CN107442873A - 一种超声振动辅助螺旋铣磨螺纹方法 - Google Patents

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Abstract

本发明方法提供的一种超声振动辅助螺旋铣磨螺纹方法，属于机械加工及工具技术领域，该方法采用仿形砂轮刀具，该刀具通过超声振动刀柄安装在超声加工机床主轴上；该方法采取刀具轴线与螺纹孔轴线中心平行，且仿形砂轮刀具的自转、仿形砂轮刀具绕螺纹孔轴线的公转和仿形砂轮刀具轴向给进、以及仿形砂轮刀具随超声振动刀柄的轴向振动四种运动复合而成的螺旋铣削方式。本发明能够有效降低硬脆难加工材料在螺纹加工过程中的切削力，避免丝锥因强度不足在攻丝过程中发生折断而使零件报废，提高螺纹加工质量和加工效率，改善刀具磨损。

Description

一种超声振动辅助螺旋铣磨螺纹方法
技术领域
本发明属于机械加工及工具技术领域，更具体地，涉及一种超声辅助螺旋铣磨螺纹方法。
技术背景
以光学玻璃、碳化硅陶瓷、高体积分数颗粒增强金属基复合材料为代表的硬脆难加工材料由于优良的物理、化学及力学性能，被广泛应用于航空航天、光学元件、汽车、电子封装等领域。螺纹连接是一种应用十分广泛的零件连接方法，而对于硬脆难加工材料，由于材料本身的高脆性和高硬度，其螺纹加工十分困难。
目前螺纹零件加工的方法主要有丝锥攻丝和铣削加工。对于高硬度、高脆性的材料，传统的攻丝方法所使用的高速钢丝锥、硬质合金丝锥等，在加工过程中不仅存在丝锥磨损快、加工精度低等问题，而且因扭矩过大常使丝锥折断造成贵重零件报废。若采用手动攻丝，不仅生产效率低，而且浪费大量人力和资金。螺纹铣削加工，虽然对于一般金属材料，所加工的螺纹尺寸精度较高，但对于硬脆难加工材料，其刀具磨损十分严重，导致加工精度迅速降低。另外，也常采用预置件法、焊接法和粘接法等将加工好的螺纹金属件镶嵌在硬脆难加工材料上，但对于这些异种材料连接，其温度的适应性较差，工艺复杂，费用较高。对于陶瓷等硬脆材料，也采用螺纹成形磨削加工方法(如中国专利CN201210494730.2，一种硬脆材料小孔螺纹成形磨削方法)。该方法采用盘状成型砂轮；采取刀轴与孔轴中心平行、盘状成型砂轮的自转、盘状成型砂轮绕孔轴的公转和盘状成型砂轮轴向进给三种运动复合而成的螺旋磨削方式。该方法采取螺旋铣削方式加工成形，主轴转速在1000r/min～30000r/min，根据硬脆难加工材料的性质、螺纹大小及加工要求选择其他加工参数，如原理性误差值δ满足如下公式：
其中，δ为原理性误差值，δ0为实际加工误差阈值，D为标准内螺纹公称直径，P为螺距。
理论上，盘状成型砂轮螺旋磨削螺纹孔时，只有当刀盘倾斜安装且倾斜角度等于螺纹角度时，加工不会产生干涉，即不会产生原理性误差。但是由于机床结构、工件结构和操作等方面的限制，尤其是加工小孔螺纹，刀具倾斜加工较难实现，因此生产实践中很少采用刀盘倾斜的加工方式。若采用刀轴与孔轴中心平行的方式加工，因盘形刀具在沿螺旋轨迹加工，砂轮与已加工螺纹表面必然存在干涉导致螺纹形状超差，即产生原理性误差。但该方法采用的盘状砂轮截型修整较为复杂，砂轮上磨粒磨损较为严重，对脆性很高的材料，加工后材料中易产生微裂纹，影响零件的使用寿命。
近年来，特种加工技术在硬脆难加工材料中得到了广泛的应用，如激光加工、电火花加工、高压磨料水射流加工、超声辅助振动加工等。其中超声辅助振动加工，不受材料热电特性限制，在加工过程中，切削力小，切削温度低。其独特的断续加工工艺，使得其对加工后材料的组织影响很小，这对于提高硬脆难加工材料零件的使用可靠性，具有极为重要的意义。但目前仍未被运用在硬脆难加工材料的螺纹加工领域。
发明内容
