是关于温度、磁场和压力的函数。在一定温度的条件下随磁场强度的增大而增大，当磁化达到饱和状态时，达到一个稳定值，称为饱和磁致伸缩系数，S以表示。对于单晶体，S是一个各向异性的物理量，就是说当磁化沿着不同的晶向时，饱和磁致伸缩系数的会产生不同。磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系数与它的磁化过程、热处理状态和化学成分密切相关，但是对一定的材料S是个常数。212磁致伸缩机理对于一般的普通铁磁材料而言，其磁致伸缩系数在105量级，而磁致伸缩系数高于103量级的材料被称为超磁致伸缩材料。磁致伸缩材料的磁致伸缩机理比较复杂，从自由能极小的观点看，为使系统的总能量最小，磁性材料的磁化状态发生变化时，其自身的形状和体积将发生变化14。具体来说，有以下原因导致了磁致伸缩71314。2121自发形变自发磁化自发磁化是铁磁体的基本特点，是铁磁体任意小区域内所有的原子磁矩按照一定规则排列起来的现象。磁体在高温时表现为顺磁状态，不表现出磁性，磁化强度MS0。当从高温到冷却，通过居里温度TC变为铁磁状态，由于交换作用力使其形成磁畴，产生磁化，并且伴随体积和形状的改变。此时单畴的晶体磁化强度MS0，同时，晶体形状发生了改变图2，这就是自发形变引起的磁致伸缩。图2自发形变2122形状效应磁性材料在被磁化以后，由于材料形状不闭合或者是有限长度，产生一个退磁强度，被称为退磁场，并且方向在材料内部总是与外磁场的方向相反，削弱外磁场强度，最终导致材料内的总磁场强度将小于外磁场强度。退磁场作用在物体的磁矩上产生相应的退磁能，退磁能为VNMSE2/1MS为饱和磁化强度，V是单磁畴体积，N为退磁因子由材料几何因素决定，若想要降低退磁能，必须减小单磁畴体积V；并且磁畴晶体在磁化方向上要伸长，以减小退磁因子，这便是形状效应引起的磁致伸缩。形状效应是由N退磁能引起的，所以这一效应比较小，并且小于其他磁致伸缩。2123场致变形自发形变和形状效应所产生的磁致伸缩是磁性材料本身所固有的，并不受外磁场的影响，而场致变形是由自旋与轨道祸合能和物质的弹性能平衡而产生的，它与磁化过程密切相关，且随应力变化而发生变化14。一般情况下，我们所说的磁致伸缩就是指场致变形15。当外加磁场作用到铁磁体时，在铁磁体内部形成一对对的NS极，这种成对的NS极所构成磁矩7。其中与电子轨道相关的磁矩被称为轨道磁矩，与电子自旋相关的磁矩被称为自旋磁矩，它们统称为原子磁矩。在铁磁体中，电子自选磁矩可以在小范围内自发的排列起来，形成许多自发磁化区，这种现象叫做磁畴。在未此话的多畴铁磁物质中，磁畴在铁磁体内部混乱排列，整个铁磁体宏观上不表现出某个方向上的伸长或者缩短。按照量子力学理论，电子之间存在一种“交换作用”，它使电子自旋在平行排列时能量最低。当外磁场较小时，使得磁畴间的边界发生移动即时磁畴的体积变大；继续增大磁场，磁畴内的磁矩发生旋转，并且磁畴在外磁场方向上发生磁致伸缩形变；当磁场增加到一定数值磁畴基本与外磁场平行，铁磁体将不再伸长，达到饱和磁致伸缩状态，此时磁致伸缩最大。图13（贾振元）22超磁致伸缩材料的基本工作特性221磁致伸缩特性稀土超磁致伸缩材料具有如下伸缩特性（1）磁致伸缩随着外磁场的变化而变化，但是磁场方向改变时磁致伸缩的方向不变，当外磁场增加到一定数值以后，磁致伸缩达到饱和。（2）磁致伸缩与磁场的关系是非线性的，并存在着一定的迟滞现象。当驱动磁场较小或者接近饱和驱动磁场时磁致伸缩材料的伸长量较小；当驱动磁场在中间段时磁致伸缩材料伸长量较大。（3）磁致伸缩材料在一定预压力的情况下，磁致伸缩系数要比无预压力情况下大，所以要达到好的伸长效果必须给磁致伸缩材料施加一定的预压力。