CN101912979A

CN101912979A - 轴类零件的超声波振动车削系统及其车削方法

Info

Publication number: CN101912979A
Application number: CN 201010264094
Authority: CN
Inventors: 邵华; 段忠福; 李志�
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2010-12-15

Abstract

一种金属加工技术领域的轴类零件的超声波振动车削系统及其车削方法，包括：超声波发生器、换能器、调幅器、刀杆、刀片及超声振动刀具专用夹持装置，其中：超声波发生器与换能器的一端相连将超声频电振荡信号转换为机械物理振动，换能器的另一端与调幅器的一端相连将机械物理振动放大，调幅器的另一端与刀杆相连，刀杆与刀片相连，刀杆固定于刀具专用夹持装置，刀具专用加持装置安装在车床的刀架上。本发明具有结构简单、操作便捷、加工精度高，易于在普通车床上实现安装、成本低等特点。

Description

轴类零件的超声波振动车削系统及其车削方法

技术领域

本发明涉及的是一种金属加工技术领域的装置及方法，具体是一种轴类零件的超声波振动车削系统及其车削方法。

背景技术

细长轴类零件在生产生活中广泛应用于机械、纺织、电力、船舶、航空航天领域。该类零件刚性差，加工热变形大，普通车削时会造成工件产生锥度、跳动、椭圆、竹节形、腰鼓肚等形位缺陷。如何控制其加工误差并提高加工精度已成为实际加工过程中的难题。

超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程完成的。按超声波辐射大小不同，超声技术的使用可分为两大方面：一是利用它的能量来改变材料的某些状态，称为功率超声；第二类是利用它来采集信息，称为检测超声。功率超声是超声学中一个重要的研究方向，随着科学技术的发展，其应用遍及航空、航海、国防、生物工程以及电子等领域。

功率超声技术在振动切削方面的应用十分广泛，超声振动切削除能对普通材料进行加工外，还能对高硬、软、薄、脆等性能材料进行加工。超声辅助振动切削是超声加工技术的重要组成部分，有着比普通切削优异的加工性能，它是通过在常规的切削刀具上施加高频振动，使刀具和工件发生间断性的接触，从而使传统切削模式发生了根本性的变化。它解决了传统切削加工中的某些固有难题，如切削中的振动和切削热变形等，从而得到了良好的切削效果

细长轴超声波振动车削是通过在车刀上施加某种有规律的、可控的振动，使车削速度、车削深度发生周期性改变，从而获得特殊车削效果的方法。振动车削改变了刀具和被加工材料之间的空间——时间存在条件，从而改变了车削机理，达到减小车削力、车削热，提高加工质量和效率的目的。振动车削按所加频率不同可分为高频振动和低频振动，低频振动仅仅从量上改变切屑的形成条件，主要用来解决断屑以及与此相关的一系列问题。而超声振动即高频振动车削已经使切屑形成机理产生重大变化，可以提高被加工材料的可加工性，提高刀具寿命和工件加工质量。超声加工的工艺效果来自刀具和工件之间的分离运动，即它是一种脉冲式的断续切削过程。

由于刀具的脉冲切削作用，减少了切削变形区的摩擦和塑性变形，使切削力和切削温度大大减小，起到了改善零件加工表面质量与加工精度，延长刀具寿命，提高切削效率的作用，并扩大了切削加工的应用范围，可广泛用于车、铣、刨、磨、螺纹加工及齿轮加工等方面。

经过对现有技术的检索发现，“跟刀架车削法”、“反向车削法”等加工方法是我国解决细长轴车削的传统加工模式。但其对毛坯质量要求较高，对工人技术水平要求较高，不能满足高精度零件的要求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种轴类零件的超声波振动车削系统及其车削方法，具有结构简单、操作便捷、加工精度高，易于在普通车床上实现安装、成本低等特点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种轴类零件的超声波振动车削系统，包括：超声波发生器、换能器、调幅器、刀杆、刀片及超声振动刀具专用夹持装置，其中：超声波发生器与换能器的一端相连将超声频电振荡信号转换为机械物理振动，换能器的另一端与调幅器的一端相连将机械物理振动放大，调幅器的另一端与刀杆相连，刀杆与刀片相连，刀杆固定于刀具专用夹持装置，刀具专用加持装置安装在车床的刀架上。

所述的超声振动刀具专用夹持装置包括：夹具件、夹具件压板和节点垫片；其中：夹具件固定于车床的刀架上，节点垫片固定设置于夹具件的凹槽内，夹具件压板与夹具件固定连接。

本发明涉及上述装置的车削方法，通过生成超声频电振荡信号经过调幅器进行放大匹配后得到高频电振荡信号，通过压电换能器后转换为机械振动，然后通过调幅器将机械振动放大，该放大的机械振动加载至刀杆后，通过刀杆将机械振动传递至刀片，最终产生振幅为13μm的超声频振动，从而完成细长轴的超声波振动车削。

所述的超声频电振荡信号为正弦信号或脉冲信号，其频率为20kHz；

细长轴的超声波振动车削定位与普通车削定位相同，利用工件旋转、车刀轴向进给、车刀径向进给、车刀切向进给的合成运动来实现对工件的车削。该系统采用两种布置方式，即横向布置及纵向布置。沿车刀方向施加频率f＝20kHz、振幅a＝13μm的超声频振动，从而完成细长轴的超声波振动车削。