本发明的目的是为了解决硬脆难加工材料丝锥磨损快、折断导致零件报废和加工效率低等问题，提供一种超声振动辅助螺旋铣磨螺纹方法，本发明主要用于硬脆难加工材料的螺纹加工，该加工方法可以有效降低加工过程中的切削力，提高螺纹加工质量和加工效率，改善刀具磨损。
本发明采用的技术方案是：
一种超声振动辅助螺旋铣磨螺纹方法，其特征在于，该方法采用仿形砂轮刀具，该刀具通过超声振动刀柄安装在超声加工机床主轴上；刀具轴线与被加工工件的螺纹孔轴线中心平行，该方法采取仿形砂轮刀具的自转、仿形砂轮刀具绕螺纹孔轴线的公转和仿形砂轮刀具轴向给进、以及仿形砂轮刀具随超声振动刀柄的轴向振动四种运动复合而成的螺旋铣削方式。
可选地，以所述螺旋铣削方式加工过程中，工件固定不动，刀具在自转的同时，以偏心距e沿螺纹孔轴线以螺旋轨迹公转；其中，偏心距e，螺距P、仿形砂轮刀具轴向进给速度Vf和公转速度ω，以及刀具中部刀杆的直径d分别满足公式(1)～(3)要求：
d＜D1，且
式中，D为标准内螺纹公称直径，Ds为刀具头部仿形砂轮直径，DS<D1；D1为标准内螺纹小径D1。
可选地，该方法进行螺纹加工时，螺纹尺寸产生的原理性误差δ满足公式(4)要求：
式中，η为刀具头部仿形砂轮直径DS与标准内螺纹公称直径D的比例系数，即DS＝ηD；A为刀具随超声振动刀柄振动的振幅。
本发明的特点及有益效果：
超声振动作用的引入，能够有效降低硬脆难加工材料在螺纹加工过程中的切削力，避免丝锥因强度不足在攻丝过程中发生折断而使零件报废；加工过程中刀具的进给速度可以得到有效提高，能够进一步提高加工效率，刀具磨损情况也有所改善；超声振动加工工艺可以减少硬脆材料加工表面的微裂纹,能够提高硬脆难加工材料零件的使用可靠性；另外，同一型号的超声振动辅助铣磨刀具可以加工多种直径系列的螺纹，适合小批量多品种的加工需求。
附图说明
图1为本发明的超声振动辅助螺旋铣磨螺纹方法原理示意图；
图2为本发明中所涉及的刀具头部仿形砂轮的截面形状示意图；
图3为本发明中所涉及的刀具与超声振动刀柄连接的方式示意图；
图中：1超声加工机床主轴；2超声振动刀柄；3仿形砂轮刀具；4工件；5偏心距；6刀具公转运动；7刀具超声振动；8主轴旋转运动；9刀具的刀杆直径；10金刚石磨粒；11刀具头部仿形砂轮直径；12螺纹公差带；13刀具实际外轮廓；14刀具端部锥面；15刀具端部螺纹；16中心冷却孔；17刀具端部直杆。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案详细说明如下：
本发明提出的一种超声振动辅助螺旋铣磨螺纹方法，其原理图如图1所示，该方法采用仿形砂轮刀具3，该刀具通过超声加工机床的超声振动刀柄(本发明所采用的常规的超声加工机床)2安装在超声加工机床主轴1上；刀具轴线与被加工工件的螺纹孔轴线中心平行，该方法采取仿形砂轮刀具3的自转(如图1中所示箭头8)、仿形砂轮刀具3绕螺纹孔轴线的公转(如图1中所示箭头6)和仿形砂轮刀具3轴向给进、以及仿形砂轮刀具3随超声振动刀柄2的轴向振动(如图1中所示箭头7)四种运动复合而成的螺旋铣削方式。
所述仿形砂轮刀具3根据所需螺纹的尺寸和加工精度要求，以及该仿形砂轮刀具与超声振动刀柄2的连接方式进行选取。
在螺旋铣削加工过程中，工件固定不动，刀具在自转的同时，以偏心距e(即图1中所示附图标记5)沿螺纹孔轴线以螺旋轨迹公转(即刀具轴线与刀具所加工螺纹孔的中心轴线不重合)；其中，偏心距e，螺距P、仿形砂轮刀具轴向进给速度Vf和公转速度ω，以及刀具中部刀杆的直径d(如图2(a)中所示附图标记9)分别满足公式(1)～(3)要求：
d＜D1，且
式中，D为标准内螺纹公称直径，Ds为刀具头部仿形砂轮直径(如图2(a)中所示附图标记11)；D1为标准内螺纹小径D1；