222能量转换性能与压电陶瓷以及传统磁致伸缩材料相比，稀土超磁致伸缩材料作为一种电磁机械能转换材料，具有许多前两种材料所没有优越的特性。以TERFENOLD代表的超磁致伸缩材料,NI和压电陶瓷（PZT）的部分特性参数131617。通过比较，可以发现超磁致伸缩材料具有的特性1伸缩系数大在室温下，饱和磁致伸缩系数S在静场中可达到1500X1062000X106，线性范围内也达1000X106，是压电陶瓷的35倍，NI的30倍。动态应变较大，适合用于高频振动当中。较大的磁致伸缩系数非常有利于准确控制伸缩量，提高定位精度；2输出力大它能够承受大于等于700MPA的压应力，远大于压电陶瓷材料，宏观表现为带载能力强；3机电祸合系数K33高机电耦合系数可达到07075；4能量转换效率高，能量密度是压电陶瓷的1025倍；5响应速度快TERFENOLD的响应时间1S，并且稀土超磁致伸缩材料可重复性好；6可靠性高稀土超磁致伸缩材料不会发生疲劳退化，无摩擦，并且适用于高温环境下。稀土超磁致伸缩材料的优异性能决定了基于稀土超磁致伸缩材料的执行器具有输出位移大、输出力强、响应速度快、控制精度高、能量转换效率高、可靠性高、频带宽等优点。相对于传统执行器相比，在高精度范围，性价比较高。223磁致伸缩饱和现象由磁致伸缩机理可知超磁致伸缩材料在外磁场激励下具有较大的磁致伸缩系数。磁致伸缩系数是关于磁场强度的函数，当温度和压力恒定的情况下，随着磁场强度的增加而变大；但是当磁场强度增大到一定程度的时候，几乎不再变化，这种现象称为磁致伸缩饱和现象49。如图所示，是单晶体TBFE2的磁致饱和现象。所以，在基于稀土超磁致伸缩材料的执行器件中，只有在工作在材料的非饱和范围内才能通过增大驱动磁场强度来明显提高输出位移。224机电藕合特性超磁致伸缩材料在磁场中产生磁致伸缩效应，输出机械力和位移；相反，机械应力也会对超磁致伸缩材料的内部的磁化状态产生影响，即磁致伸缩逆效应。由于磁致伸缩效应和磁致伸缩逆效应的存在，使材料中原本相互独立的磁系统和机械系统发生了耦合。此时，反应材料力学的弹性模量不仅决定于应力与应变的关系，而且与材料的磁化状态有关；与之相应，材料的磁化率不仅取决于磁化强度和磁场的关系，还与材料的受力状态有关。那么磁学量和力学量之间的关系由第一类磁致伸缩方程表示HTDSHBD式中，是应变；磁感应强度；是磁场强度；是恒定磁场条件下的材料S弹性柔顺系数矩阵；是恒温、恒应力条件下磁致伸缩应变系数矩阵的转秩；TD是恒应力条件下的磁导率系数矩阵；磁致伸缩常数D的定义为当H/或为常数或（当H0或为常数）。0/B从压磁方程可知磁致伸缩效应以及磁致伸缩逆效应的本质是使材料的磁系统和机械系统产生能量交换。在绝热和与外界无能量狡猾的热力条件下，这种能量双向交换的效率相等，并且转化效率可以用机电耦合系数表示K电能（输入）机械能（输出）机械能（输入）电能（输出）K将式中的和分别消去HBDSH12DB2定义为常数时的磁导率为，为常数时的柔度系数为,则由上面两式可得BS）（HSD21B2引入刚度系数代替柔度系数，式变成KBHKSD12当磁场能转换为弹性能时磁导率由变成，有式可得HSDHK2221当弹性势能转化为磁场能时，刚度系数由变为，相应位移为，由式得BKHSHBBHSDSK2221通过测量带有磁致伸缩材料线圈的复数阻抗，可得到机电耦合系数。对于与材料几何形状有关的机电耦合系数，当材料为棒状结构时，3KKK2/3机电耦合系数是评价磁致伸缩材料性能好坏的一个重要指标，其大小与磁致伸缩系数、磁导率、刚度系数和材料成分分配有关。提高机电耦合系数能够提高电磁转换率，从而能提高磁致伸缩材料的性能。