CN102049531A - 一种高速连续超声径向振动切削方法及其实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高速状态下的高速连续径向超声振动切削方法及其实现装置，该方法有相应的高速连续径向超声振动切削装置的振动模式与切削工件的作用方向，高速连续径向超声振动切削装置的振动参数与工件加工参数之间的选择方法，相应的装置包括刀座、高速连续径向超声振动切削刀具、刀座前盖、刀具、刀座后盖和航空插头。使用该方法的切削装置切削速度可以远远高于普通切削速度，极大地扩展了超声振动加工技术的应用范围，尤其适用于大直径工件的切削加工。

Description

一种高速连续超声径向振动切削方法及其实现装置

技术领域

本发明涉及一种高速连续径向超声振动切削方法及其实现装置，利用本方法及相关实现装置可以实现高速状态下的超声径向振动加工，极大地扩展了超声振动加工技术的应用范围。

背景技术

机械加工过程中，优异的加工质量是人们追求的最终目标，而这就要求加工技术产生的干扰加工质量的因素尽可能少。比如要求切削力尽可能小，从而降低因切削力产生的工艺系统变形，从而提高加工质量；要求切削温度尽可能低，从而减小温度对加工质量的影响。

超声振动加工技术是给刀具施加超声频率的低振幅超声振动，从而使得加工过程处于断续的状态，从而可以获得切削力降低、加工表面质量提高、切削温度降低等一系列的优点。基于以上优点，超声振动加工技术广泛地应用于难加工结构(弱刚度结构)、难加工材料(高切削力、高切削温度)等的加工中，取得了良好的效果。但由于超声振动加工的切削机理最根本的是基于工件刀具的断续接触-分离，从而使得工件的加工速度不能高于超声振动加工的临界速度，在工件的回转直径比较小时，工件的转速基本和普通切削转速差不多，但当工件的回转直径增大后，工件的转速将会远远低于普通切削加工的转速，这就极大地限制了加工的效率，从而也影响了超声振动加工技术的推广应用。

自动超声振动加工技术出现以来，人们一直着力于提高超声振动切削技术的加工效率问题，但目前还没有相关的装置或技术手段出现，所进行的研究和应用全部是在超声振动切削的临界速度之下进行的，而由于径向超声振动对于刀具的冲击破坏及表面加工质量的恶化，很少采用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高速连续径向超声振动切削方法及其实现装置，以突破超声振动加工技术的速度限制、实现径向超声振动的切削加工应用、使得超声振动加工技术可以应用于大回转直径工件的高速切削领域，本发明设计出一种能够应用于高速切削的超声径向切削方法及一套相应的实现装置。该高速连续径向超声振动切削方法是基于单向超声振动、刀具与工件位置及刀具振动方向与工件的合理布置、对加工参数的合理设定，以及使用相应的实现装置，从而突破超声振动加工必须在较低速度下进行的限制、实现对大回转直径工件的高速连续径向超声振动切削加工。

高速连续径向超声振动切削方法步骤如下：在机床卡盘内装夹待加工的大直径工件，在机床刀架上装夹高速连续径向超声振动切削刀具、调整好高速连续径向超声振动切削刀具相对于大直径工件的位置，使得高速连续径向超声振动切削刀具所切方向正好为大直径工件的水平直径剖面方向；高速连续径向超声振动切削刀具的振动方向为沿工件的径向方向。

高速连续径向超声振动切削方法的具体实现方法参见图1-1所示。

令高速连续径向超声振动切削刀具的频率为f、振幅为a、刀具后角为θ、工件的速度为v、切削时间为t。

由图1所建立的坐标系来确定：坐标系以切削深度方向为y轴、正方向为切深增大方向，主切削力方向为x轴、正方向为切削长度增加方向，以初始切削点为原点，则

高速连续径向超声振动切削刀具刀尖的振动方程为：

y＝asin(2πft)

工件的运动方程为：

x＝vt

建立y(x)为：

$y=a\sin \left(2\mathrm{\πf}\frac{x}{v}\right)$

求得关于x的导数：

$y^{\′}=\frac{2\mathrm{\πaf}}{v}\cos \left(2\mathrm{\πf}\frac{x}{v}\right)$

满足切削过程无负后角的条件为：

$v\≥\frac{2\mathrm{\πaf}}{\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}.$

