CN104551699A - 一种高温合金机加工的辅助装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温合金机加工的辅助装置，用于实现对高硬度的高温合金工件进行切削加工，属于金属切削加工技术领域，其包括等离子加热单元，夹持单元，切削力测量单元，以及测温单元，等离子加热单元包括等离子发射喷头，用于对高温合金工件待切削位置加热以使之软化而能进行切削加工；夹持单元包括多个夹持板，所述夹持板相对安装以用于夹持等离子发射喷头；测温单元中的测力仪用于与高温合金工件接触以测量其被切削时候承受的切削力的大小；测温单元的红外摄像头用于测量被所述等离子发射喷头加热的高温合金工件待切削位置的温度。本发明装置的设备价格低，且耗能底，并可实现切削加工过程精确可控。

Description

一种高温合金机加工的辅助装置

技术领域

本发明属于金属切削加工技术领域，更具体地，涉及一种高温合金机加工的辅助装置。

背景技术

随着航空航天工业、兵器工业、化学工业、核工业、电子工业等行业的发展，对产品零部件材料的性能有了更高要求，同时也出现了各种高强度、高硬度、高脆性的工程材料。材料性能提高的同时给加工带来了困难和挑战。

高温合金具在1000℃左右条件下使用的一种工程材料，其具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，广泛应用于航天、航空、各种热处理设备。由于高温合金中含有许多高熔点合金元素Fe、Ti、Cr、Ni、V、W、Mo等，这些合金元素与其它合金元素构成纯度高、组织致密的奥氏体合金，而且有的元素又与非金属元素C、B、N等构成硬度高、比重小、熔点高的金属与非金属化合物，使其切削加工性变得很差。高温合金的相对切削加工性只有45号钢的5～20％。

镍基高温合金是高温合金中常用的一种，其在650～1000℃高温下具有优良的热强度性能、热稳定性能、抗氧化腐蚀性能及热疲劳性能。常温时，在传统加工条件下加工该镍基高温合金，由于切削力大造成刀具磨损严重，刀具的寿命随之急剧下降，且会造成切削面的表面质量的问题。

近年来出现的加热辅助切削技术是解决难加工材料加工的一种有效方法。授权公告号为CN203110021U的中国实用新型专利公开了一种激光加热与超声振动复合辅助铣削加工装置，通过给工件或者刀具施加可控的振动，并同时采用激光预热切削区，达到改善陶瓷材料的切削性能的目的。但是，(1)采用激光加热和超声波振动相结合辅助机加工，其设备较为昂贵，且激光器耗能高，不利于工业化大规模应用；(2)该装置中无法精确控制加热的温度和超声波振动频率，并无法测量切削力，即无法精确控制切削加工过程。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高温合金机加工的辅助装置，其目的在于采用等离子加热高温合金工件切削区，使高温合金的硬度下降，塑性提高，切削力降低，同时采用测力仪测量切削力，从而达到可对高硬度的高温合金工件进行切削加工，且使其加工过程精确可控的目的。克服了现有技术中，采用激光加热和超声波振动相结合辅助机加工时设备较为昂贵且耗能高的问题，以及无法精确控制切削加工过程的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种高温合金机加工的辅助装置，用于实现对高硬度的高温合金工件进行切削加工，其特征在于，其包括：

等离子加热单元，该等离子加热单元包括等离子发射喷头，用于对高温合金工件待切削位置加热以使之软化而能进行切削加工；

夹持单元，该夹持单元包括夹盘，固定在夹盘边缘的平板状的外伸固定架，固定在外伸固定架上的“U”形固定架，所述“U”形固定架具有“U”型窗口，该夹持单元还包括多个夹持板，所述夹持板相对安装在所述“U”型窗口两侧，以用于夹持从所述“U”型窗口穿过的等离子发射喷头；

切削力测量单元，其包括测力仪，该测力仪用于与高温合金工件接触以测量其被切削时候承受的切削力的大小；

测温单元，该测温单元包括红外摄像头，该红外摄像头用于测量被所述等离子发射喷头加热的高温合金工件待切削位置的温度；

以上各单元共同作用，实现对高硬度的高温合金工件进行切削加工，且加工过程中切削力和温度可测量，最终实现加工过程可控。

进一步的，所述夹盘呈圆环状，该夹盘固定在对高温合金工件进行加工的机床主轴上，以使固定在夹持单元上的等离子发射喷头与机床主轴保持同步运动，从而保证等离子发射喷头对准高温合金工件上待切削位置加热。