224效应E稀土超磁致伸缩材料的弹性模量适中，介于较软的稀土元素和较硬的过渡族磁性金属如FE之间，结合它的大磁致伸缩率，稀土超磁致伸缩材料能产生大的磁弹性位移和磁弹性力。稀土超磁致伸缩材料的E效应是指它的杨氏模量比其假想为费铁磁性状态时的值分别减小的现象。E效应实际上是磁致伸缩逆效应的一种表现形式。这是因为当有外磁场作用时，其内部会产生应变和应力，引起磁畴磁矩方向的改变，进一步导致了材料晶格的改变。此时磁致伸缩材料长度变化除应力作用引起的长度变化外，还叠加了磁致伸缩所引起的长度变化。而只有当稀土超磁致伸缩材料达到磁化饱和状态以后，磁致伸缩引起的长度变化就不再产生，仅剩下由应力作用引起的长度变化，此时的弹性模量将不再受磁场的影响，才是我们正常说的杨氏模量。图所示是TB03DY07FE的超磁致伸缩材料的E效应。若为正，此时磁化磁场强度为零，磁致伸缩材料的弹性模量E0最小；当达到饱和磁化状态时的弹性模量ES最大。效应与材料饱和磁致伸缩系数、饱和磁化强度MS以及饱和弹性模量有直接相关，KERSTEN得出了它的具体数学表达式1827220/9/0SSEM式中，真空磁导率。0由此可见，由于磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系数很大，所以E效应很明显。谐振状态下，TERFENOLD的最大变化可达16118，这在其他材料中E是很少能见到的。杨氏模量的变化会引起稀土超磁致伸缩材料的能量密度发生变化，对磁致伸缩执行器而言，效应是引起其能量转换和输出特性变化的重要因素，所以，在执行器件设计过程中要给予很大的关注。225其它特性1材料抗拉强度低、易碎稀土超磁致伸缩材料非常脆很容易发生破碎，在工程应用当中应该多加注意。磁致伸缩材料的抗拉强度很低，例如，TERFENOLD棒为28MPA，所以需防止它在工作中被拉断。在材料工作之前给其施加一定的压应力，使它始终处于受压的工作状态，可以避免拉伸应力的产生。2涡流损耗与高频工作特性由于外加磁场随时间变化，使得磁致伸缩材料内部磁通量即磁感应强度发生变化，这种变化会使在材料内部产生垂直于磁通量的电流，即涡流。涡流产生磁通量阻碍交流磁场，产生欧姆损耗。并且涡流还会减小实际磁场的大小，降低材料的使用率。涡流损耗产生的热量会引起工作温度升高，使材料产生受热膨胀。因为稀土超磁致伸缩材料的电阻率非常低，所以涡流损耗十分明显，而它的热膨胀对整个机构的输出造成影响，精度降低。在高频率下，超磁致伸缩材料会中产生更大的涡流损耗，只有采取措施对伸缩元件的热变形加以控制，才能保证执行器整体的可靠性、稳定性和精度要求。3温度特性磁致伸缩材料的温度特性在实际中有十分重要的作用。低温下，随着温度的下降，磁致伸缩急剧减小，高温下，随着温度的升高，磁致伸缩也逐渐减小，直至其居里点时磁致伸缩特性完全消失；而在室温条件下，特别是在080度时，超磁致伸缩材料的磁致伸缩系数变化不明显。所以，超磁致伸缩材料应该工作在080度范围内。4滞回损耗特性超磁致伸缩材料在应变与磁场的关系曲线中显示出明显的磁滞现象，这是磁致伸缩固有的材料特性，主要是由于材料内部磁畴要转向磁场施加的方向时摩擦所引起的，即转动不是完全可逆造成的，从而相应产生能量损耗。由于稀土超磁致伸缩材料中磁滞现象的存在，因此对采用它开发线性执行器件具有很大的负面影响，造成器件的一致性降低。磁滞现象不能根本消除，但是可以通过施加适当的预压应力和偏置场强以减小它的影响，以提高执行器件的重复性。