CN101966596A - 一种大长径比变截面细长轴超声椭圆振动车削加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大长径比变截面细长轴超声椭圆振动车削加工方法，是利用超声椭圆振动切削技术对大长径比变截面细长轴进行车削加工的一种新型机械加工方法。该加工方法通过采用椭圆振动车削装置，辅之以分段装夹的工艺技术手段省去了传统加工中车削-时效处理-磨削中的车削后续工序，缩短了加工时间、极大地提高了加工效率，而且加工后长径比为55的细长轴精度能够达到相对于中心孔圆跳动小于0.013mm，尺寸精度小于±0.005mm的标准。采用本发明加工方法加工的细长轴更能满足航空发动机中对使用的高精细长变截面轴的要求。

Description

一种大长径比变截面细长轴超声椭圆振动车削加工方法

技术领域

本发明涉及一种基于超声椭圆振动切削技术进行加工的方法，更特别地说，是指一种运用超声椭圆振动技术对大长径比变截面细长轴进行高效、高质量加工的方法。

背景技术

在机械制造领域中，由于大长径比(长径比大于20)细长轴的刚性弱，加工时受装夹力、切削力、切削热、机床振动等影响明显，加工过程中易出现让刀过大、颤振等现象，所以一直是加工中的难题之一，目前对于细长轴的加工多采用中心架支撑，跟刀架支撑的方式进行，加工精度很低，加工长径比有限，还不能实现大长径比变截面细长轴的高精度加工。

椭圆振动切削技术由于特殊的加工机理，使得其具有大幅度降低切削抗力(约为普通切削抗力的2％左右)，降低切削温度，提高极限切削能力，振动不灵敏特性，加工表面质量优异等一系列显著的特点，显而易见是加工大长径比高精度细长轴的一种有效手段。

发明内容

为了提高大长径比变截面细长轴零件的加工质量和加工效率，本发明的目的是提出一种适用于加工大长径比变截面细长轴的加工方法，该加工方法仅用车削方式实现整个细长轴零件的加工，改变了传统对细长轴零件加工需要进行车削→时效→磨削处理的步骤。本发明的加工方法有效地缩短了加工时间，提高了细长轴零件的加工质量。本发明加工方法尤其能够实现对长径比大于55、高精度(尺寸精度±0.005mm，圆跳动0.013mm)的变截面细长轴进行加工。

本发明是一种大长径比变截面细长轴超声椭圆振动车削加工方法，该加工方法是通过在现有车床上安装超声椭圆振动装置(30)，并由超声椭圆振动装置(30)产生的刀尖沿椭圆轨迹振动，结合车床控制端设计的大长径比变截面细长轴的几何特征，利用装夹和定位工艺实现；具体加工方式为：

轴颈及轴肩的车削条件：线速度8～12米/分，进给量0.08～0.1毫米/转，切削深度0.05～0.1毫米，振动频率20KHz，电压50伏，电流1安培，水平方向振幅2微米，竖直方向振幅2微米；

轴颈及轴肩的车削过程：装夹已加工到所需余量的工件，夹紧要求距离卡盘位置10mm的跳动不大于0.002mm，右端面处的圆跳动不大于0.003mm，中心架支撑在距离第一节轴颈左端面约10mm处，夹紧中心架，顶紧尾顶尖；顶紧后要求工件右端圆跳动不大于0.004mm；开始按照预先生成的刀具轨迹指令进行分步普通精车，当车到加工余量剩余0.2mm后，程序自动中断；开启超声椭圆振动装置使得此后的切削过程中刀具处于椭圆振动状态，继续执行预先中断的程序，此时，开始进行椭圆振动切削，直至加工到零件的规定尺寸；

改变支撑方式，然后对每一段轴颈及轴肩进行车削加工；

车削加工完成后，以中心孔磨床顶尖顶紧工件左端中心孔，以中心孔磨床V型铁定位靠近右端中心孔的外圆表面，在中心孔磨床上修磨右端中心孔；以中心孔磨床顶尖顶紧工件右端已修磨好的中心孔，以中心孔磨床V型铁定位靠近左端中心孔的外圆表面，在中心孔磨床上修磨左端中心孔；修磨完成后着色检验，中心孔着色面积不小于95％且沿圆周不间断。