进一步的，所述夹持板具有两块，两块所述夹持板相对固定在“U”型窗口两侧，并且该夹持板均垂直于“U”形固定架，并且该两块夹持板的端部均安装有旋转套筒，所述旋转套筒上均固定有夹块，所述夹块上开有半圆形的槽孔，半圆形槽孔相对形成圆形槽孔以用于夹持所述等离子发射喷头。

进一步的，其特征在于，所述夹块具有两块，两块夹块通过紧固件相对固定在一起以使夹块上半圆形槽孔相对形成的圆形槽孔能夹紧等离子发射喷头；且

所述夹持板端部具有通孔，所述旋转套筒均可转动安装在该通孔内，以能在该通孔内旋转时带动与自身相固定的夹块同步转动，从而能使被夹块夹紧的等离子发射喷头灵活旋转，以能实现对准高温合金工件上待切削位置加热。

进一步的，所述“U”形固定架通过所述外伸固定架上的长条状槽孔固定在所述外伸固定架上，所述长条状槽孔用于供所述“U”形固定架在长条状槽孔的长度范围内移动，以实现对被“U”形固定架固定的等离子发射喷头的位置的微调。

进一步的，所述测温单元还包括用于吸附在高温合金工件待切削位置附近的磁力座和用于支撑所述红外摄像头的导槽架，所述磁力座上具有用于起支撑作用的支撑杆，所述导槽架包括相互垂直且形成一体的孔板和槽板，所述支撑杆穿过所述孔板的通孔并与该孔板固定为一体，所述槽板与所述红外摄像头外壳相固定，以实现对红外摄像头的支撑并使之能与所述磁力座同步移动以对准高温合金工件待切削位置测温。

进一步的，所述槽板具有位于同一个圆上的相互对称的一对圆弧形槽孔，所述红外摄像头外壳上具有圆环形槽孔，圆弧形槽孔所在的圆和圆环形槽孔所在的圆具有相同的圆心，用于通过该圆心将所述槽板与所述红外摄像头相固定，且一对圆弧形的槽孔和圆环形的槽孔相重合，以用于紧固件通过将槽板与所述红外摄像头进一步相固定，所述红外摄像头能以所述圆心为原点相对所述槽板旋转以用于调节自身角度并能在旋转后仍然保持圆弧形的槽孔和圆环形的槽孔相重合，以便紧固件通过而将旋转后的红外摄像头与槽板进一步相固定。

进一步的，所述切削力测量单元还包括与测力仪相电连接的用于放大测力仪信号的放大器，与放大器相电连接的用于读取经放大后的测力仪信号的NI采集器，以及与NI采集器相电连接的用于显示测力仪测量结果的显示器。

进一步的，所述等离子加热单元还包括发射控制箱，该发射控制箱上具有用于控制等离子发射喷头是否工作的开关按钮、用于控制电压大小的电压按钮以及用于控制电流大小的电流按钮，该发射控制箱一端同时与等离子气源和保护气源连接，其另一端与所述等离子发射喷头相连。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案能够取得下列有益效果：

1、采用等离子体发射喷头对高温合金工件加热实质软化以能切削加工，相比激光加热和超声波振动相结合的辅助机加工，等离子设备价格低廉，且耗能低，更适合工业化规模应用。

2、在高温合金工件处设置了测力仪和红外摄像头，能实时采集到不同温度下需要使用的切削力大小，也能根据不同的温度，调整刀具给予的切削力大小，做到机加工工程精确可控。

3、将采集的不同温度下对应的切削力大小汇总，可用于形成系统的数据库，用于精确调整加热温度、材料以及切削力的关系，有助于节约因加热温度过高或者给予的切削力过大造成的能源浪费。

附图说明

图1是本发明实施例中辅助装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中等离子加热单元的结构示意图；