23本章结论本章主要介绍了稀土超磁致伸缩材料的磁致伸缩现象，着重强调磁致伸缩系数；阐述了磁致伸缩现象产生的机理，并且重点讨论它的许多工作特性，包括磁致伸缩饱和现象、机电耦合特性、E效应、能量转换性能、温度影响、涡流损耗、磁滞损耗现象等，为超磁致伸缩微位移进给器件的设计与应提供指导和参考。第3章异型孔加工系统机构设计与计算活塞异形销孔精密数控镗削加工系统设计的核心问题在于高频响刀具微进给机构的设计计算和控制系统的实现。机械微进给机构是刀具控制的执行机构，本文采用磁致伸缩材料驱动器作为动力源，设计了一种新型的精密高频数控进给机构，主要是通过磁致伸缩材料驱动器的伸缩运来驱动刀具做周期性径向进给运动，利用弹性的挠性机构将力、位移等输出给被驱动对象，具有分辨率高、无机械摩擦、无间隙等优点。整体结构如下图所示输入为可控的电压，而输出则为受控的微小位移微米级。在驱动系统中利用磁致伸缩微位移进给器完成电磁能转化为机械能，变形机构将机械能表现为位移输出，并通过弹性变形机构的放大作用实现指定数量级的微小位移。31异型孔加工径向位移微进给执行器整体的结构和工作原理311径向位移微进给器设计基本原理随着GMM制备技术的完善和价格的降低，超磁致伸缩材料位移执行器的应用日趋广泛。其产品的位移精度可以达到纳米级，不仅能够克服传统磁致伸缩执行器结构复杂的缺点，而且其机电转换效率具有其他执行器无法比拟的优势。根据稀土超磁致伸缩材料具有伸缩系数大，响应快，输出力大，驱动方便等特点。超磁致伸缩位移执行器是以GMM棒为核心部件的机电转换器件。GMM棒在驱动磁场的周期性激励下产生同周期磁致伸缩，从而推动为位移执行器产生位移输出。GMM不同于普通弹性材料，具有较强的非线性，且受外部因素如应力、温度、磁场等的影响。因此，超磁致伸缩位移执行器的设计、分析、计算与电致伸缩类执行器相比有诸多不同。由于磁致伸缩材料的位移输出是轴向的，想让轴向位移转变成径向位移必须在执行器上加上一个位移转换机构。这个转换机构采用弹簧板，不仅能够给磁致伸缩棒施加预紧力并且能够同时达到位移转换的目的。312径向位移微进给器总体结构要求磁致伸缩微位移执行器的设计分为两个阶段。第一个阶段为概念设计，即根据超磁致伸缩材料微位移执行器的功能需求设计机械结构和外部形状。其中，最主要的是主体结构的设计。主体结构的设计要满足外部和内部的约束条件，即执行器的主要功能预期的位移、输出力等。第二个阶段为结构尺寸的优化设计，即综合考虑超磁致伸缩材料位移执行器的工作特点和超磁致伸缩材料的工作特性，完成执行器各不见得选材，主要参数的选择，形状的设计，执行器初始状态及偏置条件的设置，从而优化执行器的功能。在超磁致伸缩微位移执行器的设计过程中，要充分考虑利用超磁致伸缩材料特性、结构紧凑、重量轻、体积小、成本低工作特性。超磁致伸缩材料内部的磁场强度、内部应力和热状态之间是相互耦合的关系。根据超磁致伸缩材料的工作特性可知微位移执行器的的工作过程包含电、磁、机械、热等多种物理场的交互与转换。因此，在超磁致伸缩微位移执行器的设计过程中应该注意以下问题（1）磁致伸缩材料响应速度快、应变量大。因此，其微位移执行器的微位移传递机构应具有较高的响应频率和较大的微位移输出范围。（2）理论分析和试验表明，在一定预紧力作用下，超磁致伸缩材料的伸缩特性将有很大的提高，另外，超磁致伸缩材料抗拉能力远小于抗压能力，并且比较脆，所以执行器内部应该采取一定的措施是超磁致伸缩材料处于受压的状态。（3）在精密、超精密的驱动领域，稀土超磁致伸缩材料的热变形必须重点考虑。所以，在设计执行器时，一方面要对驱动线圈的功率进行优化设计，尽量减少发热环节；另一方面应在执行器的内部采取一定的恒温措施，对热变形进行有效抑制。（4）超磁致伸缩微位移进给器是需要磁场驱动的，因此其内部的磁路设计非常关键。