CN105522184B - 针阀棱边无毛刺加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种针阀棱边无毛刺加工工艺，将镗刀通过镗刀杆与具有二维相位可调、振幅可调的超声波换能器相连；在超声波换能器上加上正弦波电压，使得超声波换能器发生伸缩，产生二维弯曲振动；通过调节二维弯曲振动的相位差，在镗刀的刀刃上得到不同方位的超声椭圆振动轨迹；将超声波换能器固定在刀架上，随滑板进行轴向和径向进给运动，实现针阀内孔超声波椭圆振动镗削加工。本发明能使针阀棱边微观形貌精度和表面质量眀显提高，而且还能提高针阀使用性能，满足实际工程要求。

Description

针阀棱边无毛刺加工工艺

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，涉及一种针阀棱边加工工艺。

背景技术

毛刺是切削加工中重要问题之一，毛刺不仅影响的微观形貌精度和表面质量，而且还影响针阀使用性能，特别是对航天发动机中针阀的精密切削加工和超精密切削加工，毛刺问题更为突出。因此，实现针阀棱边无毛刺加工工艺是生产实际中急需解决的问题。

经对现有技术文献的检索发现，徐文骥等人在《航空制造技术》2011年11卷上撰文“微小孔电化学去毛刺试验研究”，该方法是将电能与化学能相结合对溶解阳极金属进行去毛刺的方法，将工件与电源的正极相连，构成阳极，工具与电源的负极相连，构成阴极，两极之间保持一定的加工间隙，其间充满流动的电解液，当接通电源后，电化学反应开始进行。加工时，在工件的阳极表面会有氧化膜形成，它可以在一定程度上保护工件阳极。毛刺等凸出部位电流密度较为集中且氧化膜受电解液冲刷作用容易被剥落去除。但这种方法容易破坏针阀微观形貌，降低表面质量。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种针阀棱边无毛刺加工工艺，基于超声波椭圆振动附加在加工针阀的刀具上，使针阀棱边微观形貌精度和表面质量眀显提高，而且还能提高针阀使用性能，满足实际工程要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)将镗刀杆一端与具有二维相位可调、振幅可调的超声波换能器相连，将镗刀固定在镗刀杆另一端；

(2)在超声波换能器上加上正弦波电压，使得超声波换能器发生伸缩，产生二维弯曲振动；

(3)通过调节二维弯曲振动的相位差，在镗刀的刀刃上得到不同方位的超声椭圆振动轨迹；

(4)将超声波换能器固定在刀架上，随滑板进行轴向和径向进给运动，实现针阀内孔超声波椭圆振动镗削加工。

所述的镗刀杆使弯曲振动增大，在镗刀刀刃处达到长轴10μm、短轴5μm、夹角45°、谐振频率20.5kHz的超声椭圆振动。

本发明的有益效果是：将超声波椭圆振动附加在镗削刀具上的加工过程与将超声波直线振动附加在镗削刀具上的加工过程一样都具有分离特性，不同的是后者仅是刀具前刀面与切屑分离，而镗刀后刀面与工件是不分离，而前者不仅是镗刀前刀面与切屑分离，且刀具后刀面与工件也分离，能有效地减少刀具后刀面的摩擦。另外，将超声波椭圆振动附加在镗削刀具上的加工过程还具有另一个重要特性，即镗削刀具前刀面与切屑之间的摩擦力方向具有反转特性，这导致径向镗切力在一个切削周期内出现负值，使平均径向镗削力大幅度地减小，特别是径向镗削力的平均值接近于0。这使将超声波椭圆振动附加在镗削刀具上加工过程的针阀棱边变形区的压应力和弯曲应力远小于普通切削时的针阀棱边变形区的压应力和弯曲应力，这表明将超声波椭圆振动附加在镗削刀具上能抑制针阀棱边毛刺的产生，实现针阀棱边无毛刺加工工艺。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明是通过以下技术方案实现的：本发明在针阀内孔镗削加工中，使镗刀杆产生长轴：10μm、短轴：5μm、夹角：45°、谐振频率：20.5kHz左右的椭圆振动。本发明具体步骤如下：

(1)将镗刀杆一端与具有二维相位可调、振幅可调的超声波换能器相连；

(2)在超声波换能器上加上正弦波电压100伏，使得超声波换能器发生伸缩，产生二维弯曲振动；

(3)通过镗刀杆使弯曲振动进一步增大，达到长轴10μm、短轴5μm、夹角45°、谐振频率20.5kHz左右的超声椭圆振动；

(4)将镗刀固定在镗刀杆另一端，超声椭圆振动在镗刀处达到最大；

(5)通过调节二维弯曲振动的相位差，在镗刀的刀刃上得到不同方位的超声椭圆振动轨迹；

(6)将超声波换能器固定在刀架上，这样镗刀不仅作椭圆振动，而且还随滑板进行轴向和径向进给运动，实现针阀内孔超声波椭圆振动镗削加工。

本发明当镗削切削刀刃在水平方向上的椭圆振动最大速度大于切削速度时，镗刀前刀面与切屑和工件均发生分离，通常要把加工条件设定满足这一条件，因此，超声波椭圆振动镗削是一种周期性断续的切削方法；在每一个切削周期刚开始后，椭圆振动刀具在垂直方向上的振动速度小于切屑流出速度，刀具前刀面与切屑之间的摩擦力方向与切屑流出方向相反，阻碍切屑流出；这之后，椭圆振动刀具在垂直方向上的振动速度逐渐增大，当该方向的振动速度大于切屑流出速度时，刀具前刀面与切屑之间的摩擦力方向发生反转，与普通切削和超声波直线振动切削时不同，这时摩擦力的方向与切屑流出方向相同，促进切屑流出，导致了背向切削力在一个切削周期内出现负值，使平均背向切削力大幅度地减小，能有效地抑制针阀内孔镗削中针阀棱边处毛刺的产生，针阀棱边微观形貌精度和表面质量得到眀显改善，能实针阀棱边无毛刺精密镗削加工。