所述的一种大长径比变截面细长轴超声椭圆振动车削加工方法，其是在数控车床上安装了与之相匹配的超声振动切削装置。

本发明对细长轴零件的加工方法具有如下优点：

①通过调整车床中心架在细长轴上的位置，改善了细长轴的支撑状况，保证了超声椭圆振动加工工件的精度。

②在加工过程中，采用小振幅(2微米)、小切深(0.05～0.1毫米)、超声频振动(20千赫兹)进行变截面加工，降低了工件的表面粗糙度，提高了工件的尺寸精度。

③整个加工过程中仅采用了车削，从而实现了大长径比高精度细长轴的直接车削加工、省去后续相应的应力释放，磨削加工等工序，可提高一倍的加工效率。

④本发明的加工方法，首次在数控车床上安装了与之相匹配的超声振动切削装置，提升了数控车床的加工能力，使得难加工细长轴工件的加工成本得以降低。

附图说明

图1是本发明对工件的加工过程的示意图。

图2是本发明应用的超声椭圆振动装置的外部结构图。

图2A是本发明应用的超声椭圆振动装置的分解图。

图3是采用三维软件绘制的工件模型示意图。

图3A和图3B是采用三维软件绘制得到的工件的尺寸示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明是在数控车床中安装上与之相匹配的超声椭圆振动切削装置30，然后通过计算机以及安装在该计算机中的三维绘图软件和车床控制软件，对需要加工的零件(或称工件)进行变截面控制加工。

本发明是一种基于超声椭圆振动对大长径比变截面细长轴零件进行高效、高质量加工的方法，该加工方法包括有加工前准备和零件加工的步骤：

(一)加工前准备

步骤1-1：数字化零件构形，采用三维绘图软件(如CATIA/Autocad/Proe等)进行所需加工零件(大长径比变截面细长轴)的三维构形；构形的图如图3所示。

参见图3A、图3B所示，在本发明中，根据所需加工零件尺寸(工件总长度L、轴肩长度l_轴肩、轴颈长度l_轴颈、第一直径D1、第二直径D2、第三直径D3，D1、D2和D3的直径可以不同，从而实现变截面加工)采用1∶1的比例尺寸在三维绘图软件中进行零件构形，并将该尺寸信息输入给数控车床的转台驱动机构；这样就使得安装在超声椭圆振动切削装置上的刀具按此轨迹进行工件车削；轴颈与轴肩通过半径为R的圆弧进行连接，即R也称为曲率半径；

步骤1-2：调整数控机床，要求数控机床调整后主轴回转精度在0.02毫米内，尾顶尖40回转中心线与数控机床主轴回转中心同轴度在0.02毫米内，尾顶尖40压力在0.5Bar(巴)。

步骤1-3：将超声椭圆振动切削装置装夹在调整好的数控机床上，调整刀具4于数控机床中心高相平。

步骤1-4：调节刀具4加工时的振动参数为：振动频率为20千赫兹，刀尖水平振幅为2μm，刀尖竖直振幅为2μm。

本发明的加工方法，首次在数控车床上安装了与之相匹配的超声振动切削装置，提升了数控车床的加工能力，使得难加工细长轴工件的加工成本得以降低。整个加工过程中仅采用了车削，从而实现了大长径比高精度细长轴的直接车削加工、省去后续相应的应力释放，磨削加工等工序，可提高一倍的加工效率。

步骤1-5：毛坯件在加工前应进行粗车去皮，精车直轴找正，为防止在粗车过程中工件产生过大的残余应力，粗车吃刀量控制在0.3mm内，粗车后要求工件对于中心孔的圆跳动不大于0.05mm。

(二)零件加工

步骤2-1：车削第一节轴颈及轴肩

第一节轴颈及轴肩的车削条件：线速度8～12米/分，进给量0.08～0.1毫米/转，切削深度0.05～0.1毫米，振动频率20千赫兹，电压50伏，电流1安培，水平方向振幅2微米，竖直方向振幅2微米；

第一节轴颈及轴肩的车削过程：装夹已加工到所需余量的工件，夹紧要求距离卡盘10位置10mm的跳动不大于0.002mm，右端面处的圆跳动不大于0.003mm，中心架20支撑在距离第一节轴颈左端面约10mm处，夹紧中心架20，顶紧尾顶尖40。顶紧后要求工件右端圆跳动不大于0.004mm。开始按照预先生成的刀具轨迹指令进行分步普通精车(振动装置未开启，刀具30不作振动)，当车到加工余量剩余0.2mm(程序预设中断节点)后，程序自动中断，由于再加工时工件部位的直径已经很小，如继续用普通切削则其产生的大残余应力，高温，大切削力将使得工件变形严重，残余应力的释放也会导致工件加工完成后经过一段时间产生变形，从而达不到工件所要求的尺寸精度。此时就需要使用椭圆振动车削开启预先调试好的振动车削装置，在水平和竖直方向上给刀具各施加一个超声频率的小振幅振动(2μm)，通过调节水平、竖直方向振动驱动源的相位，使刀具的两向振动复合成为一个持续沿着椭圆轨迹(此处为正圆)的振动，使得此后的切削过程中刀具处于椭圆振动状态，继续执行预先中断的程序，此时，开始进行椭圆振动切削，直至加工到零件的规定尺寸。