1，因为超磁致伸缩材料的磁导率较低，所以应该在进给器内部设计闭合的此路，以了减少漏磁，同时提高驱动磁场的利用率。2，为减小磁场对超磁致伸缩材料的伸长量和驱动磁场的测量精度的影响，应该努力提高驱动磁场的均匀化程度。3，因为驱动线圈轴向端部存在端部效应，退磁场较大，致使线圈的轴向均匀度呈中间均匀两端不均匀的哑铃状，所以应该使磁致伸缩棒的轴向尺寸小于驱动线圈的轴向尺寸。4，组成磁路的磁性元件存在着复杂的非线性的现象，给磁路的设计带来很多难度和不确定性。（5）超磁致伸缩微位移进给器系统中的力学问题。设计超磁致伸缩微位移执行器的力传递机构、位移输出机构和应尽力机构时，要合理的选择机械部件的材料，形状，公差，尺寸和刚度。减小内部部件的质量可以减小动态力，改善执行器的输出。支撑部件，如外套和预紧螺钉，可以使用高强度的材料，以减少内部的储能。（6）超磁致伸缩微位移执行器系统的电气特性。通常用阻抗来描述系统的电器特性，超磁致伸缩微位移执行器包含电器阻抗和机械阻抗两种阻抗。由于电磁机械等物理量的转换，超磁致伸缩位移执行器的机械特性和此特性同样会影响超磁致伸缩微位移执行器的阻抗特性。此外，驱动元的选择也尤为重要，选择恒流驱动或恒压驱动，执行器的特性有所不同。根据以上介绍的超磁致伸缩微位移执行器设计过程应该注意的问题，给出一种执行器的结构原理图。同时通常要添加一定的辅助结构，如加入适当的位移放大/缩小机构，如变幅杆、杠杆等，可以消除所需要的位移与基本结构下超磁致伸缩执行器能达到的输出范围不匹配的现象；在超精密的应用场合，通常需要对超磁致伸缩执行器进行闭环反馈控制调节，就应加入相应的传感器等装置。313径向位移微进给器基本工作原理（结构图重新画）本文设计的异形销孔磁致伸缩径向微进给机构如图2所示，整个机构通过前立板3与静动压主轴1相连接，使机构随同镗削主轴高速转动；微进给主要是利用磁致伸缩棒2的微位移和弹簧板5的弹性变形来实现在磁致伸缩棒周围的励磁线圈中通入电流，励磁线圈产生相应磁场，磁致伸缩棒在磁场作用下伸缩，产生应力和应变，实际表现为力和位移。棒的伸缩使弹簧板5绕其自身弹性变形位置有微小的转动，弹簧板和镗刀杆7通过刀杆座6刚性连接，弹簧板的转动使镗刀杆形成随同镗削主轴高速转动和径向微转动的综合运动。磁致伸缩棒的伸缩位移得到放大，刀尖处产生的径向位移大于磁致伸缩棒伸缩的纵向位移；预应力斜块4的作用是使磁致伸缩棒在正常工作之前有一定的预压力，使磁致伸缩棒具有最好的伸缩效果；U型弹簧9的作用是提高弹性机构的刚度，以满足弹性机构响应速度的要求。本异形销孔磁致伸缩径向微进给机构可以镗削出椭圆形和喇叭孔形状的活塞异形销孔通过周期性改变励磁线圈中驱动电流来改变磁场，实现镗刀径向周期性微运动，从而镗削出横向椭圆销孔，见如图3（A）；通过线性增加或减小励磁线圈中电流，驱动镗刀产生相应变化的径向微位移，从而镗削出纵向喇叭口形状的销孔，如图3（B）所示。32异型孔加工径向位移微进给执行器整体的结构设计321微进给器磁致伸缩棒的设计计算和磁路设计3211超磁致伸缩棒的设计TERFENOLD是目前性价比较高的磁致伸缩材料,所以选择它为执行器的的磁致伸缩材料。由于牌号的不同，磁致伸缩棒的性能指标会有很大的差别，综合考虑各种因素，决定使用的棒是由沈阳贝特数控机械有限公司丹东分公司提供的超磁致伸缩棒。稀土超磁致伸缩材料棒的主要特性参数包括弹性模量E、磁导率、磁致伸缩系数、机电耦合系数K33和动态磁致伸缩系数D3等。根据相关实验数据，施加在棒上预压应力应该在1030MPA范围内，工作温度T为维持在45左右。此时，稀土超磁致伸缩棒的各特性参数才能达到最好效果。