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CN106001611B - 一种精密高速断续超声振动切削方法 - Google Patents

一种精密高速断续超声振动切削方法 Download PDF

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CN106001611B CN201610453083.9A CN201610453083A CN106001611B CN 106001611 B CN106001611 B CN 106001611B CN 201610453083 A CN201610453083 A CN 201610453083A CN 106001611 B CN106001611 B CN 106001611B
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Abstract

一种精密高速断续超声振动切削方法，其步骤如下：一、将超声波发生装置安装在相应的机床和切削刀具上，使切削刀具能够产生横向振动，能实现多种切削加工工艺的过程；二、设置切削参数和振动参数，使其满足断续切削条件，完成断续切削过程；三、开启振动装置和机床，完成精密高速断续超声振动切削过程；通过以上步骤，能够在切削加工航空航天难加工材料等中极大的提高切削速度，使工件切削速度突破了传统超声振动切削和椭圆超声振动切削的速度极限，甚至超过普通切削速度限；同时还具有切削力和切削热下降，刀具寿命延长、加工成本降低，表面质量优化和加工质量提高等优势。

Description

一种精密高速断续超声振动切削方法
技术领域
本发明提供一种精密高速断续超声振动切削方法，它是一种使精密切削高速化的方法。其中，将超声振动应用于切削加工刀具上，辅之以合理的切削参数，振动参数设置，实现切削加工刀具与切削工件的超声分离效应，使切削过程为超声断续切削，进而在精密切削过程中实现高速化。
背景技术
高速切削加工技术是一种用比普通切削高得多的切削速度进行切削加工的高效新技术，高速切削加工可用于加工有色金属、铸铁、钢、纤维强化复合材料等，还可以用于切削加工各种难加工材料。高速范围对不同的材料有不同的范围，德国Darms tadt工业大学的生产工程与机床研究所(PTW)在20世纪80年代对钢、铸铁、镍基合金、钛合金、铝合金、铜合金和纤维增强塑料等材料分别进行高速切削试验，得到上述七种材料适合于高速切削的速度范围，参见图1。
超声振动切削是一种典型的断续切削方法，自被提出以来，逐渐发展成为一种先进的精密加工方法。传统超声振动切削(参见图2，振动方向平行于切削速度方向，也称纵向超声振动切削)具有降低切削力，降低切削温度，提高极限切削能力和加工质量等优势，但在其切削过程中，刀尖虽与切屑分离，但并未和已加工表面分离，切削刃会与已加工表面发生摩擦，易造成崩刃。20世纪90年代椭圆超声振动切削提出，刀具的周期性椭圆振动能够完全与工件分离，于此同时，切削力和加工误差相比较传统超声振动切削大幅度下降，刀具寿命提高数十倍。但传统超声振动切削与椭圆超声振动切削类似，存在一个速度极限v＝2πFA(其中F为刀具振动频率，A为振幅)，上述极佳的切削效果都是在极低的切削速度下(一般4～6m/min)下获得的，一旦切削速度接近或超过极限值，便会失去这些原有的优势，这极大地限制了超声振动切削的应用。
发明内容
(1)本发明的目的：
在振动切削领域，为了突破振动切削速度极限，且仍能获得切削力下降、切削温度下降、加工质量提高等效果，甚至超过普通切削速度限，达到超过普通切削的加工精度、加工效率等效果，本发明提出一种横向振动或有横向分量振动下的精密高速断续超声振动切削加工方法(参见图3)，在保持刀具消耗和加工质量不变的前提下，可以显著提高加工效率，该方法可应用于多种切削加工工艺，如车削，铣削，钻削，磨削等。
(2)技术方案：
本发明一种精密高速断续超声振动切削方法，其实施步骤如下：
步骤一、将超声波振动切削装置安装在相应的机床上，使切削刀具能够产生横向振动或有横向分量振动，不同的振动方式与不同的切削加工工艺的组合，能实现多种切削加工工艺的过程；