图1-1所示即为此种无后角切削状态下的表面剖面图。

本发明包括一种高速连续径向超声振动切削实现装置，包括刀座、刀座前盖、高速连续径向超声振动切削刀具、刀座后盖和航空插头；高速连续径向超声振动切削刀具安装在刀座内，靠螺钉支撑固定，高速连续径向超声振动切削刀具的前端盖从刀座前盖中间圆孔处伸出，高速连续径向超声振动切削刀具的激励源与航空插头一端通过导线联结；刀座前盖安装在刀座的前端；刀座后盖安装在刀座的后端；航空插头安装在刀座后盖的中心孔上，另一端与外部的超声振动激励电源相连接，接受外部产生的振动激励信号，传给高速连续径向超声振动切削刀具。

其中，高速连续径向超声振动切削刀具的前端盖为一体加工成型的阶梯轴结构，前端盖的一端设有用于安装刀具的刀槽，前端盖的另一端为平板面，且平板面的中心设有供压紧螺钉拧紧用的螺纹孔。

其中，激励源用于产生加工时所需的超声振动。

其中，压紧螺钉的螺纹段端顺次穿过后端盖、激励源后，螺纹连接在前端盖的螺纹孔内，从而实现将后端盖、激励源以及前端盖紧固在一起。

其中，激励源包括绝缘套、铜电极、压电陶瓷；铜电极、压电陶瓷间隔分布、通过粘结压紧固定，绝缘套依次穿过铜电极和压电陶瓷中心孔，将整个激励源贯穿，起到保持和绝缘的作用；铜电极通过导线与航空插头联结，接受相应的激励信号。

其中，铜电极的数量较压电陶瓷多1片，且保证激励源的两端各为1片铜电极。

本发明具有如下优点：

①使得工件的加工速度大大提高，突破了超声振动加工的速度限制。

②由于高的工件切削速度，提高了工件的加工效率。

③在高速的切削状态下、超声切削过程中的切削力大大降低，提高了工件的精度，提高了大直径弱刚度工件(薄壁筒类零件)的加工质量。

④实现了超声径向振动切削的应用。

⑤扩展了超声振动切削加工的应用范围。

附图说明

图1-1、1-2是本发明的高速连续径向超声振动切削方法的原理图。

图2是本发明对工件的加工过程的示意图。

图3是本发明应用的高速连续径向超声振动切削装置的外部轮廓图。

图4是本发明应用的高速连续径向超声振动切削装置的分解图。

图5是本发明应用的高速连续径向超声振动切削刀具的分解图。

图6是本发明应用的高速连续径向超声振动切削刀具激励源的分解图

图中具体标号如下：

10.高速连续径向超声振动切削装置

1.刀座

2.高速连续径向超声振动切削刀具

21.压紧螺钉  22.前端盖  23.激励源

231.绝缘套    232.铜电极    233.压电陶瓷

24.后端盖  25.刀具

3.刀座前盖    4.刀座后盖    5.航空插头

20.机床刀架

30.机床卡盘

40.大直径工件

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。

本发明中的高速连续径向超声振动切削方法，参见图2所示，在机床卡盘30内装夹待加工的大直径工件40，在机床刀架20上装夹高速连续径向超声振动切削装置10、调整好高速连续径向超声振动切削装置10中高速连续径向超声振动切削刀具2相对于大直径工件40的位置，使得高速连续径向超声振动切削刀具2所切方向正好为大直径工件40的水平直径剖面方向。高速连续径向超声振动切削刀具2的振动方向为沿大直径工件40的径向方向。通过合理调节大直径工件40的转速、高速连续径向超声振动切削装置10的振动频率、振幅，来实现高速超声振动切削加工。

令刀具振动的频率为f、振幅为a、刀具后角为θ、工件的速度为v。

由图3所建立的坐标系来确定：坐标系以切削深度方向为y轴、正方向为切深加大方向，主切削力方向为x轴、正方向为切削长度增加方向，以初始切削点为原点，则

刀具的振动方程为：

y＝asin(2πft)