对于直动型微进给器，径向微位移进给器的轴向输出位移等于超磁致伸缩棒的伸长量，由于棒的最大伸长量与其自身长度有很密切的关系，所以要对磁致伸缩棒的长度进行计算。令超磁致伸缩棒的伸长量MAX等于其设计的最大L输出位移MAX，则超磁致伸缩棒的理论长度X（）SMAXSAXXL式中，是超磁致伸缩棒的长度，是超磁致伸缩棒的饱和伸长量，是LAXS磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系数，是超磁致伸缩微位移进给器的设计最MX大输出位移，为数学因子，一般设计的线性工作位移为饱和伸长量的一半，取05，若取值大，则线性化的难度增大，但节省材料。一般情况下，超磁致伸缩棒的伸缩系数为原始长度的12。由于一般椭圆度要求为直径方S向上002004MM，而机构的放大倍数为34，所以取最大值，在线性范围内需要棒的伸长量总伸长量为001MM。根据以上公式，在棒达到饱和状态下的最小长度M10L由于这是棒的理论计算值，但是由于达到饱和状态时，其通入激励线圈的磁场强度太大，发热严重，并且还要考虑其他器件受力变形及其他实际因素，包括温度和偏置磁场等影响，根据经验实际应用的磁致伸缩材料的长度远大于这个值。超磁致伸缩棒的横截面积是由微位移进给器的最大输出力所决定的，而进给器的输出力等于磁致伸缩棒的输出力减去预先施加预加压力。理想状态下，超磁致伸缩棒和超磁致伸缩微位移进给器的输出力与输出位移的关系如图所示。图中X是位移，F是力，F0为预压力，超磁致伸缩微位移进给器的输出力是超磁致伸缩棒的输出力减去预压力，FB为超磁致伸缩进给器的超磁致伸缩棒处于输出位移为零时的输出力，XS是微进给器负载为零位移，但此时超磁致伸缩棒仍受预压力F0的作用，XMIN磁致伸缩棒最小工作位移和XMAX是磁致伸缩棒的最大工作位移，FMIN和FMAX分别是最小和最大工作位移对应的输出力。由图可知，超磁致伸缩微位移进给器的输出力随着输出位移增大反而减小，有XKBTF式中，超磁致伸缩棒的刚度，为TK328LAEBYTK式中，A是超磁致伸缩棒的横截面积。当超磁致伸缩棒达到饱和磁致伸缩状态时时，有，此时输出力为零，由式和式，可得LXSMAX329SBYAEFB因为超磁致伸缩棒的预压力为，并且要求超磁致伸缩微位移进给器固0持状态下的最大输出力为，由式可得BF3300SEYA超磁致伸缩微位移进给器最大工作位移处的输出力要求为，由式32可得3310MIN1SBYF根据上面表21的参数可以计算,同时满足式330和式331的横截面积A即为设计横截面积，即可得超磁致伸缩棒的直径。实际条件施加到磁致伸缩材料最大的力为25000N,所以有公式得到磁致伸缩棒的直径最小为1735MM。根据本文设计要求和厂家牌号系列，选择了规格为20100MM的超磁致伸缩棒。3212磁路结构设计超磁致伸缩材料的磁导率低，导磁性能差，漏磁严重，所以在进行磁路结构设计时必须减少漏磁，使磁致伸缩材料棒的磁场强并且均匀，这样可以提高磁致伸缩材料的利用率，减小材料内部的应力，增大磁致伸缩棒产生的应变值。一般情况下，磁致伸缩材料采用线圈、永久磁铁等磁性元件产生的磁场驱动，分为电磁式驱动和组合式驱动。电磁式驱动是指磁致伸缩材料所需要的驱动磁场和偏置磁场都由线圈产生的驱动方式。磁致伸缩棒与与导磁体形成闭合回路，以减少漏磁。电磁式驱动的优点是结构相对简单，成本低，可以很方便的通过调节驱动电流来调节磁场的大小，并且磁路当中非线性元件少；缺点是体积大，有严重的发热现象。组合式驱动方式与电磁式驱动的主要差别是在磁路中增加永久磁铁以提供一定的偏置磁场，驱动磁场依然由线圈来提供。这样可以缩小驱动线圈的体积，是结构紧凑，同时减少线圈的发热。缺点是成本较高，并且在磁路中非线性严重。相比较而