步骤2-2：车削第二节轴颈及轴肩

第二节轴颈及轴肩的车削条件：线速度8～12米/分，进给量0.08～0.1毫米/转，切削深度0.05～0.1毫米，振动频率20KHz，电压50伏，电流1安培，水平方向振幅2微米，竖直方向振幅2微米；

第二节轴颈及轴肩的车削过程：改变工件的支撑位置和顶紧方式，使工件处在最优的装卡状态下，根据分析和试验，中心架20支撑在第一节已加工轴颈靠近第二节右端面约10mm处，夹紧中心架20，松开尾顶尖40不再使用时工件的装夹最为合理。要求夹紧后要求工件圆跳动不大于0.004mm。开始按照预先生成的第二节轴颈轴肩的刀具轨迹指令进行分步普通精车，当车到加工余量剩余0.2mm(程序预设中断节点)后，开启振动车削装置，使得刀具处于椭圆振动状态，继续执行预先中断的程序，进行椭圆振动切削直至加工到零件的规定尺寸。

步骤2-3：车削第三节轴颈及轴肩

改变工件的支撑位置和顶紧方式，中心架支撑在第二节已加工轴颈靠近第三节轴肩右端面约10mm处，夹紧中心架，尾顶尖不再使用。要求夹紧后要求工件圆跳动不大于0.004mm。开始按照预先生成的第三节轴颈轴肩的刀具轨迹指令进行分步普通精车，当车到加工余量剩余0.2mm(程序预设中断节点)后，开启振动车削装置，使得刀具处于椭圆振动状态，继续执行预先中断的程序，进行椭圆振动切削直至加工到零件的规定尺寸。

步骤2-4：车削第四节轴颈及轴肩采用步骤2-2，2-3的方法进行第四节的细长轴颈及轴肩加工，直至整个工件加工完成。

步骤2-5：修磨右端中心孔

以中心孔磨床顶尖50顶紧工件左端中心孔，以中心孔磨床V型铁60定位靠近右端中心孔的外圆表面，在中心孔磨床上修磨右端中心孔。修磨完成后着色检验，中心孔着色面积不小于95％且沿圆周不间断。

步骤2-6：修磨左端中心孔

以中心孔磨床顶尖50顶紧工件右端已修磨好的中心孔，以中心孔磨床V型铁60定位靠近左端中心孔的外圆表面，在中心孔磨床上修磨左端中心孔。修磨完成后着色检验，中心孔着色面积不小于95％且沿圆周不间断。

加工完成后对工件两端的中心孔进行以已加工外圆表面为基准的修磨，使加工过程中相对于中心孔的绝对误差整体差值消除，只剩余加工过程中产生的各部圆柱表面的相对误差，而此时的相对误差将会作为加工件相对于修整后中心孔的误差而分布，由于消除了工件外圆表面相对中心孔绝对误差的整体差值影响，将会提高工件的加工精度。

采用本发明的加工方法在加工过程中应重点注意以下方面：

1每刀吃刀深度不大于0.1mm，防止由于切深过大产生应力集中而导致工件变形；

2实时监控刀具4的磨损状态，一旦发现刀具磨损状态出现，即更换刀具；

3超声椭圆振动装置30的振动状态应为沿工件正向方向为逆时针椭圆振动；

4中心架20、尾顶尖40部位应保证充分的润滑油润滑，且不能有切屑等杂物干扰；

5切削过程中，间断放松中心架20，尾顶尖40释放应力，保证工件内不存在长时间的残余应力。

参见图2、图2A所示，在本发明中，超声椭圆振动切削装置30包括有刀座1、超声振动单元2、刀座前盖3、刀具4和刀座后盖5；超声振动单元2安装在刀座1内，且超声振动单元2中的前端盖202上的变幅杆伸出刀座前盖3；刀座前盖3安装在刀座1的前端，刀座后盖5安装在刀座1的后端；刀具4(刀具4可以是金刚石)安装在超声振动单元2中的前端盖202的刀槽中。

超声振动单元2包括有压紧螺钉201、前端盖202、A激励源203、中端盖204、B源205和后端盖206。

前端盖202为一体加工成型的阶梯轴结构，前端盖202的一端设有用于安装刀具4的刀槽，前端盖202的另一端为平板面，且平板面的中心设有螺纹孔。

A激励源203用于产生加工时的弯曲振动。

B激励源205用于产生加工时的纵向方向的驱动力。

压紧螺钉201的螺纹段端顺次穿过后端盖206、B激励源205、中端盖204、A激励源203后，螺纹连接在前端盖202的另一端的螺纹孔内，从而实现将后端盖206、B激励源205、中端盖204、A激励源203以及前端盖202的紧固在一起。

