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超磁致伸缩材料在镗床中的应用

2014/4/6    来源:万方数据    作者:贾振元  杨兴  武丹  郭东明      
关键字:超磁致伸缩材料  镗床  
目前工业界对非圆孔加工的迫切要求,使变切深镗孔技术正在受到国内外学者越来越多的关注,超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Microdisplacenet-GMM)的出现和应用使镗床用来加工非圆异型孔的技术成为了可能。基于GMM的数控镗床将使异型孔加工精度和效率大大提高,具有很高的现实意义和经济效益。

一、引言

  经典数控系统的多坐标插补的方法可以实现对于孔的自动化加工。虽然在加工非圆孔过程中采用数控铣床也能达到加工精度要求,但是其加工效率低、费用高,在加工大批量机械产品时,比如活塞体上的异型孔,会体现出其加工经济性差的缺点。众所周知,镗床的加工效率和加工精度在机械加工机床中是比较高的,因此可以通过合理设计镗床来实现对异型孔的加工。

GMM可以将电磁能转换成机械能或风能,相反也可以将机械能转换成电磁能,是一种重要的能量转换功能材料。GMM具有应变大、能量密度高、机电耦合系数大、响应速度快和输出力大等优点,使得其在镗床微驱动器的研究领域展现出广阔的应用前景。

二、GMM简介

  铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变,其长度和体积都要发生微小的变化,这种现象称为磁致伸缩现象。此现象晟早由物理学家焦耳(Joule)发现,后来人们发现镍、钴、铁及其合金有明显的磁致伸缩效应。具有这种效应的材料称为GMM,目前GMM材料以稀土一铁、稀土一铁和铁一镓为代表,应用最广。磁致伸缩现象有三种表现形式:①沿着外磁场方向尺寸大小的相对变化,称为纵向磁致伸缩:②垂直外磁场方向尺寸大小的相对变化,称为横向磁致伸缩:③材料体积大小的相对变化,称为体积磁致伸缩。磁致伸缩,外加磁场前长度为10,在磁场作用下长度沿着H方向增加△1。

三、基于GMM的镗刀刀杆磁致伸缩致动器的研究

  镗床的数控系统根据待加工异型孔的形状,计算出刀具加工过程中径向偏置位置;根据机械执行机构确定磁致伸缩致动器的伸长量;根据GMM的磁场一应变关系得到励磁磁场的大小;最后由磁场推算出励磁电流的大小。实现刀具在加工过程中径向位置改变的控制是通过控制励磁电流的大小控制的。

 磁致伸缩致动器的结构原理,励磁线圈在通入一定得电流后产生相应的磁场,GMM在驱动磁场作用下产生伸缩变化,磁致伸缩棒发生伸缩运动,产生应变和应力,其宏观表现为位移与力的输出,从而实现电磁能向机械能的转换。再通过机械装置实现刀具在加工孔的径向位置的改变,从而实现异形孔加工。

  超磁致伸缩微位移致动器进给精度可达亚微米级,用于精密和超精密加工领域,是改善自动控制技术、提高产品精度及反应速度的是一代产品;而镗床在加工过程中的加工效率高、费用低、应用广泛。因此GMM用于镗床的结构设计无疑将是最大的创新之处,其工业前景广阔。

  超磁致伸缩致动器与传统致动器相比有以下优点;伸缩冲程大:

  响应速度快:小于1μs;抗压强度高:大于700MPa;工作电压低:几伏到几十伏;可靠性高:无疲劳老化。

  超磁致伸缩微位移执行器的应用离不开驱动电源。执行器的静态和动态使用性能在很大程度上离不开驱动电源的性能。根据GMM驱动磁路的特点,其驱动电源有以下特点:稳定特性和线性度好、有较高的频率响应、恒流源采取数字量控制的结构等。通常可以稳定性高、电路简单可靠的连续调整型恒流源作为超磁致伸缩微位移执行器驱动磁场的可控恒流源部分。此系统采用单闭环负反馈PID(比例、积分、微分)算法控制,缩短上升时间,减小超调量,减小了输出电流的偏差。可以达到致动器的进给精度。

  驱动电源的电能可以通过高速水银滑环传输到励磁线圈,这就解决了供电问题。下图是杭州全盛电气有限公司生产的水银式电气滑环。

四、总结

  此研究方案的引出,不仅仅是涉及到GMM材料的应用,如果要实现其在工业中的应用,还要联系到数控插补算法、接口技术、自动控制技术和电源电路技术等。产品的研制成功将给异型孔加工带来春天。

责任编辑:陈浩
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