CN103921356A - 一种硬脆材料端面精密加工的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种硬脆材料端面精密加工的方法，通过激光辅助加热，提高硬脆材料的塑性，改变硬脆材料去除的脆延转变点，加大临界切削深度，使硬脆材料可以轻松的以延性方式去除；通过二维超声振动实现高频断续切削，可以有效的降低切削力，减少激光加热温度对刀具的影响，延长刀具的使用寿命，改善切屑的排出，避免后刀面对已加工表面的摩擦和挤压，提高表面加工质量；针对端面切削的特点，将两种加工方式经过特定的复合，改善硬脆材料的可加工性，提高工件的表面加工质量和加工精度，实现硬脆材料零件的精密高效端面切削。

Description

一种硬脆材料端面精密加工的方法

技术领域

本发明属于精密加工技术领域，尤其涉及一种硬脆材料端面精密加工的方法。

背景技术

日前，伴随着新型材料的不断出现，各个行业也都开始了前所未有的变革。而硬脆材料的硬度高等优秀特性，使其成为了各国科研工作者的重点研究对象。正是由于硬脆材料的硬度高，脆性大，使得它的可加工性能极差，传统的加工工艺方法，无法或者不能很好地加工出高精度的零件，常用的加工方法目前有电火花加工工艺方法，电解加工工艺方法，光刻加工工艺方法等。虽然这些方法均能够加工硬脆材料，但是或多或少都有些缺点。电火花、电解加工工艺方法，依赖于材料的导电性，有时甚至会产生热损伤以及细微龟裂，光刻加工工艺方法难以加工大型的三维零件。二维超声振动加工可以有效的降低切削力，减小刀具的磨损，但是由于该加工工艺方法在加工工件时，刀具是断续切削的，虽然较小了切削力，减小了刀具的磨损，但同时由于硬脆材料的高硬性，使得刀具及容易崩刃。

目前拥有的超声振动与激光加工工艺装置，仅仅只能满足圆周切削，其激光照射点只能位于刀尖切削点的前方，在加工端面时，当刀尖靠近圆心时，激光照射点，往往已经通过圆心，使得激光又照射到已加工表面，损坏工件，因此这种装置不适用于硬脆材料的端面加工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硬脆材料端面精密加工的方法，旨在解决现有切削技术中对硬脆材料加工的不足之处。

本发明是这样实现的，一种硬脆材料端面精密加工的方法，包括以下步骤：

（1）将待加工的工件装在超精密机床卡盘上，在机床工作台上安装好二维超声振动刀具工装，使其可沿机床x轴水平运动，同时在机床上安装一丝杠螺母副精密运动平台，形成机床y轴，将激光发射头安装在该平台上，通过伺服电动机驱动，使其能以与工作台相同的速度沿y轴竖直运动；

（2）根据要加工材料的硬度和切削参数，选择合适的激光参数；

（3）启动超精密机床，转动主轴，对刀；

（4）停转主轴，调整激光发射头位置，使得激光照射点位于主轴正上方且与刀尖点在同一圆周上；

（5）选择合适频率的超声波发射器，将信号输出线连接至换能器，驱动斜槽纵弯振动变幅杆，使刀具形成主切削方向与进给方向的二维超声振动；

（6）开启激光发射器和超声波发生器，开始加工工件；

（7）刀具和激光照射点以相同的速度向圆心运动，并保持在同一圆周上，完成材料的二维超声与激光加热的复合加工。

优选地，所述斜槽纵弯振动变幅杆一端设有与杆体轴心呈60度的菱形槽，通过螺栓与刀具可拆卸连接，另一端有螺孔，通过双头螺柱与换能器连接，换能器上有两个接口，通过导线与超声波发生器连接。

本发明克服现有技术的不足，提供一种硬脆材料端面精密加工的方法，利用激光对硬脆材料待加工区域进行辅助加热，形成温度场，提高硬脆材料的塑性，改变材料的易脆性，改变硬脆材料的脆延转变点，使其硬度降低，延展性增强，使硬脆材料可以轻松的以延性的方式去除，从而以高精度，高效率的加工工艺方法获得工件。刀具高频断续切削，有效的降低切削力，减少激光加热温度对刀具的影响，延长刀具的使用寿命，改善切屑的排出，避免后刀面对已加工表面的摩擦和挤压，提高表面加工质量，改变硬脆材料的脆延转变点改变，使其可以有更大的临界切削深度，这样就可以在保证加工表面质量的同时，更高效的切削。激光照射点与刀具刀尖同时向圆心处靠近，因此激光照射工件后反射的激光束不会直接照射在刀尖上，刀尖不会因为激光束照射而过热，发生崩刃等不良现象。

在本发明中，斜槽纵弯振动变幅杆一端设有与杆体轴心呈60度的菱形槽，通过螺栓与刀具可拆卸连接，另一端有螺孔，通过双头螺柱与超声波换能器连接，换能器上有两个接口，通过导线与超声波发生器连接。斜槽纵弯振动变幅杆可以使其能够在单激励下形成纵弯复合振动，使刀具形成椭圆振动轨迹，刀具高频断续切削，从而能更好的提高加工表面的质量，更有效的降低切削力，同时延长刀具寿命。