所述仿形砂轮刀具3头部的仿形砂轮如图2(a)所示，刀具3头部的仿形砂轮截面形状与标准螺纹形状相匹配，图2(a)中所示α即为螺纹的牙型角。刀具3头部的仿形砂轮表面镀有金刚石磨粒10，刀具上的金刚石粒度选择根据材料的硬度及脆性性质及螺纹加工精度要求，磨粒粒度范围在100/120～270/325。所选择的金刚石粒度越大，对于高硬度材料切削能力越好；然而粒度越大，螺纹加工精度就越难保证。另外，刀具头部基体尺寸需要考虑磨粒镀层厚度，金刚石磨粒越大，需要预留的尺寸就越大，才能保证刀具头部仿形砂轮的实际外轮廓13落在螺纹公差带12内，如图2(b)所示。精加工时，磨粒宜选用细磨料，以保证尺寸及其精度的可靠性。在设计时，刀具头部仿形砂轮的直径DS小于标准内螺纹小径：DS<D1；刀杆在加工过程中不能碰到内螺纹小径D1，因此刀杆直径d应满足：e+d/2<D1。
所述仿形砂轮刀具3与超声振动刀柄2的连接方式如图3所示，包括：刀具连接端采用锥面截型14与超声振动刀柄2连接，如图3(a)所示；采用螺纹15与超声振动主轴刀柄2连接，如图3(b)所示；刀具连接端采用杆状截型17，通过弹簧卡套与超声振动刀柄2连接，如图3(c)所示。不能因为具体连接方式的不同而影响对本发明的保护。
所述仿形砂轮刀具3沿其轴向设有中心冷却孔16，用于切削液的流出，一方面可以冲刷和排除切屑，冷却切削区域；另一方面可以冷却超声振动引起的超声振动刀柄内部发热。
理论上，本发明在使用仿形砂轮刀具进行加工螺纹时，螺纹尺寸会产生一定的误差，称为原理性误差δ，δ至少应当控制在允许的加工误差δ0的三分之一以内，满足公式(4)要求：
式中，η为刀具头部仿形砂轮直径DS与标准内螺纹公称直径D的比例系数，即DS＝ηD；A为刀具随超声振动主轴刀柄振动的振幅。
实施例：对体积分数为63％的碳化硅颗粒增强铝基复合材料进行M10螺纹加工，加工螺纹精度要求为6H。
根据实施例要求可知，M10内螺纹公称直径D为10mm，螺距P选择1.5mm，螺纹小径D1可选择为8.6mm。刀具头部的仿形砂轮选择粒度为200/230的金刚石磨粒电镀在其表面，刀具头部仿形砂轮直径Ds选择8.3mm，刀具中部刀杆的直径d选择4mm，刀具与超声振动刀柄的连接方式采用锥面截型连接方式，刀具轴向的中心冷却孔直径为2mm，刀具末端振幅A保持在5～7μm。将本实施例仿形砂轮刀具通过超声加工机床的超声振动刀柄安装在DMG公司生产的Ultrasonic 50超声加工机床主轴上，机床主轴转速即公转速度ω选择5000r/min，刀具轴向进给速度Vf为6mm/min。开启超声振动功能，则按仿形砂轮刀具的自转、仿形砂轮刀具绕螺纹孔轴线的公转和仿形砂轮刀具轴向给进、以及仿形砂轮刀具随超声振动刀柄的轴向振动四种运动复合而成的螺旋铣削方式进行螺纹加工。在加工过程中，相比普通铣磨螺纹加工，切削力降低幅度超过70％。

Claims (7)

1.一种超声振动辅助螺旋铣磨螺纹方法，其特征在于，该方法采用仿形砂轮刀具，该刀具通过超声振动刀柄安装在超声加工机床主轴上；刀具轴线与被加工工件的螺纹孔轴线中心平行，该方法采取仿形砂轮刀具的自转、仿形砂轮刀具绕螺纹孔轴线的公转和仿形砂轮刀具轴向给进、以及仿形砂轮刀具随超声振动刀柄的轴向振动四种运动复合而成的螺旋铣削方式。
2.根据权利要求1所述的螺旋铣磨螺纹方法，其特征在于，所述仿形砂轮刀具根据所需螺纹的尺寸和加工精度要求，以及该仿形砂轮刀具与超声振动刀柄的连接方式进行选取。
3.根据权利要求1所述的螺旋铣磨螺纹方法，其特征在于，以所述螺旋铣削方式加工过程中，工件固定不动，刀具在自转的同时，以偏心距e沿螺纹孔轴线以螺旋轨迹公转；其中，偏心距e，螺距P、仿形砂轮刀具轴向进给速度Vf和公转速度ω，以及刀具中部刀杆的直径d分别满足公式(1)～(3)要求：
