CN102717115A - 一种弱刚度零件高速断续超声振动切削加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弱刚度零件高速断续超声振动切削加工方法，是利用超声纵向振动切削技术对弱刚度零件进行切削加工的一种新型机械加工方法。该加工方法通过采用超声纵向振动切削装置，辅以断续切削的工艺原理，从而省去了传统加工中车削/镗削－时效处理－磨削中的后续工序，并且极大提高了切削速度，缩短了加工时间、提高了加工效率，采用本发明加工方法更可以对弱刚度难加工零件实现高速、高效、高质量的加工。

Description

一种弱刚度零件高速断续超声振动切削加工方法

技术领域

本发明涉及一种对弱刚度零件利用超声振动切削进行高速加工的方法，更特别地说，是指一种运用纵向超声振动技术，对弱刚度零件进行断续、高效、高质量切削加工的方法。

背景技术

在机械制造领域中，弱刚度零件加工大量存在，如大直径深孔长轴（外径D大于200mm，长度L大于1000mm，孔深h大于500mm）外圆车削加工、薄壁盘（外径与最小壁厚之比大于200）端面车削加工、深孔轴（深径比大于50）内孔镗削加工等，这些零件形状复杂、余量大、材料难切削；精度与表面质量要求高，而且切削过程中在切削力、切削热作用下易发生变形和颤振，所以极大的影响了工件的加工精度和表面质量。

椭圆振动切削技术由于特殊的加工机理，虽然能减小切削力，降低切削温度，提高极限切削能力和加工质量，但由于切削线速度很小（一般4～6米/分），尤其加工大直径回转件，效率很低，因此在实际应用中受到了很大限制。

发明内容

为了提高弱刚度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对大直径深孔长轴的高效加工弱刚度零件的高速断续超声振动切削方法，该加工方法仅用车削/镗削方式实现整个弱刚度零件的加工，改变了传统对弱刚度零件加工需要进行车削/镗削→时效→磨削处理的步骤。本发明的加工方法极大地缩短了加工时间，提高了弱刚度零件的加工质量。本发明加工方法尤其能够实现大直径深孔长轴的高速、高效、高质量加工。

本发明的一种弱刚度零件高速断续超声振动切削加工方法，该加工方法是通过在现有车床上安装超声纵向振动切削装置（30），并由超声纵向振动切削装置（30）产生的刀尖沿椭圆轨迹振动，结合车床控制端设计的大直径深孔长轴的弱刚度零件的几何特征，利用装夹和定位工艺实现；具体加工方式为：

内孔镗削条件：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；

内孔镗削过程：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0.01mm，中心架支撑大直径深孔长轴中心偏左10mm处，夹紧中心架（20），夹紧后要求工件中心轴与镗削刀具（70）镗杆中心轴同轴度在0.02毫米内，顶紧尾顶尖（40）；开始按照预先生成的刀具轨迹指令进行镗削，直至加工到零件的规定尺寸；

高速精车削条件：线速度1000～1300米/分，进给量2～4毫米/秒，切削深度0.025～0.030毫米；

高速精车削过程：换刀程序执行，镗削刀具（70）更换为超声纵向振动切削装置（30），顶紧机床液压尾顶尖（40），准备进行外圆车削；顶紧后要求工件右端圆跳动不大于0.005mm；开始按照预先生成的刀具轨迹指令进行分步普通精车，当车削到加工余量剩余0.05mm后，程序自动中断；

外圆车削条件：线速度1000～1300米/分，进给量2～4毫米/秒，切削深度0.008～0.010毫米，振动频率20KHz，电压50伏，电流1安培，双边振幅20微米；

外圆车削过程：换刀程序执行，应用超声纵向振动切削装置（30）准备进行外圆车削；顶紧后要求工件右端圆跳动不大于0.005mm；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0.05mm后，程序自动中断；