工件的运动方程为：

x＝vt

建立y(x)为：

$y=a\sin \left(2\mathrm{\πf}\frac{x}{v}\right)$

求得关于x的导数：

$y^{\′}=\frac{2\mathrm{\πaf}}{v}\cos \left(2\mathrm{\πf}\frac{x}{v}\right)$

满足切削过程无负后角的条件为：

$v\≥\frac{2\mathrm{\πaf}}{\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}.$

如果切削速度不满足上述公式，则会出现如图1-2所示的情况，高速连续径向超声振动切削刀具2的刀具25从A点切到B点的过程中，由于高速连续径向超声振动切削刀具2的刀具25所走正弦曲线轨迹和后刀面轮廓干涉，理论上应该形成的AB表面将会被BC所代替，这种情况破坏了已加工表面的质量，使得本应形成的L轮廓曲线中的阴影部分遭受挤压变形，破坏了表面的连续性，也使得刀具25后刀面在高频的冲击力作用下，极易产生崩刃现象。这在加工过程中应该避免，就使得工件的切削速度必须高于上述速度，从而改变了传统超声振动加工技术的原理，突破了原来的速度限制。

当工件的速度大于上述速度时，如图1-1所示，高速连续径向超声振动切削刀具2沿轨迹曲线A’B’C’运动，形成了理论上的表面轮廓，是理想的切削状态。在切削过程中，高速连续径向超声振动切削刀具2的刀具25前刀面与大直径工件40的作用如图1-1中所示，分离状态：切深加大时，高速连续径向超声振动切削刀具2的刀具25向下运动，高速连续径向超声振动切削刀具2的刀具25前刀面与大直径工件40的切屑产生分离，降低了刀具25与切屑之间的摩擦、挤压作用；外拉状态：当切深减小时，高速连续径向超声振动切削刀具2的刀具25向上运动，刀具25对切屑产生向上的拉力作用，使得在整个过程中的切削抗力明显降低。

由于正常加工过程中速超声振动车削装置10的振动频率一般为20000Hz、振幅为5um左右，而所用的刀具4的后角为5°，则可以得到工件的最低切削速度为430m/min，超出了普通切削的加工速度，更远比传统超声振动切削的切削速度高。假设工件的直径为d，则工件的最低转速应为v/(πd)，在切削过程中应满足这个条件，高速超声振动车削装置才能正常工作。

加工前，首先测量高速连续径向超声振动切削刀具2的振动振幅和频率，确定所选用高速连续径向超声振动切削刀具2的刀具25的后角，通过上式选择最低的加工速度，根据工件直径计算出工件最低转速，进而进行相关加工。

本发明中的装置，参见图3、4、5、6所示，高速连续径向超声振动切削装置10包括有刀座1、高速连续径向超声振动切削刀具2、刀座前盖3、刀座后盖4和航空插头5；高速连续径向超声振动切削刀具2安装在刀座1内，靠螺钉支撑固定，且高速连续径向超声振动切削刀具2的前端盖22从刀座前盖3中间圆孔出伸出，高速连续径向超声振动切削刀具2中的激励源23与航空插头5一端通过导线联结；刀座前盖3安装在刀座1的前端，刀座后盖4安装在刀座1的后端；航空插头5安装在刀座后盖4的中心孔上，另一端与外部的超声振动激励电源23相连接，接受外部产生的振动激励信号，传给高速连续径向超声振动切削刀具2。