<mrow> <mi>e</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>D</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>D</mi> <mi>S</mi> </msub> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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d＜D1，且
式中，D为标准内螺纹公称直径，Ds为刀具头部仿形砂轮直径，DS<D1；D1为标准内螺纹小径D1。
4.根据权利要求1所述的螺旋铣磨螺纹方法，其特征在于，所述仿形砂轮刀具，该刀具头部的仿形砂轮表面镀有金刚石磨粒，磨粒粒度范围为100/120～270/325。
5.根据权利要求2所述的螺旋铣磨螺纹方法，其特征在于，所述仿形砂轮刀具与超声振动刀柄的连接方式包括：采用锥面截型与超声振动刀柄连接；刀具连接端采用螺纹与超声振动刀柄连接；刀具连接端采用杆状截型，通过弹簧卡套与超声振动刀柄连接。
6.根据权利要求1所述的螺旋铣磨螺纹方法，其特征在于，所述仿形砂轮刀具沿其轴向设有中心冷却孔，用于切削液的流出。
7.根据权利要求3所述的螺旋铣磨螺纹方法，其特征在于，该方法进行螺纹加工时，螺纹尺寸产生的原理性误差δ满足公式(4)要求：
<mrow> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>=</mo> <mi>A</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>P</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> </mfrac> <mi>arcsin</mi> <msqrt> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>D</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;eta;</mi> <mi>D</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>D</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <msup> <mi>&amp;eta;D</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>D</mi> <mo>-</mo> <mn>1.0825</mn> <mi>P</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mi>D</mi> <mo>-</mo> <mn>1.0825</mn> <mi>P</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </msqrt> <mo>&amp;le;</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>3</mn> </mfrac> <msub> <mi>&amp;delta;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中，η为刀具头部仿形砂轮直径DS与标准内螺纹公称直径D的比例系数，即DS＝ηD；A为刀具随超声振动刀柄振动的振幅。
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