步骤二、设置切削参数和振动参数，使其满足断续切削条件，实现切削刀具和工件已加工表面轮廓的周期性分离，从而实现断续切削；
步骤三、开启超声波振动切削装置和机床，进行精密高速断续超声振动切削过程。
其中，在步骤一中所述的“超声波振动切削装置”，是指通过外接超声波发生器驱动换能器产生振动，换能器振幅经变幅杆放大后，最终驱动切削刀具2实现横向或含有横向分量的稳定超声频振动的装置。
其中，在步骤一中所述的“机床”，是指可进行各类切削加工工艺的车床，铣床，钻床，磨床和加工中心等。
其中，在步骤一中所述的“切削刀具”，是指可进行各类切削加工工艺的车刀，铣刀，磨头，钻头，铰刀和锪钻等。
其中，在步骤一中所述的“横向振动或有横向分量振动”，是指切削刀具(2)上的切削刃上一点，做与切削速度方向垂直的超声振动。
其中，在步骤一中所述的“多种切削加工工艺”，是指与车削方式结合，可有高速断续轴向超声振动车削、高速断续径向超声振动车削和高速断续椭圆超声振动车削三种方式；与铣削方式结合，可有高速断续双弯椭圆超声振动铣削和高速断续轴向超声振动插铣两种方式；与磨削方式结合，可有高速断续双弯椭圆超声振动磨削和高速断续轴向超声振动磨削两种方式；与钻削方式结合，可有高速断续双弯椭圆超声振动钻削和高速断续轴向超声振动钻削两种方式；与铰削方式结合，可有高速断续双弯椭圆超声振动铰削和高速断续轴向超声振动铰削两种方式；与锪孔方式结合，可有高速断续双弯椭圆超声振动锪孔和高速断续轴向超声振动锪孔两种方式。
其中，在步骤二中所述的“切削参数”，是指切深、进给量和切削速度三个参数。
其中，在步骤二中所述的“振动参数”，是指振幅和频率两个参数。
其中，在步骤二中所述的“断续切削条件”，是指参见图3A，满足以下公式：
在上述公式中，Δ为相邻两转刀具切削轨迹中心线的偏移量，其是一个和进给量、切深等切削参数相关的量，具体取值取决于切削加工工艺方式和振动方式，φ为相邻两转刀具切削轨迹的相位差，其是一个和刀具超声振动频率与工件或刀具的转速相关的量，取值取决于切削加工工艺方式和振动方式，A为刀具振幅。
其中，在步骤二中所述的“设置切削参数和振动参数”的原则和依据是：Δ是衡量相邻两转刀具轨迹横向的位置关系，φ是衡量相邻两转刀具轨迹纵向的位置关系，两者同时影响着切削过程中的断续分离效应；当Δ数值超过两倍振幅时，无论φ取何值，由于相邻两转刀具轨迹横向距离过大，切削过程不存在断续分离效应；当φ数值在以0为中心的合适邻域内取值时，由于相邻两转刀具轨迹在纵向上无交点，彼此不相交，则无论Δ数值取多少，切削过程都不存在断续分离效应。综上所述，切削过程发生断续分离效应最佳的取值组合为，较小的Δ辅以φ为180°相位差的取值。
其中，在步骤二中所述的“已加工表面轮廓”，是指参见图3A，其分为六段，弧线M1M2，弧线M2M3，弧线M3M4，弧线M4M5，弧线M5M6，弧线M6M7，其分别为第N-1转刀具运动轨迹，第N-2转刀具运动轨迹(图中未全画出，下同)，第N-3转刀具运动轨迹，第N-4转刀具运动轨迹，第N-5转运动轨迹和第N-6转运动轨迹的部分曲线组合而成。影响已加工表面轮廓的刀具运动轨迹数目由刀具振幅A和相邻两转刀具切削轨迹中心线的偏移量Δ所决定。当2A/Δ的数值为整数时，其数目即为2A/Δ，当其数值为小数时，其数目记为其整数部分加上1。由于刀具刀尖钝圆半径远远大于Δ，高速断续超声振动切削表面形貌参见图3B，在被刀具刀尖多次重复切削后，能够获得排布规律整齐的表面形貌，从而获得良好的表面质量。
其中，在步骤二中所述的“断续切削过程”，其具体过程如下：参见图3A，在横向振动或有横向分量振动方式中，切削刀具2的运动轨迹为图示第N转刀具运动轨迹的条件下，其与工件的已加工表面发生断续切削过程。a点为一个振动切削周期内，切削刀具2切入工件已加工表面的临界点，b点位于第N转刀具运动轨迹最低点。a点→b点为刀具的切入阶段，此时刀具与工件充分接触，切深逐渐加大，切削力增大，切削热量积累；c点位于切削刀具2切出工件已加工表面的临界点，b点→c点为刀具的切出阶段，此时刀具与工件接触面积逐渐减小，切削区逐渐与工件分离，切削力逐渐减小，切削热量积累减慢，直至c点，切削刀具2与工件已加工表面分离，切削区完全离开工件，切削力降为零，切削热量开始朝周围介质扩散；d点位刀具下一振动切削周期时，切削刀具2切入工件已加工表面的临界点，c点→d点的过程为空切阶段，此时切削刀具2完全离开工件，切削力降为零，当存在切削液等冷却介质时，切削刀具2切削区可充分与切削液等冷却介质接触，切削刀具2温度下降。a点→b点→c点→d点为横向振动或有横向分量振动切削方式在一个振动周期内的切削过程。在整个切削过程中，随着振动周期性地重复，该过程也周期性地出现。