图3是本发明实施例中切削力测量单元的结构示意图；

图4是本发明实施例中夹持单元的结构示意图；

图5是本发明实施例中测温单元的结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

100-等离子加热单元 101-等离子发射喷头 102-发射控制箱

103-开关按钮       104-电压按钮       105-电流按钮

106-等离子气源     107-保护气源

200-夹持单元       201-夹盘           202-外伸固定架

203-“U”形固定架  204-夹持板         205-旋转套筒

206-夹块

300-切削力测量单元 301-测力仪         302-放大器

303-NI采集器       304-显示器

400-测温单元       401-红外摄像头     402-磁力座

403-导槽架         404-支撑杆         405-孔板

406-槽板           407-延伸板         408-镜头盖

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明实施例中辅助装置的结构示意图，从图中可知，其包括等离子加热单元100，夹持单元200，切削力测量单元300以及测温单元400，等离子加热单元100包括等离子发射喷头101，夹持单元200用于对等离子发射喷头101进行夹持，切削力测量单元300包括测力仪301，该测力仪301用于与高温合金工件接触以测量其被切削时候承受的切削力的大小，测温单元400包括红外摄像头401，该红外摄像头401用于测量被所述等离子发射喷头101加热的高温合金工件待切削位置的温度。

图2是本发明实施例中等离子加热单元的结构示意图，由图可知，所述等离子加热单元100除包括等离子发射喷头101外，还包括发射控制箱102，该发射控制箱102上具有用于控制等离子发射喷头是否工作的开关按钮103、用于控制电压大小的电压按钮104以及用于控制电流大小的电流按钮105，该发射控制箱102一端与等离子气源106和保护气源107同时连接，其另一端与所述等离子发射喷头101相连。本实施例中，等离子气源106即为储存有等离子气体的储气瓶，保护气源即为储存有保护气的储气瓶。发射控制箱通过插座连通电源，用于控制等离子发射喷头是否发射等离子气体以进行加热，以及还可以控制等离子发射中电压和电流的大小，以用于调节等离子加热的强度，从而控制加热速率。具体的，工作时候，根据测温单元的测温结果，可灵活旋转电压或者电流的大小，从而控制加热速率。发射控制箱102上具有电源插头，其工作电压为380V，因此，使用时其需要接地。

图3是本发明实施例中切削力测量单元的结构示意图，由图可知，测力仪位于高温合金工件的底面，刀具在高温合金的上面进行切削，本发明实施例中的测力仪为Kistler测力仪，但是本发明中对测力仪的位置和类型等不做限定，只要能测量出高温合金工件在切削过程中承受的切削力的大小即可。切削力测量单元还包括与测力仪相电连接的用于放大测力仪信号的放大器302，与放大器相电连接的用于读取经放大后的测力仪信号的NI采集器303，以及与NI采集器303相电连接的用于显示测力仪测量结果的显示器304。Kistler测力仪测量得到的结果最后在显示器304中显示，用于供用户方便读取。

图4是本发明实施例中夹持单元的结构示意图，由图可知，夹持单元包括夹盘201，所述夹盘呈圆环状，该夹盘固定在对高温合金工件进行加工的机床主轴上，以使固定在夹持单元上的等离子发射喷头与机床主轴保持同步运动，从而保证等离子发射喷头101对准高温合金工件上待切削位置加热。实际中，夹盘固定在机床主轴套筒或者是加工中心主轴套筒上，夹盘的尺寸由所需要的机床主轴套筒或者是加工中心主轴套筒决定，实际使用时，夹盘201套在主轴上方的主轴套筒上，主轴套筒是圆柱形的，夹盘可在主轴套筒上旋转，从而可以在周向上调节等离子发射喷头的位置。平板状的外伸固定架202固定在夹盘边缘，外伸固定架202上具的双圆头的长条状槽孔，采用螺钉穿过该双圆头的长条状槽孔从而将板状的“U”形固定架203固定在该外伸固定架202上，长条状槽孔用于供所述“U”形固定架203在长条状槽孔的长度范围内移动，以实现对被“U”形固定架固定的等离子发射喷头的位置的微调。“U”形固定架203具有“U”型窗口，夹持板204具有两块，两块夹持板204相对安装在所述“U”型窗口两侧，并且该夹持板204均垂直于板状的“U”形固定架，并且该两块夹持板204的端部具有通孔，旋转套筒205均可转动安装在该通孔内，所述旋转套筒205上均采用螺钉固定有夹块206，所述夹块206上开有半圆形的槽孔，半圆形槽孔相对形成圆形槽孔以用于夹持所述等离子发射喷头，采用螺钉通过穿过两块夹块，从而能使夹块固定在一起并将等离子发射喷头夹紧。旋转套筒在通孔内转动以能带动与自身相固定的夹块206同步转动，从而能使被夹块206夹紧的等离子发射喷头101灵活旋转，以能实现对准高温合金工件上待切削位置加热。