本发明通过一个正负脉冲函数h(t)表征针阀内孔分离型超声波椭圆振动镗削过程：

式中：

t表示加工时间；

t_b表示在一个振动镗削周期内切削开始时刻；

t_i表示在每一镗削周期中镗刀前刀面与切屑之间的摩擦力方向发生反转开始时刻；

t_e表示在一个振动镗削周期内切削终了时刻；

T表示椭圆振动周期；

n＝0，1，2……；

本发明通过表征针阀内孔分离型超声波椭圆振动镗削过程的这个正负脉冲函数和切削加工力学，表征针阀内孔分离型超声波椭圆振动镗削时针阀棱边变形区的压应力和弯曲应力方程。

压应力方程：

式中，t_c1、t_c2表示在一个椭圆振动周期内椭圆振动切削纯的切削时间，t_c1＝t_i－t_b，t_c2＝t_e－t_i，k_evc表示切削常数，Ψ表示刀具接近角，v_c表示切屑流出角，s表示进给量，ω_u表示椭圆振动角频率，ω_u＝2πf，f表示椭圆振动频率。

弯曲应力方程：

式中，b表示弯曲截面宽度，h表示弯曲截面宽度，a_p表示切削深度，l表示切削刃在工作平面投影长度。

压应力和弯曲应力方程表征了超声波椭圆振动镗削过程中的分离特性和摩擦方向反转特性对抑制毛刺产生有重要的影响。

结合本发明方法的内容提供以下切削加工实验结果。工件材料：高温合金；刀具材料：硬质合金；主偏角：25°；刀尖圆弧半径：0.1mm；振动条件：轨迹为椭圆(长轴：10μm，短轴：5μm，夹角：45°)，谐振频率为20.8kHz。

(1)给两维超声波换能器两片压电陶瓷片加上正弦波电压，这两片压电陶瓷发生伸缩，刀具固定在声波椭圆振动镗刀杆端部，刀具刀刃在此处达到最大的椭圆振动轨迹.设定主轴转速为40rev./min，进给量为0.025mm/rev，切削深度为0.03mm时，切削实验测试和分析结果为：针阀内孔R_a内＝0.18μm，圆度：0.53μm，圆柱度：2.5μm，棱边无毛刺。

(2)同样在两维超声波换能器两片压电陶瓷片加上正弦波电压，这两片压电陶瓷发生伸缩，刀具固定在声波椭圆振动镗刀杆端部，刀具刀刃在此处达到最大的椭圆振动轨迹.设定主轴转速为50rev./min，进给量为0.025mm/rev，切削深度为0.03mm时，切削实验测试和分析结果为：针阀内孔R_a内＝0.2μm，圆度：0.78μm，圆柱度：3.52μm，棱边光滑无毛刺。

(3)给两维超声波换能器两片压电陶瓷片加上正弦波电压，这两片压电陶瓷发生伸缩，刀具固定在声波椭圆振动镗刀杆端部，刀具刀刃在此处达到最大的椭圆振动轨迹.设定主轴转速为40rev./min，进给量为0.015mm/rev，切削深度为0.02mm，时，切削实验测试和分析结果为：针阀内孔R_a内＝0.26μm，圆度：1.08μm，圆柱度：3.8μm，棱边光滑无毛刺。

以上结果表明：本发明的超声波椭圆振动抑制针阀棱边毛刺产生的方法，使针阀棱边变形区的压应力和弯曲应力大幅减小。通过实际观察得知：当刀具上附加上椭圆振动后，工件表面粗度降低、形状精度明显提高、棱边光滑无毛刺，表明将超声波椭圆振动附加在镗削刀具上能抑制针阀棱边毛刺的产生，实现针阀棱边无毛刺加工工艺。

Claims (1)

1.一种针阀棱边无毛刺加工工艺，其特征在于包括下述步骤：

(1)将镗刀杆一端与具有二维相位可调、振幅可调的超声波换能器相连，将镗刀固定在镗刀杆另一端；

(2)在超声波换能器上加上正弦波电压100伏，使得超声波换能器发生伸缩，产生二维弯曲振动；

(3)通过镗刀杆使弯曲振动进一步增大，在镗刀的刀刃处达到长轴10μm、短轴5μm、夹角45°、谐振频率20.5kHz的超声椭圆振动；将镗刀固定在镗刀杆另一端，超声椭圆振动在镗刀处达到最大；通过调节二维弯曲振动的相位差，在镗刀的刀刃上得到不同方位的超声椭圆振动轨迹；其中针阀内孔分离型超声波椭圆振动镗削时针阀棱边变形区的压应力和弯曲应力方程为：

压应力方程：

式中，t_c1、t_c2表示在一个椭圆振动周期内椭圆振动切削纯的切削时间，t_c1＝t_i－t_b，t_c2＝t_e－t_i，k_evc表示切削常数，Ψ表示刀具接近角，v_c表示切屑流出角，s表示进给量，ω_u表示椭圆振动角频率，ω_u＝2πf，f表示椭圆振动频率；

弯曲应力方程：

式中，b表示弯曲截面宽度，h表示弯曲截面宽度，a_p表示切削深度，l表示切削刃在工作平面投影长度；

(4)将超声波换能器固定在刀架上，随滑板进行轴向和径向进给运动，实现针阀内孔超声波椭圆振动镗削加工。