通过以上步骤，能够在切削加工航空航天难加工材料等过程中，实现高速断续超声振动切削，极大的提高切削速度，使工件切削速度突破了传统超声振动切削和椭圆超声振动切削的速度极限，甚至超过普通切削速度限。同时还具有切削力和切削热下降、刀具寿命延长、加工成本降低、表面质量优化和加工质量提高等优势。
(3)优点：
本发明精密高速断续超声振动切削方法的优点在于：
①突破了传统超声振动切削和椭圆超声振动切削的切削速度极限。传统超声振动切削和椭圆超声振动切削所获得的优势均在极低的切削速度下获得。通过横向振动或有横向分量振动方式的应用，使刀具与工件产生周期性的分离，从而依旧可以获得振动切削的优势。
②突破了普通切削速度极限。普通切削过程中，刀具连续切削时间长，导致高速切削时热量积累严重，刀具磨损加快，所以普通切削速度多在其相应材料和相应加工工艺方式的低速切削区才能保证一定的刀具耐用度，其加工效率受到了极大地限制。通过精密高速断续超声振动加工方法中的横向振动或有横向分量振动方式的应用，使刀具与工件产生周期性的分离，避免了热量积累，在相同刀具耐用度或表面质量下，切削速度可以达到普通切削的2到3倍，进入相应材料和相应加工工艺的高速切削区，从而显著提高切削加工效率。
③精密高速断续超声振动切削方法可以降低切削力，参见图4，相比普通切削，其切深抗力最大可以降低50％。
④精密高速断续超声振动切削方法相比普通切削，可以有效降低切削温度，断续分离效应使得在有冷却液的切削条件下，切削刀具在空切阶段能够充分冷却和润滑，降温效果更佳明显。
⑤精密高速断续超声振动切削方法可以延缓刀具磨损，提高刀具寿命，参见图5，相比普通切削，在线速度200m/min，切深0.05mm，进给量0.005mm/r，常规乳化液冷却的条件下车削钛合金的实验中，精密高速断续超声振动切削方法可显著延缓刀具磨损速度，当磨钝标准定义为VB＝0.3和Ra＝0.4时，刀具寿命提高2倍。
⑥精密高速断续超声振动切削方法可提高切削路程，参见图6，以Ra＝0.4作为精密切削失效标准，在相同的切削路程条件下，相比普通切削，其切削速度(效率)可以提高一倍；在相同的切削速度条件下，相比普通切削，其刀具切削路程可提高2倍。
⑦本发明的精密高速断续超声振动切削方法，可以应用于多种切削加工工艺，例如车削，铣削，钻削和磨削等，以实现复杂零件，难加工材料的高速精密加工。
附图说明
图1高速切削的速度范围。
图2A传统超声振动切削示意图。
图2B椭圆超声振动切削示意图。
图3高速断续超声振动切削示意图。
图3A高速断续超声振动切削原理示意图。
图3B高速断续超声振动切削表面形貌图。
图4高速断续超声振动切削与普通切削切削力对比图。
图5高速断续超声振动切削与普通切削刀具磨损对比图。
图6高速断续超声振动切削与普通切削表面粗糙度Ra对比图。
图7高速断续超声振动车削示意图。
图8A高速断续双弯椭圆超声振动铣(磨)削示意图。
图8B高速断续轴向超声振动插铣示意图。
图8C高速断续轴向超声振动磨削示意图。
图9高速断续超声振动钻削示意图。
图10高速断续超声振动铰削示意图。
图11高速断续超声振动锪孔示意图。
图12本发明所述方法流程图。
图中序号说明如下：
1.切削工件 2.切削刀具 21.车刀
22.铣刀 23.磨头 24.钻头
25.铰刀 26.锪钻
具体实施方式
本发明提出的精密高速断续超声振动切削方法的原理参见图3，图3A，切削形貌见图3B，不同于图2A和图2B所示的传统超声振动切削和椭圆超声振动切削，其具有图4，图5，图6所示的多种优势，并能突破图1所示的普通切削速度限。本发明具体实施方式流程图参见图12.