与现有技术相比，本发明具有以下改进：

1、细长轴的超声波振动车削是间断车削，因此加工工件能够得到较短的切屑，易于自动除屑；

2、细长轴表面无撕裂与拉沟现象，表面粗糙度降低，圆度及柱度误差趋近于零，加工质量明显提高；

3、间断车削使刀具具有充足的冷却时间，车削温度大幅度降低，提高了刀具寿命；

4、车削力和消耗功率减小，设备成本低，生产效率提高。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为细长轴的切向超声波振动车削系统示意图。

图3为超声刀具专用夹持装置示意图。

图4为细长轴的超声波振动车削调幅器结构示意图。

图5为细长轴的超声波振动车削车刀结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：轴类工件1、刀片2、刀杆3、刀具专用夹持装置4、调幅器5，换能器6，超声波发生器7，其中：超声波发生器7与换能器6的一端相连将超声频电振荡信号转换为机械物理振动，换能器6的另一端与调幅器5的一端相连将机械物理振动放大，调幅器5的另一端与刀杆3相连，刀杆3与刀片2相连，刀杆3固定于刀具专用夹持装置4，刀具专用加持装置4安装在车床的刀架上。

所述的超声振动刀具专用夹持装置4包括：夹具件8、夹具件压板9和节点垫片10；其中：夹具件8固定于车床的刀架上，节点垫片10固定设置于夹具件8的凹槽内，夹具件压板9与夹具件8固定连接。

本装置采用采用切向布置方式，通过生成超声频电振荡信号经过调幅器进行放大匹配后得到高频电振荡信号，通过压电换能器6后转换为机械振动，然后通过调幅器5将机械振动放大，该放大的机械振动加载至刀杆3后，通过刀杆将机械振动传递至刀片2，最终产生振幅为13μm的超声频振动，从而完成细长轴的超声波振动车削。

所述的超声频电振荡信号为正弦信号或脉冲信号；

细长轴的超声波振动车削定位与普通车削定位相同，在被加工工件1的后端面上预留中心孔，中心孔由车床尾座顶尖顶紧，前端由车床卡盘卡紧，利用工件旋转、车刀轴向进给、车刀径向进给、车刀切向进给的合成运动来实现对工件的车削。

利用超声波振动在J-MAZAK530车床上加工细长轴的工艺过程如下：

1、试件材料为45号钢，试件直径Φ40.3mm，长度L500mm。刀片为CERAPIP公司生产刀片，型号为NS530。粗糙度测量仪为时代公司TR100型号测量仪。采用切向振动车削方式。

2、将细长轴用车床主轴孔内的顶尖和车床尾座的顶尖顶紧，经过找正后固定夹紧在车床卡盘上。

3、安装刀架和车刀。车刀刀尖处要略低于工件中心线，以防止车刀上下振动时刀尖碰到工件引起破损。车刀安装时注意观察节点，要保证车刀前后面不与刀架接触。保证车刀垂直安装，否则车刀会因受力不均而损坏。

4、安装超声振动设备。将超声波发生器、超声波换能器、调幅器、刀杆依次相连。连接超声波发生器和换能器的信号线前要关闭电源，以免发生意外。接通电源后，启动超声波振动系统，判断车刀是否共振，各连接处有无发热现象。判断超声振动系统位移接点处的连接元件和刀架有无振动。检查工艺系统的刚度是否符合要求。

5、确认超声波发生器运行平稳后，开始超声波振动车削加工。加工时，先进行普通车削，然后开启超声波发生器电源，在各参数不变的情况下进行超声车削。

由图可见，超声波振动车削细长轴效果比普通车削细长轴效果有明显改善，说明该超声波振动车削系统是车削细长轴的可行性系统。

本实施例超声波振动车削得到的粗糙度明显降低，细长轴表面质量明显提高；车削温度明显降低，切削力减小，提高刀具寿命；车床消耗功率降低，降低生产成本。

Claims

1.一种轴类零件的超声波振动车削系统，包括：超声波发生器、换能器、调幅器、刀杆、刀片及超声振动刀具专用夹持装置，其特征在于：超声波发生器与换能器的一端相连将超声频电振荡信号转换为机械物理振动，换能器的另一端与调幅器的一端相连将机械物理振动放大，调幅器的另一端与刀杆相连，刀杆与刀片相连，刀杆固定于刀具专用夹持装置，刀具专用加持装置安装在车床的刀架上。

2.根据权利要求1所述的轴类零件的超声波振动车削系统，其特征是，所述的超声振动刀具专用夹持装置包括：夹具件、夹具件压板和节点垫片；其中：夹具件固定于车床的刀架上，节点垫片固定设置于夹具件的凹槽内，夹具件压板与夹具件固定连接。

3.根据权利要求1所述的轴类零件的超声波振动车削系统的车削方法，其特征在于，通过生成超声频电振荡信号经过调幅器进行放大匹配后得到高频电振荡信号，通过压电换能器后转换为机械振动，然后通过调幅器将机械振动放大，该放大的机械振动加载至刀杆后，通过刀杆将机械振动传递至刀片，最终产生振幅为13μm的超声频振动，从而完成细长轴的超声波振动车削。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述的超声频电振荡信号为正弦信号或脉冲信号。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征是，所述的超声频电振荡信号的频率为20kHz。