附图说明

图1是本发明硬脆材料端面精密加工状态的主视图；

图2是本发明硬脆材料端面精密加工状态的俯视图；

图3是图1中A部分的放大结构示意图；

图4是图3的激光发射头以及刀具对工件作用位置的左侧面结构示意图；

图5是本发明斜槽纵弯振动变幅杆的结构示意图；

图6是本发明斜槽纵弯振动变幅杆、刀具、换能器及超声波发生器连接状态的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图6所示，其中，图1是本发明硬脆材料端面精密加工状态的主视图；图2是本发明硬脆材料端面精密加工状态的俯视图；图3是图1中A部分的放大结构示意图；图4是图3的激光发射头以及刀具对工件作用位置的左侧面结构示意图；图5是本发明斜槽纵弯振动变幅杆的结构示意图；图6是本发明斜槽纵弯振动变幅杆、刀具、换能器及超声波发生器连接状态的结构示意图。

一种针对陶瓷等硬脆材料端面精密加工的方法，包括以下步骤：

（1）将待加工的工件3装在由北京工研精机股份有限公司出产的SPHERE360型超精密机床卡盘2上，在机床工作台上安装好二维超声振动刀具4工装，使其可沿机床x轴水平运动，同时在机床上安装一丝杠螺母副精密运动平台6，形成机床y轴，将激光发射头5安装在该平台上，通过伺服电动机驱动，使其能以与工作台相同的速度沿y轴竖直运动，如图1所示；

（2）根据要加工材料的硬度和切削参数，选择合适的激光参数；

（3）启动超精密机床，转动主轴1，对刀；

（4）停转主轴1，调整激光发射头5位置，使得激光照射点位于主轴1正上方且与刀尖点在同一圆周上，如图2所示；

（5）选择合适频率的超声波发射器7，将信号输出线连接至换能器8，驱动斜槽纵弯振动变幅杆9使刀具4形成主切削方向与进给方向的二维超声振动；

（6）开启激光发射器和超声波发生器，开始加工工件3；

（7）刀具4和激光照射点a以相同的速度向圆心运动，并保持在同一圆周b上，完成材料的二维超声与激光加热的复合加工。

在本发明的实际应用过程中，在二维超声振动激光复合辅助切削端面过程中，车床电机转动，带动主轴1转动，主轴1通过卡盘2带动工件3转动，超声波电源促使超声波发生器通电，超声波发生器产生高频电震荡，再通过导线传递给换能器和斜槽纵弯振动变幅杆的放大作用，产生周期振动的力，再传递给刀具4，使刀具4产生周期性的高频振动，断续切削材料，启动激光发生器，激光发射器产生激光束，通过传导光纤传递给激光发射头5，激光发射头5将激光束汇集到要加工的表面a（激光照射点），驱动步进电动机，使得激光发射头5能通过竖直移动的丝杠螺母副精密运动平台以同工作台相同的速度向圆心移动，并保持与刀尖在同一圆周b上，使加工材料产生局部高温，改善塑性，降低切削力，从而进行高效率的加工，并获得高质量加工表面。

在进一步的实施过程中，在本发明实施例中，斜槽纵弯振动变幅杆9一端设有与杆体轴心呈60度的菱形槽10，通过螺栓与刀具可拆卸连接，另一端有螺孔，通过双头螺柱与超声波换能器连接，换能器8上有两个接口，通过导线与超声波发生器7连接。斜槽纵弯振动变幅杆9可以使其能够在单激励下形成纵弯复合振动，使刀具形成椭圆振动轨迹，刀具高频断续切削，从而能更好的提高加工表面的质量，更有效的降低切削力，同时延长刀具寿命。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明通过激光辅助加热，提高硬脆材料的塑性，改变硬脆材料去除的脆延转变点，加大临界切削深度，使硬脆材料可以轻松的以延性方式去除。

（2）本发明通过二维超声振动实现高频断续切削，可以有效的降低切削力，减少激光加热温度对刀具的影响，延长刀具的使用寿命，改善切屑的排出，避免后刀面对已加工表面的摩擦和挤压，提高表面加工质量。

（3）本发明针对端面切削的特点，将两种加工方式经过特定的复合，改善硬脆材料的可加工性，提高工件的表面加工质量和加工精度，实现硬脆材料零件的精密高效端面切削。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种硬脆材料端面精密加工的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将待加工的工件装在超精密机床卡盘上，在机床工作台上安装好二维超声振动刀具工装，使其可沿机床x轴水平运动，同时在机床上安装一丝杠螺母副精密运动平台，形成机床y轴，将激光发射头安装在该平台上，通过伺服电动机驱动，使其能以与工作台相同的速度沿y轴竖直运动；

（2）根据要加工材料的硬度和切削参数，选择合适的激光参数；

（3）启动超精密机床，转动主轴，对刀；

（4）停转主轴，调整激光发射头位置，使得激光照射点位于主轴正上方且与刀尖点在同一圆周上；

（5）选择合适频率的超声波发射器，将信号输出线连接至换能器，驱动斜槽纵弯振动变幅杆，使刀具形成主切削方向与进给方向的二维超声振动；

（6）开启激光发射器和超声波发生器，开始加工工件；

（7）刀具和激光照射点以相同的速度向圆心运动，并保持在同一圆周上，完成材料的二维超声与激光加热的复合加工。

2.如权利要求1所述的硬脆材料端面精密加工的方法，其特征在于，所述斜槽纵弯振动变幅杆一端设有与杆体轴心呈60度的菱形槽，通过螺栓与刀具可拆卸连接，另一端有螺孔，通过双头螺柱与换能器连接，换能器上有两个接口，通过导线与超声波发生器连接。