改变支撑方式，然后进行第二刀、第三刀……外圆车削；

调转工件，进行另一侧的外圆车削，直至达到加工尺寸要求；

修磨右端中心孔条件：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；

修磨左端中心孔条件：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。

在本发明的一种弱刚度零件高速断续超声振动切削加工方法中，开启预先调试好的振动车削装置，在纵向上采用超声纵向振动切削装置（30）给刀具施加振幅为10μm的超声频率大振幅振动，通过调节振动驱动源的相位，使刀具的振动成为一个正弦轨迹的振动，使得此后的切削过程中刀具处于纵向振动状态。

本发明对大直径深孔长轴的高速断续超声振动切削方法的优点在于：

①通过高速断续振动的切削原理，突破了振动切削的速度限制，达到高速（1000～1300米/分）、高效加工的目的。

②在高速断续超声纵向振动切削加工过程中，采用大振幅（单边10微米）、微切深a_p（0.008～0.010毫米）、超声频振动（20千赫兹）、相位控制进行加工，降低了工件的表面粗糙度，提高了工件的尺寸精度。

③在高速切削状态下，刀具与工件、切屑周期性分离，切削力大幅下降（仅为普通切削的30%），切削温度急剧降低（下降1个数量级），有效抑制了应力变形和热变形对工件质量的恶化。

④整个加工过程中仅采用了车削，从而实现了弱刚度零件的直接车削加工，省去后续相应的应力释放，磨削加工等工序，可提高加工效率。

⑤本发明的加工方法，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，使得弱刚度零件的加工成本得以降低。

附图说明

图1是本发明对大直径深孔长轴的弱刚度零件的加工过程的示意图。

图2是本发明应用的超声纵向振动装置的外部结构图。

图2A是本发明应用的超声纵向振动装置的分解图。

图3是采用三维软件绘制的工件模型示意图。

图3A是采用三维软件绘制得到的工件等轴示意图。

图3B是采用三维软件绘制得到的工件正视及尺寸示意图。

图4A是本发明的振动形式示意图。

图4B是本发明的刀尖运动轨迹示意图。

图5是本发明的微观加工过程图。

1.刀座

2.超声振动单元

201.压紧螺钉

202.后端盖	203.激励源	204.前端盖及变幅杆
			3.刀座前盖	4.前绝缘垫圈	5.后绝缘垫圈
6.刀座后盖	7.刀具	10.机床三爪卡盘
			20.机床液压中心架	30.超声纵向振动切削装置	40.机床液压尾顶尖
50.中心孔磨床顶尖	60.中心孔磨床V型铁	70.镗削刀具

具体实施方式

下面以大直径深孔长轴加工为例结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明是在数控加工中心上安装与之相匹配的超声纵向振动切削装置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控制软件，对需要加工的零件（或称工件）进行控制加工。

本发明是一种基于超声纵向振动对大直径深孔长轴类的弱刚度零件进行高效、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（大直径深孔长轴）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加工中心；在本发明中，零件尺寸包括有工件总长度L、外径D、深孔长度h、深孔直径d，且尺寸关系满足 $h\≥\frac{1}{2}L,$ $\frac{L}{D}\≥5,$ $\frac{h}{d}\≥5,$ $\frac{D}{d}\≤1.5.$

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回转中心线与数控加工中心主轴回转中心同轴度在0.05毫米内，尾顶尖40压力在0.5Bar（巴）。

步骤1－3：将超声纵向振动切削装置30装夹在调整好的数控机床上，微调车削刀片7于数控机床中心高相平，调节镗削刀具70，使镗削刀具70的镗杆中心线与数控加工中心主轴回转中心同轴度在0.02毫米内。

步骤1－4：调节超声振动单元2在加工时的振动参数为：振动频率为20千赫兹，刀片7的刀尖振幅为10μm。

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0.5mm内，粗车后要求工件对于中心孔的圆跳动不大于0.03mm。此后，进行深孔钻削加工，直至加工余量0.1mm。