刀座1用于固定高速连续径向超声振动切削刀具2，其一侧有突出的夹持结构，用于机床夹紧装置夹紧。

高速连续径向超声振动切削刀具2用于产生加工时所需的单向超声振动。

高速连续径向超声振动切削刀具2包括有压紧螺钉21、前端盖22、激励源23、后端盖24和刀具25。

前端盖22为一体加工成型的阶梯轴结构，前端盖22的一端设有用于安装刀具25的刀槽，前端盖22的另一端为平板面，且平板面的中心设有供压紧螺钉21拧紧用的螺纹孔。

激励源23用于产生加工时所需的超声振动。

压紧螺钉21的螺纹段端顺次穿过后端盖24、激励源23后，螺纹连接在前端盖22的螺纹孔内，从而实现将后端盖24、激励源23以及前端盖22的紧固在一起。

激励源23包括绝缘套231、铜电极232、压电陶瓷233。其中，铜电极的数量较压电陶瓷多一片，且保证激励源的两端各为1片铜电极。本发明实施例中铜电极为5片，压电陶瓷为4片；铜电极232、压电陶瓷233间隔分布、通过粘结压紧固定，激励源23两端各为1片铜电极232，绝缘套231依次穿过5片铜电极232和4片压电陶瓷233中心孔，将整个激励源23贯穿，起到保持和绝缘的作用。铜电极232通过导线与航空插头6联结，接受相应的激励信号。

本发明公开了一种高速连续径向超声振动切削方法及其实现装置，利用本方法及相关实现装置可以实现高速状态下的超声径向振动加工，实现径向超声振动的切削加工，突破了超声振动切削加工的速度限制，极大地扩展了超声振动加工技术的应用范围。

Claims (5)

1.一种高速连续径向超声振动切削方法，其特征在于：在机床卡盘内装夹待加工的大直径工件、在机床刀架上装夹高速连续径向超声振动切削刀具、调整高速连续径向超声振动切削刀具相对于大直径工件的位置，使得高速连续径向超声振动切削刀具所切方向正好为大直径工件的水平直径剖面方向；高速连续径向超声振动切削刀具的振动方向为沿工件的径向方向；

令高速连续径向超声振动切削刀具振动的频率为f、振幅为a、刀具后角为θ、切削时间为t；

建立坐标系：坐标系以切削深度方向为y轴、正方向为切深加大方向，主切削力方向为x轴、正方向为切削长度增加方向，以初始切削点为原点，则

高速连续径向超声振动切削刀具的刀尖振动方程为：

y＝asin(2πft)

工件的运动方程为：

x＝vt

建立y(x)为：

$y=a\sin \left(2\mathrm{\πf}\frac{x}{v}\right)$

求得关于x的导数：

$y^{\′}=\frac{2\mathrm{\πaf}}{v}\cos \left(2\mathrm{\πf}\frac{x}{v}\right)$

满足切削过程无负后角的条件为：

$v\≥\frac{2\mathrm{\πaf}}{\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}.$

2.一种高速连续径向超声振动切削装置，其特征在于：该装置包括刀座、高速连续径向超声振动切削刀具、刀座前盖、刀座后盖和航空插头；

高速连续径向超声振动切削刀具安装在刀座内，靠螺钉支撑固定，高速连续径向超声振动切削刀具的前端盖从刀座前盖中间圆孔出伸出，高速连续径向超声振动切削刀具的激励源与航空插头一端通过导线联结；刀座前盖安装在刀座的前端；刀座后盖安装在刀座的后端；航空插头安装在刀座后盖的中心孔上，另一端与外部的超声振动激励电源相连接，接受外部产生的振动激励信号，传给高速连续径向超声振动切削刀具。

3.根据权利要求2所述的一种高速连续径向超声振动切削装置，其特征在于：所述的高速连续径向超声振动切削刀具的前端盖为一体加工成型的阶梯轴结构，一端设有用于安装刀具的刀槽，另一端为平板面，且平板面的中心设有供压紧螺钉拧紧用的螺纹孔。

4.根据权利要求2所述的一种高速连续径向超声振动切削装置，其特征在于：所述的激励源用于产生加工时所需的超声振动；具体包括绝缘套、铜电极、压电陶瓷；铜电极、压电陶瓷间隔分布、通过粘结压紧固定，绝缘套依次穿过铜电极和压电陶瓷中心孔，将整个激励源贯穿，起到保持和绝缘的作用；铜电极通过导线与航空插头联结，接受相应的激励信号。

5.根据权利要求2所述的一种高速连续径向超声振动切削装置，其特征在于：所述的铜电极的数量较压电陶瓷多1片，且保证激励源的两端各为1片铜电极。

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