图5是本发明实施例中测温单元的结构示意图，由图可知，该测温单元包括红外摄像头401，该红外摄像头401用于测量被等离子发射喷头101加热的高温合金工件待切削位置的温度；测温单元还包括用于吸附在高温合金工件待切削位置附近的磁力座402和用于支撑所述红外摄像头401的导槽架403，磁力座上具有用于起支撑作用的支撑杆404，导槽架403包括相互垂直且形成一体的孔板405和槽板406，孔板和槽板还可以是焊接在一起形成的整体，或者是以整块材料加工获得的整体，支撑杆404穿过孔板405上的通孔并与该孔板固定为一体，本实施例中采用螺钉使支撑杆404和孔板固定在一起，旋松螺钉，可以调节红外摄像头401在支撑杆上的高度，以从上下高度调整红外摄像头。所述槽板与所述红外摄像头401外壳相固定。槽板406具有位于同一个圆上的相互对称的一对圆弧形槽孔，本实施例中一对圆弧形槽孔形成类似括号“()”的形状。红外摄像头401外壳上具有圆环形槽孔，圆弧形槽孔所在的圆和圆环形槽孔所在的圆具有相同的圆心，用一颗长螺钉穿过该圆心将所述槽板与所述红外摄像头401相固定，圆弧形槽孔所在的圆和圆环形槽孔所在的圆大小相同，并且具有相同的圆心，则一对圆弧形的槽孔和圆环形的槽孔相重合，以用于小螺钉通过将槽板与所述红外摄像头401进一步相固定，旋松小螺钉和长螺钉，可使红外摄像头能以所述圆心为原点相对所述槽板旋转，从而可以调节仰视或者俯视的角度，再次旋紧小螺钉和长螺钉，便可以将红外摄像头固定在槽板406上，即可实现对红外摄像头的上下角度的调整。支撑杆下方为与其固定一起的磁力座，红外摄像头与支撑杆固定在一起，移动磁力座，即可实现对红外摄像头401的移动，以对准高温合金工件待切削位置测温。本实施例中，红外摄像头401采集的视频资料通过网线传送至电脑。红外摄像头401外壳上方通过螺钉安装有延伸板407，延伸板407的端面上用螺钉固定了一小块的外接板，采用螺钉将镜头盖408固定在该外接板上，镜头盖用于保护红外摄像头，避免红外摄像头在工作时，飞溅过来的热源损坏镜头。

本发明装置的工作过程为：首先将发射喷头通过夹持单元装夹在机床主轴的套筒上，接着将切削力测量单元安装在机床工作台上，并将需要切削加工的高温合金工件装夹在测力仪上，然后开启等离子加热单元，使等离子发射喷头对准需要切削加工处加热，开启等离子加热单元时随即开启测温单元，测量被等离子加热的高温合金工件切削处的温度，最后开启机床，进行切削加工。根据红外摄像头的测温结果和切削力测量单元的结果，根据需要调整等离子加热单元的加热速率，使温度和切削力良好匹配，实现切削过程可控制。

本发明中，等离子加热单元、切削力测量单元、夹持单元、测温单元协同工作，实现了等离子辅助加工高温合金，解决了在切削过程中研究者所关心的切削力测量，切削区域和等离子流温度大小，使难加工材料等离子辅助切削得以实现，提高了测量的可行性和加工的可控性。

本领域的技术人员容易理解，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 (9)

1.一种高温合金机加工的辅助装置，用于实现对高硬度的高温合金工件进行切削加工，其特征在于，其包括：

等离子加热单元(100)，该等离子加热单元(100)包括等离子发射喷头(101)，其用于对高温合金工件待切削位置加热以使之软化而能进行切削加工；

夹持单元(200)，该夹持单元包括夹盘(201)，固定在夹盘边缘的平板状的外伸固定架(202)，固定在外伸固定架(202)上的“U”形固定架(203)，所述“U”形固定架具有“U”型窗口，该夹持单元还包括多个夹持板(204)，所述夹持板相对安装在所述“U”型窗口两侧，以用于夹持从所述“U”型窗口穿过的等离子发射喷头(101)；