(一)高速断续超声振动车削
车削是一种用刀具缩小圆形轮廓的外径或端面的切削工艺，其应用范围一般从半粗加工到精加工，所用刀具通常为车刀21，参见图7。
工件1夹持在车床主轴(未画出)，给出车削参数，机床主轴转速(或工件线速度)，切深和进给量，和车刀21振动参数，振动频率，振动方向，振动幅值。以上车削参数和振动参数需匹配，满足断续分离条件。当振动方向为①轴向超声振动时，其振动方向与切削速度方向垂直，并且平行于车刀21的进给方向，当振动方向为②径向超声振动时，其振动方向与切削速度方向垂直，并且指向工件1中心线，当振动方向为③椭圆超声振动时，其振动方向为轴向和径向振动的合成，其振动平面与切削速度方向垂直。开启振动装置并开启车床，即可完成高速断续超声振动车削。
在线速度200m/min，切深0.05mm，进给量0.005mm/r，常规乳化液冷却的条件下，车削钛合金的实验中，切削力下降幅度最大可达50％，切削温度下降，刀具寿命提高最高可达2倍，切削效率，已加工表面质量得到显著提高。
(二)高速断续超声振动铣/磨削
铣削是指使用旋转的多刃刀具切削工件外形的切削工艺，其应用范围一般从粗加工到精加工，所用刀具通常为铣刀22。
磨削是指采用固结的硬质磨料工具或游离的硬质磨料对工件进行切除，光整的加工方法，应用范围一般为精加工和超精加工，所用刀具通常为磨头23。
工件1固定在铣/磨床(未画出)上，给出铣/磨削参数，机床主轴转速(或刀具切削线速度)，切深和进给量，和铣刀22/磨头23振动参数，振动频率，振动方向，振动幅值。以上铣/磨削参数和振动参数需匹配，对于在铣刀22的每一齿切削过程中，磨头23的每一磨粒的切削过程中，满足断续分离条件。在使用铣刀22侧刃铣削工件侧面，磨头23侧面磨粒磨削工件侧面时，参见图8A，其振动方向为双弯椭圆振动，双弯椭圆振动存在一个与铣刀22的每一齿，磨头23的每一个磨粒切削速度方向垂直的振动分量。在使用磨头23端面磨粒磨削工件端面时，参见图8B，其振动方向为轴向振动，与磨头23的每一个磨粒切削速度方向垂直。在使用插铣刀22插铣圆角时，参见图8C，其振动方向为轴向振动，与插铣刀22的每一齿切削速度方向垂直。开启振动装置并开启铣/磨床，即可完成高速断续超声振动铣/磨削。
在线速度250m/min，径向切深0.1mm，轴向切深2mm，进给量0.005mm/r，常规乳化液冷却的条件下，铣削钛合金的实验中，切削力下降幅度最大可达60％，切削温度下降，刀具寿命提高最高可达2.5倍，切削效率和已加工表面质量得到显著提高。
(三)高速断续超声振动钻削/铰削/锪孔
钻削是指使用刀具进行孔加工的切削工艺，其应用范围一般从粗加工到精加工，所用刀具通常为钻头24，参见图9。
铰削是利用铰刀从已加工的孔壁切除薄层金属，以获得精确的孔径和几何形状以及较低的表面粗糙度的切削加工，其应用范围一般为精加工，所用刀具通常为铰刀25，参见图10。
锪孔是指在已加工的孔上加工圆柱形沉头孔、锥形沉头孔和凸台端面等的切削加工，其应用范围一般为精加工，所用刀具通常为锪钻26，参见图11。
工件1固定在钻床(未画出)上，给出钻削参数，机床主轴转速(或刀具切削线速度)，进给量，和钻头24(参见图9)/铰刀25(参见图10)/锪钻26(参见图11)振动参数，振动频率，振动方向，振动幅值。以上钻削/铰削/锪孔参数和振动参数需匹配，满足断续分离条件。当振动方向为①轴向超声振动时，其振动方向与切削速度方向垂直，并且平行于钻头24/铰刀25/锪钻26的进给方向，当振动方向为②双弯椭圆超声振动时，其双弯椭圆振动存在一个与钻头24/铰刀25/锪钻26切削刃切削速度方向垂直的振动分量。开启振动装置并开启钻床，即可完成高速断续超声振动钻削/铰削/锪孔。