（二）零件加工

步骤2－1：内孔镗削加工

内孔镗削条件：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；

内孔镗削过程：装夹已加工到所需余量的工件，夹紧要求距离机床三爪卡盘10位置10mm的跳动不大于0.002mm，右端面处的圆跳动不大于0.01mm，中心架20支撑大直径深孔长轴中心偏左10mm处，夹紧机床液压中心架20。夹紧后要求工件中心轴与镗削刀具70镗杆中心轴同轴度在0.02毫米内，顶紧尾顶尖。开始按照预先生成的刀具轨迹指令进行镗削，直至加工到零件的规定尺寸。

步骤2－2：高速精车削加工

高速精车削条件：线速度1000～1300米/分，进给量2～4毫米/秒，切削深度0.025～0.030毫米；

高速精车削过程：换刀程序执行，镗削刀具70更换为本发明设计的超声纵向振动切削装置30，顶紧机床液压尾顶尖40，准备进行外圆车削。顶紧后要求工件右端圆跳动不大于0.005mm。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，超声纵向振动切削装置30中的刀具不作振动），当车削到加工余量剩余0.05mm后，程序自动中断；

步骤2－3：高速断续超声振动车削第一刀

外圆车削条件：线速度1000～1300米/分，进给量2～4毫米/秒，切削深度0.008～0.010毫米，振动频率20KHz，电压50伏，电流1安培，双边振幅20微米；

外圆车削过程：换刀程序执行，应用超声纵向振动切削装置30准备进行外圆车削。顶紧后要求工件右端圆跳动不大于0.005mm。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，超声纵向振动切削装置30中的刀具不作振动），当车到加工余量剩余0.05mm后，程序自动中断；

参见图4A、图4B所示，开启预先调试好的振动车削装置，在纵向上给刀具（刀片7）施加一个超声频率的大振幅振动，所述超声频率的大振幅振动是由超声纵向振动切削装置30提供的，其振幅为10μm；通过调节振动驱动源的相位，使刀具的振动成为一个正弦轨迹的振动，使得此后的切削过程中刀具处于纵向振动状态，继续执行预先中断的程序，此时，开始进行振动切削，直至加工到零件的规定尺寸。在高速断续超声纵向振动切削加工过程中，采用大振幅（单边10微米）、微切深a_p（0.008～0.010毫米）、超声频振动（20千赫兹）、相位控制进行加工，降低了工件的表面粗糙度，提高了工件的尺寸精度。

切削微观过程如图5所示，一个振动周期（从a点至e点）中高速超声振动切削过程可以分为三个阶段：a点→ｂ点为切入阶段，ｂ点→ｃ点为切出阶段，c点→e点为空切阶段。在高速超声振动切削过程中，刀具以振动平衡线为平衡位置做超声频率的振动。

在每个切削周期中，刀片7（或称刀具）从ａ点开始切入工件，切屑厚度l_r逐渐增加，到ｂ点时整个切削过程的切屑厚度最大，ｂ点时工件加工表面上的位置最低点，在所述切入阶段的刀具的动态前角β₁呈现一个由小变大再变小的过程，且都要大于刀具的理论前角β₂，动态后角α₁则与之相反，都要小于刀具的理论后角α₂；当刀片7处于切削周期的切出阶段时，从ｂ点开始切屑厚度逐渐减小，到ｃ点时整个切削周期对加工表面的影响结束，在所述切出阶段的刀具的动态前角β₁要小于刀具的理论前角β₂，动态后角α₁同样与之相反，要大于刀具的理论后角α₂。同时，在ｂ点→ｃ点的切出阶段刀具回拉，切削深度a_p减小，且刀具在切屑厚度l_r方向上的速度逐渐加快，切屑与前刀面产生的摩擦力方向发生反转，这对于吃刀抗力的减小有利；c点→e点是整个切削周期的空切阶段，从ｃ点开始刀具与工件及切屑分离，实现了断续切削，整个阶段内刀具与工件表面完全不接触，切削力降低为0，刀具对工件的表面形貌不产生任何影响；当刀具到达e点时一个切削周期过程结束，因此ａ点→e点是一个完整的切削周期，此后刀具开始再次与工件接触，开始下一个切削周期。这样就是刀具、工件、切屑之间周期性分离的断续切削过程。

