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超磁致伸縮材料在鏜床中的應(yīng)用
閱讀：991 發(fā)布時間：2011-2-23摘 要：目前工業(yè)界對非圓孔加工的迫切要求，使變切深鏜孔技術(shù)正在受到國內(nèi)外學(xué)者越來越多的關(guān)注，超磁致伸縮材料（Giant Magnetostrictive Microdisplacenet-GMM）的出現(xiàn)和應(yīng)用使鏜床用來加工非圓異型孔的技術(shù)成為了可能?；贕MM的數(shù)控鏜床將使異型孔加工精度和效率大大提高，具有很高的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：超磁致伸縮材料；鏜床：非圓孔
一、引言
經(jīng)典數(shù)控系統(tǒng)的多坐標(biāo)插補(bǔ)的方法可以實現(xiàn)對于孔的自動化加工。雖然在加工非圓孔過程中采用數(shù)控銑床也能達(dá)到加工精度要求，但是其加工效率低、費用高，在加工大批量機(jī)械產(chǎn)品時，比如活塞體上的異型孔，會體現(xiàn)出其加工經(jīng)濟(jì)性差的缺點。*，鏜床的加工效率和加工精度在機(jī)械加工機(jī)床中是比較高的，因此可以通過合理設(shè)計鏜床來實現(xiàn)對異型孔的加工。
GMM可以將電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或風(fēng)能，相反也可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電磁能，是一種重要的能量轉(zhuǎn)換功能材料。GMM具有應(yīng)變大、能量密度高、機(jī)電耦合系數(shù)大、響應(yīng)速度快和輸出力大等優(yōu)點，使得其在鏜床微驅(qū)動器的研究領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
二、GMM簡介
鐵磁材料和亞鐵磁材料由于磁化狀態(tài)的改變，其長度和體積都要發(fā)生微小的變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象。此現(xiàn)象晟早由物理學(xué)家焦耳（Joule）發(fā)現(xiàn)，后來人們發(fā)現(xiàn)鎳、鈷、鐵及其合金有明顯的磁致伸縮效應(yīng)。具有這種效應(yīng)的材料稱為GMM，目前GMM材料以稀土一鐵、稀土一鐵和鐵一鎵為代表，應(yīng)用zui廣。磁致伸縮現(xiàn)象有三種表現(xiàn)形式：①沿著外磁場方向尺寸大小的相對變化，稱為縱向磁致伸縮：②垂直外磁場方向尺寸大小的相對變化，稱為橫向磁致伸縮：③材料體積大小的相對變化，稱為體積磁致伸縮。磁致伸縮，外加磁場前長度為10，在磁場作用下長度沿著H方向增加△1。
三、基于GMM的鏜刀刀桿磁致伸縮致動器的研究
鏜床的數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)待加工異型孔的形狀，計算出刀具加工過程中徑向偏置位置；根據(jù)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)確定磁致伸縮致動器的伸長量；根據(jù)GMM的磁場一應(yīng)變關(guān)系得到勵磁磁場的大?。粃ui后由磁場推算出勵磁電流的大小。實現(xiàn)刀具在加工過程中徑向位置改變的控制是通過控制勵磁電流的大小控制的。
磁致伸縮致動器的結(jié)構(gòu)原理，勵磁線圈在通入一定得電流后產(chǎn)生相應(yīng)的磁場，GMM在驅(qū)動磁場作用下產(chǎn)生伸縮變化，磁致伸縮棒發(fā)生伸縮運動，產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力，其宏觀表現(xiàn)為位移與力的輸出，從而實現(xiàn)電磁能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。再通過機(jī)械裝置實現(xiàn)刀具在加工孔的徑向位置的改變，從而實現(xiàn)異形孔加工。
超磁致伸縮微位移致動器進(jìn)給精度可達(dá)亞微米級，用于精密和超精密加工領(lǐng)域，是改善自動控制技術(shù)、提高產(chǎn)品精度及反應(yīng)速度的是一代產(chǎn)品；而鏜床在加工過程中的加工效率高、費用低、應(yīng)用廣泛。因此GMM用于鏜床的結(jié)構(gòu)設(shè)計無疑將是zui大的創(chuàng)新之處，其工業(yè)前景廣闊。
超磁致伸縮致動器與傳統(tǒng)致動器相比有以下優(yōu)點；伸縮沖程大：
響應(yīng)速度快：小于1μs；抗壓強(qiáng)度高：大于700MPa；工作電壓低：幾伏到幾十伏；可靠性高：無疲勞老化。
超磁致伸縮微位移執(zhí)行器的應(yīng)用離不開驅(qū)動電源。執(zhí)行器的靜態(tài)和動態(tài)使用性能在很大程度上離不開驅(qū)動電源的性能。根據(jù)GMM驅(qū)動磁路的特點，其驅(qū)動電源有以下特點：穩(wěn)定特性和線性度好、有較高的頻率響應(yīng)、恒流源采取數(shù)字量控制的結(jié)構(gòu)等。通常可以穩(wěn)定性高、電路簡單可靠的連續(xù)調(diào)整型恒流源作為超磁致伸縮微位移執(zhí)行器驅(qū)動磁場的可控恒流源部分。此系統(tǒng)采用單閉環(huán)負(fù)反饋PID（比例、積分、微分）算法控制，縮短上升時間，減小超調(diào)量，減小了輸出電流的偏差?？梢赃_(dá)到致動器的進(jìn)給精度。
驅(qū)動電源的電能可以通過高速水銀滑環(huán)傳輸?shù)絼畲啪€圈，這就解決了供電問題。下圖是杭州全盛電氣有限公司生產(chǎn)的水銀式電氣滑環(huán)。
四、總結(jié)
此研究方案的引出，不僅僅是涉及到GMM材料的應(yīng)用，如果要實現(xiàn)其在工業(yè)中的應(yīng)用，還要到數(shù)控插補(bǔ)算法、接口技術(shù)、自動控制技術(shù)和電源電路技術(shù)等。產(chǎn)品的研制成功將給異型孔加工帶來春天。（end）