本发明提出的一种精密高速断续超声振动切削方法，是利用将刀具的横向超声振动或有横向分量的超声振动，应用于各种切削加工方式，如车削、铣削、钻削和磨削等，实现对加工工件的精密高速断续超声振动切削加工。该加工方法通过横向振动或有横向分量振动方式，辅以断续切削条件，能够极大提高切削速度，使工件切削速度突破了传统超声振动切削和椭圆超声振动切削的速度极限，甚至超过普通切削速度限。同时还具有切削力和切削热下降，刀具寿命延长、加工成本降低，表面质量优化和加工质量提高等优势。该方法的断续条件，即切削参数与振动参数需满足：
切削刀具2和切削工件1的周期性分离效应，使得切削力大幅度下降(最大可达50％左右)，使得切削液等冷却介质和刀具切削区充分接触冷却，切削温度显著下降，使得刀具的磨损减缓，刀具寿命提高(可达两倍左右)，使得切削加工效率和已加工表面质量提升明显等。

Claims (8)

1.一种精密高速断续超声振动切削方法，其特征在于：其实施步骤如下：
步骤一、将超声波振动切削装置安装在相应的机床上，使切削刀具能够产生横向振动或有横向分量振动，不同的振动方式与不同的切削加工工艺的组合，能实现多种切削加工工艺的过程；
步骤二、设置切削参数和振动参数，使其满足断续切削条件，实现切削刀具和工件已加工表面轮廓的周期性分离，从而实现断续切削；
步骤三、开启超声波振动切削装置和机床，进行精密高速断续超声振动切削过程；
其中，在步骤二中所述的断续切削条件，是指满足以下公式：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>&amp;Delta;</mi> <mo>&amp;le;</mo> <mn>2</mn> <mi>A</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>2</mn> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mi>c</mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mo>(</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mi>A</mi> <mo>)</mo> <mo>&amp;le;</mo> <mi>&amp;Phi;</mi> <mo>&amp;le;</mo> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mi>c</mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mo>(</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mi>A</mi> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
在上述公式中，Δ为相邻两转刀具切削轨迹中心线的偏移量，其是一个和进给量、切深各切削参数相关的量，具体取值取决于切削加工工艺方式和振动方式，φ为相邻两转刀具切削轨迹的相位差，其是一个和刀具超声振动频率与工件或刀具的转速相关的量，取值取决于切削加工工艺方式和振动方式，A为刀具振幅。
2.根据权利要求1所述的一种精密高速断续超声振动切削方法，其特征在于：在步骤一中所述的超声波振动切削装置，是指通过外接超声波发生器驱动换能器产生振动，换能器振幅经变幅杆放大后，最终驱动切削刀具(2)实现横向或含有横向分量的稳定超声频振动的装置。