在图5中，动态前角β₁是指刀片7的前刀面与刀尖圆弧切线之间的夹角。动态后角α₁是指刀片7的后刀面与刀尖圆弧切线之间的夹角。

切深a_p是指工件外轮廓线与振动平衡线之间和间距。

切屑厚度l_r是指刀片7的前刀面与工件的待加工面之间的间距。

步骤2－4：改变支撑方式，然后按照步骤2－3的切削方式进行第二刀、第三刀……外圆车削；

步骤2－5：调转工件，进行另一侧的外圆车削，直至达到加工尺寸要求；

步骤2－6：修磨右端中心孔

修磨右端中心孔条件：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2－7：修磨左端中心孔

修磨左端中心孔条件：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。

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单边振幅0.01毫米，防止由于切深过大而变断续切削为连续切削。

（2）实时监控刀片7的磨损状态，一旦发现刀片7磨损状态出现，即更换刀片7；

（3）主轴转速（n）要根据切削用具、切削条件，满足

（其中A为振幅，D为工件外径，ω为超声振动角频率，α₂为刀具理论后角）条件下，合理选择避免刀具磨损。

（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，超声纵向振动切削装置30包括有刀座1、超声振动单元2、刀座前盖3、前绝缘垫圈4、后绝缘垫圈5、刀座后盖6和刀具7；

超声振动单元2包括有压紧螺钉201、后端盖202、激励源203、前端盖及变幅杆204。

超声振动单元2安装在刀座1内，且超声振动单元2中的前端盖及变幅杆204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6安装在刀座1的后端；刀具7（刀具7可以是金刚石）安装在超声振动单元2中的前端盖及变幅杆204的刀槽中。

超声振动单元2中的前端盖及变幅杆204为一体加工成型的阶梯轴结构，一端设有用于安装刀具7的刀槽，另一端为平板面，且平板面的中心设有螺纹孔。

超声振动单元2中的激励源203用于产生加工时的纵向方向的驱动力。

超声振动单元2中的压紧螺钉201的螺纹段端顺次穿过后端盖202、激励源203后，螺纹连接在前端盖及变幅杆204的另一端的螺纹孔内，从而实现将后端盖202、激励源203和前端盖及变幅杆204的紧固在一起。

本发明提出的一种弱刚度零件的高速断续超声振动车削加工方法，是利用超声纵向振动切削技术，对大直径、深孔长轴等弱刚度件，进行切削加工的一种新型机械加工方法。该加工方法通过采用超声纵向振动切削装置，辅以断续切削的工艺原理，从而省去了传统加工中车削/镗削－时效处理－磨削中的后续工序，并且极大提高了切削速度，缩短了加工时间、提高了加工效率，而且加工后外径200mm、长度1400mm、内孔80mm、孔深800mm的大直径深孔长轴，精度能够达到相对于中心孔圆跳动小于0.010mm，尺寸精度小于±0.003mm的标准。采用本发明加工方法更可以对薄壁盘、深孔轴等弱刚度难加工工件实现高速、高效、高质量的加工。高速断续超声振动切削由于其特有的运动轨迹和切削原理，使得其既具有大幅度降低切削抗力（约为普通切削抗力的30%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，同时又极大提高了切削速度（大于1000米/分），切削效率提高20倍以上。可见，高速断续超声振动切削是一种加工弱刚度零件有效且高效的方法。

Claims (5)