切削力测量单元(300)，其包括测力仪(301)，该测力仪(301)用于与高温合金工件接触以测量其被切削时承受的切削力的大小；

测温单元(400)，该测温单元包括红外摄像头(401)，该红外摄像头(401)用于测量被所述等离子发射喷头(101)加热的高温合金工件待切削位置的温度；

以上各单元共同作用，实现对高硬度的高温合金工件进行切削加工，且加工过程中切削力和温度可测量，能实现加工过程可控。

2.如权利要求1所述的一种高温合金机加工的辅助装置，其特征在于，所述夹盘(201)呈圆环状，该夹盘固定在对高温合金工件进行加工的机床主轴上，以使固定在夹持单元上的等离子发射喷头(101)与机床主轴保持同步运动，从而保证等离子发射喷头(101)对准高温合金工件上待切削位置加热。

3.如权利要求2所述的一种高温合金机加工的辅助装置，其特征在于，所述夹持板(204)具有两块，两块所述夹持板(204)相对固定在“U”型窗口两侧，并且该夹持板(204)均垂直于“U”形固定架，并且该两块夹持板(204)的端部均安装有旋转套筒(205)，所述旋转套筒(205)上均固定有夹块(206)，所述夹块(206)上开有半圆形的槽孔，半圆形槽孔相对形成圆形槽孔以用于夹持所述等离子发射喷头。

4.如权利要求3所述的一种高温合金机加工的辅助装置，其特征在于，其特征在于，所述夹块(206)具有两块，两块夹块(206)通过紧固件相对固定在一起以使夹块上半圆形槽孔相对形成的圆形槽孔能夹紧等离子发射喷头；且

所述夹持板(204)端部具有通孔，所述旋转套筒均可转动安装在该通孔内，以能在该通孔内旋转时带动与自身相固定的夹块(206)同步转动，从而能使被夹块(206)夹紧的等离子发射喷头(101)灵活旋转，以能实现对准高温合金工件上待切削位置加热。

5.如权利要求4所述的一种高温合金机加工的辅助装置，其特征在于，所述“U”形固定架(203)通过所述外伸固定架(202)上的长条状槽孔固定在所述外伸固定架(202)上，所述长条状槽孔用于供所述“U”形固定架(203)在长条状槽孔的长度范围内移动，以实现对被“U”形固定架固定的等离子发射喷头的位置的微调。

6.如权利要求1或2所述的一种高温合金机加工的辅助装置，其特征在于，所述测温单元还包括用于吸附在高温合金工件待切削位置附近的磁力座(402)和用于支撑所述红外摄像头(401)的导槽架(403)，所述磁力座上具有用于起支撑作用的支撑杆(404)，所述导槽架(403)包括相互垂直且形成一体的孔板(405)和槽板(406)，所述支撑杆(404)穿过所述孔板(405)的通孔并与该孔板固定为一体，所述槽板与所述红外摄像头(401)外壳相固定，以实现对红外摄像头(401)的支撑并使之能与所述磁力座同步移动以对准高温合金工件待切削位置测温。

7.如权利要求6所述的一种高温合金机加工的辅助装置，其特征在于，所述槽板(406)具有相互对称的且位于同一个圆上的一对圆弧形槽孔，所述红外摄像头(401)外壳上具有圆环形槽孔，圆弧形槽孔所在的圆和圆环形槽孔所在的圆具有相同的圆心，用于通过该圆心将所述槽板与所述红外摄像头(401)相固定，且一对圆弧形的槽孔和圆环形的槽孔相重合，以用于紧固件通过将槽板与所述红外摄像头(401)进一步相固定，所述红外摄像头能以所述圆心为原点相对所述槽板旋转以用于调节自身角度并能在旋转后仍然保持圆弧形的槽孔和圆环形的槽孔相重合，以便紧固件通过而将旋转后的红外摄像头(401)与槽板进一步相固定。

8.如权利要求1所述的一种高温合金机加工的辅助装置，其特征在于，所述切削力测量单元还包括与测力仪相电连接的用于放大测力仪信号的放大器(302)，与放大器相电连接的用于读取经放大后的测力仪信号的NI采集器(303)，以及与NI采集器(303)相电连接的用于显示测力仪测量结果的显示器(304)。

9.如权利要求1所述的一种高温合金机加工的辅助装置，其特征在于，所述等离子加热单元(100)还包括发射控制箱(102)，该发射控制箱(102)上具有用于控制等离子发射喷头是否工作的开关按钮(103)、用于控制电压大小的电压按钮(104)以及用于控制电流大小的电流按钮(105)，该发射控制箱(102)一端同时与等离子气源(106)和保护气源(107)连接，其另一端与所述等离子发射喷头(101)相连。