在本发明中，超声振动单元2中的B激励源205形成纵向方向的驱动力，A激励源203形成弯曲方向的驱动力，应用互相垂直的两个高频振动之间的相位差，在刀具4的刀尖处合成一个椭圆振动，有效地降低加工表面粗超度。

本发明公开了一种大长径比变截面细长轴超声椭圆振动车削加工方法，是利用超声椭圆振动切削技术对大长径比变截面细长轴进行车削加工的一种新型机械加工方法。该加工方法通过采用椭圆振动车削装置，辅之以分段装夹的工艺技术手段省去了传统加工中车削-时效处理-磨削中的车削后续工序，缩短了加工时间、极大地提高了加工效率，而且加工后长径比为55的细长轴精度能够达到相对于中心孔圆跳动小于0.013mm，尺寸精度小于±0.005mm的标准。采用本发明加工方法加工的细长轴更能满足航空发动机中对使用的高精细长变截面轴的要求。

Claims (4)

1.一种大长径比变截面细长轴超声椭圆振动车削加工方法，其特征在于：该加工方法是通过在现有车床上安装超声椭圆振动装置(30)，并由超声椭圆振动装置(30)产生的刀尖沿椭圆轨迹振动，结合车床控制端设计的大长径比变截面细长轴的几何特征，利用装夹和定位工艺实现；具体加工方式为：

轴颈及轴肩的车削条件：线速度8～12米/分，进给量0.08～0.1毫米/转，切削深度0.05～0.1毫米，振动频率20KHz，电压50伏，电流1安培，水平方向振幅2微米，竖直方向振幅2微米；

轴颈及轴肩的车削过程：装夹已加工到所需余量的工件，夹紧要求距离卡盘位置10mm的跳动不大于0.002mm，右端面处的圆跳动不大于0.003mm，中心架支撑在距离第一节轴颈左端面约10mm处，夹紧中心架，顶紧尾顶尖；顶紧后要求工件右端圆跳动不大于0.004mm；开始按照预先生成的刀具轨迹指令进行分步普通精车，当车到加工余量剩余0.2mm后，程序自动中断；开启超声椭圆振动装置使得此后的切削过程中刀具处于椭圆振动状态，继续执行预先中断的程序，此时，开始进行椭圆振动切削，直至加工到零件的规定尺寸；

改变支撑方式，然后对每一段轴颈及轴肩进行车削加工；

车削加工完成后，以中心孔磨床顶尖顶紧工件左端中心孔，以中心孔磨床V型铁定位靠近右端中心孔的外圆表面，在中心孔磨床上修磨右端中心孔；以中心孔磨床顶尖顶紧工件右端已修磨好的中心孔，以中心孔磨床V型铁定位靠近左端中心孔的外圆表面，在中心孔磨床上修磨左端中心孔；修磨完成后着色检验，中心孔着色面积不小于95％且沿圆周不间断。

2.根据权利要求1所述的一种大长径比变截面细长轴超声椭圆振动车削加工方法，其特征在于：超声椭圆振动切削装置(30)包括有刀座(1)、超声振动单元(2)、刀座前盖(3)、刀具(4)和刀座后盖(5)；超声振动单元(2)安装在刀座(1)内，且超声振动单元(2)中的前端盖(202)上的变幅杆伸出刀座前盖(3)；刀座前盖(3)安装在刀座(1)的前端，刀座后盖(5)安装在刀座(1)的后端；刀具(4)安装在超声振动单元(2)中的前端盖(202)的刀槽中；

超声振动单元(2)包括有压紧螺钉(201)、前端盖(202)、A激励源(203)、中端盖(204)、B源(205)和后端盖(206)；

前端盖(202)为一体加工成型的阶梯轴结构，前端盖(202)的一端设有用于安装刀具(4)的刀槽，前端盖(202)的另一端为平板面，且平板面的中心设有螺纹孔；

A激励源(203)用于产生加工时的弯曲振动；

B激励源(205)用于产生加工时的纵向方向的驱动力；

压紧螺钉(201)的螺纹段端顺次穿过后端盖(206)、B激励源(205)、中端盖(204)、A激励源(203)后，螺纹连接在前端盖(202)的另一端的螺纹孔内，从而实现将后端盖(206)、B激励源(205)、中端盖(204)、A激励源(203)以及前端盖(202)的紧固在一起。

3.根据权利要求2所述的一种大长径比变截面细长轴超声椭圆振动车削加工方法，其特征在于：超声振动单元(2)中的B激励源(205)形成纵向方向的驱动力，A激励源(203)形成弯曲方向的驱动力，应用互相垂直的两个高频振动之间的相位差，在刀具(4)的刀尖处合成一个椭圆振动，有效地降低加工表面粗超度。

4.根据权利要求1所述的一种大长径比变截面细长轴超声椭圆振动车削加工方法，其特征在于：是在数控车床上安装了与之相匹配的超声振动切削装置。

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