1.一种弱刚度零件高速断续超声振动切削加工方法，其特征在于：该加工方法是通过在现有车床上安装超声纵向振动切削装置（30），并由超声纵向振动切削装置（30）产生的刀尖沿椭圆轨迹振动，结合车床控制端设计的大直径深孔长轴的弱刚度零件的几何特征，利用装夹和定位工艺实现；具体加工方式为：

内孔镗削条件：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；

内孔镗削过程：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0.01mm，中心架支撑大直径深孔长轴中心偏左10mm处，夹紧中心架（20），夹紧后要求工件中心轴与镗削刀具（70）镗杆中心轴同轴度在0.02毫米内，顶紧尾顶尖（40）；开始按照预先生成的刀具轨迹指令进行镗削，直至加工到零件的规定尺寸；

高速精车削条件：线速度1000～1300米/分，进给量2～4毫米/秒，切削深度0.025～0.030毫米；

高速精车削过程：换刀程序执行，镗削刀具（70）更换为超声纵向振动切削装置（30），顶紧机床液压尾顶尖（40），准备进行外圆车削；顶紧后要求工件右端圆跳动不大于0.005mm；开始按照预先生成的刀具轨迹指令进行分步普通精车，当车削到加工余量剩余0.05mm后，程序自动中断；

外圆车削条件：线速度1000～1300米/分，进给量2～4毫米/秒，切削深度0.008～0.010毫米，振动频率20KHz，电压50伏，电流1安培，双边振幅20微米；

外圆车削过程：换刀程序执行，应用超声纵向振动切削装置（30）准备进行外圆车削；顶紧后要求工件右端圆跳动不大于0.005mm；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0.05mm后，程序自动中断；

改变支撑方式，然后进行第二刀、第三刀……外圆车削；

调转工件，进行另一侧的外圆车削，直至达到加工尺寸要求；

修磨右端中心孔条件：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；

修磨左端中心孔条件：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。

2.根据权利要求1所述的一种弱刚度零件高速断续超声振动切削加工方法，其特征在于：开启预先调试好的振动车削装置，在纵向上采用超声纵向振动切削装置（30）给刀具施加振幅为10μm的超声频率大振幅振动，通过调节振动驱动源的相位，使刀具的振动成为一个正弦轨迹的振动，使得此后的切削过程中刀具处于纵向振动状态。

3.根据权利要求1所述的一种弱刚度零件高速断续超声振动切削加工方法，其特征在于：该方法在一个从a点至e点的振动周期中，高速超声振动切削过程分为三个阶段：a点→ｂ点为切入阶段，ｂ点→ｃ点为切出阶段，c点→e点为空切阶段；在高速超声振动切削过程中，刀具以振动平衡线为平衡位置做超声频率的振动。

4.根据权利要求1所述的一种弱刚度零件高速断续超声振动切削加工方法，其特征在于：超声纵向振动切削装置（30）包括有刀座（1）、超声振动单元（2）、刀座前盖（3）、前绝缘垫圈（4）、后绝缘垫圈（5）、刀座后盖（6）和刀具（7）；

超声振动单元（2）包括有压紧螺钉（201）、后端盖（202）、激励源（203）、前端盖及变幅杆（204）；

超声振动单元（2）安装在刀座（1）内，且超声振动单元（2）中的前端盖及变幅杆（204）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（6）安装在刀座（1）的后端；刀具（7）安装在超声振动单元（2）中的前端盖及变幅杆（204）的刀槽中；

超声振动单元（2）中的前端盖及变幅杆（204）为一体加工成型的阶梯轴结构，一端设有用于安装刀具（7）的刀槽，另一端为平板面，且平板面的中心设有螺纹孔；激励源（203）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（202）、激励源（203）后，螺纹连接在前端盖及变幅杆（204）的另一端的螺纹孔内，从而实现将后端盖（202）、激励源（203）和前端盖及变幅杆（204）的紧固在一起。

5.根据权利要求1所述的一种弱刚度零件高速断续超声振动切削加工方法，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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