3.根据权利要求1所述的一种精密高速断续超声振动切削方法，其特征在于：在步骤一中所述的机床，是指能进行各类切削加工工艺的车床、铣床、钻床、磨床和加工中心中的一种；所述的切削刀具，是指能进行各类切削加工工艺的车刀、铣刀、磨头、钻头、铰刀和锪钻中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种精密高速断续超声振动切削方法，其特征在于：在步骤一中所述的横向振动或有横向分量振动，是指切削刀具(2)上的切削刃上一点，做与切削速度方向垂直的超声振动。
5.根据权利要求1所述的一种精密高速断续超声振动切削方法，其特征在于：在步骤二中所述的切削参数，是指切深、进给量和切削速度三个参数；所述的振动参数，是指振幅和频率两个参数。
6.根据权利要求1所述的一种精密高速断续超声振动切削方法，其特征在于：在步骤二中所述的设置切削参数和振动参数的原则和依据是：Δ是衡量相邻两转刀具轨迹横向的位置关系，φ是衡量相邻两转刀具轨迹纵向的位置关系，两者同时影响着切削过程中的断续分离效应；当Δ数值超过两倍振幅时，无论φ取何值，由于相邻两转刀具轨迹横向距离过大，切削过程不存在断续分离效应；当φ数值在以0为中心的预定邻域内取值时，由于相邻两转刀具轨迹在纵向上无交点，彼此不相交，则无论Δ数值取多少，切削过程都不存在断续分离效应；综上所述，切削过程发生断续分离效应最佳的取值组合为，较小的Δ辅以φ为180°相位差的取值。
7.根据权利要求1所述的一种精密高速断续超声振动切削方法，其特征在于：在步骤二中所述的已加工表面轮廓，是指其分为六段，弧线M1M2，弧线M2M3，弧线M3M4，弧线M4M5，弧线M5M6，弧线M6M7，其分别为第N-1转刀具运动轨迹，第N-2转刀具运动轨迹，第N-3转刀具运动轨迹，第N-4转刀具运动轨迹，第N-5转刀具运动轨迹和第N-6转刀具运动轨迹的部分曲线组合而成；影响已加工表面轮廓的刀具运动轨迹数目由刀具振幅A和相邻两转刀具切削轨迹中心线的偏移量Δ所决定；当2A/Δ的数值为整数时，其数目即为2A/Δ，当其数值为小数时，其数目记为其整数部分加上1；由于刀具刀尖钝圆半径远远大于Δ，在被刀具刀尖多次重复切削后，能够获得排布规律整齐的表面形貌，从而获得良好的表面质量。
8.根据权利要求1所述的一种精密高速断续超声振动切削方法，其特征在于：在步骤二中所述的断续切削，其具体过程如下：在横向振动或有横向分量振动方式中，切削刀具(2)的运动轨迹为第N转刀具运动轨迹的条件下，其与工件的已加工表面发生断续切削过程；a点为一个振动切削周期内，切削刀具(2)切入工件已加工表面的临界点，b点位于第N转刀具运动轨迹最低点；a点→b点为刀具的切入阶段，此时刀具与工件充分接触，切深逐渐加大，切削力增大，切削热量积累；c点位于切削刀具(2)切出工件已加工表面的临界点，b点→c点为刀具的切出阶段，此时刀具与工件接触面积逐渐减小，切削区逐渐与工件分离，切削力逐渐减小，切削热量积累减慢，直至c点，切削刀具(2)与工件已加工表面分离，切削区完全离开工件，切削力降为零，切削热量开始朝周围介质扩散；d点为刀具下一振动切削周期时，切削刀具(2)切入工件已加工表面的临界点，c点→d点的过程为空切阶段，此时切削刀具(2)完全离开工件，切削力降为零，当存在切削液冷却介质时，切削刀具(2)切削区能充分与切削液冷却介质接触，切削刀具(2)温度下降；a点→b点→c点→d点为横向振动或有横向分量振动切削方式在一个振动周期内的切削过程；在整个切削过程中，随着振动周期性地重复，该过程也周期性地出现。
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