CN107775064B - 一种基于扭转超声振动的单刃侧向铣削方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于扭转超声振动的单刃侧向铣削方法：超声单刃侧铣装置由机床主轴带动其旋转，工件装在机床工作台上实现进给，加工时始终保持刀头与加工面法向接触，刀头与工件接触点回转半径小于工件上该接触点的曲率半径，振动方向是单刃铣刀回转的切线方向，实现扭转超声振动下的单刃侧向铣削模式。方法新颖，结构独特，使得本发明工艺实用、可靠性高。使得超声单刃侧铣装置结构简化，尺寸减小，方便安装。本发明改善单刃铣切削冲击，适应窄深结构铣削，克服声振系统频率飘移，免去声振系统散热。并且能在普通工艺条件下解决高硬度高精度复杂侧凹曲面铣削难题和高硬度变螺距螺旋槽铣削难题，应用前景广阔。

Description

一种基于扭转超声振动的单刃侧向铣削方法

技术领域

本发明属于超声加工新技术领域，具体涉及一种基于扭转超声振动的单刃侧向铣削方法，是一种集超声加工和单刃铣削双重优点的单刃侧铣模式。

背景技术

由于零部件结构或是工艺上的要求等等原因，往往需要用到单刃侧向铣削方法，尤其是三轴连动铣削整体式零部件较深侧凹部位的时候。

与一般的铣削不同，单刃铣一般采用的是非标准刀具而不是标准铣刀或成形刀，具体到单刃侧向铣削时，通常是自制刀具，比如车刀(方刀杆)横向装在开有方孔的圆柱刀杆上(车刀垂直于圆柱刀杆，车刀刀头的刀尖必须与圆柱刀杆的轴线共面)，铣床主轴带动圆柱刀杆旋转，从而实现车刀刀头绕铣床主轴回转，若机床带动工件移动进给，就实现了单刃侧向铣削，主轴回转一转，刀头只切削一次，是断续冲击切削，可加工较深的侧凹结构。

单刃铣削由于工艺简单、也不一定需要成形刀，在立式三轴铣床上就可进行，投入少、易于实现，常常被人们所采用，特别是单刃铣遍要铣的部位，加工面上各点加工条件(切削力、刀具刚性等等)一致，没有刀刃之间的制造和调整误差，又没有刀刃之间的刀痕干涉，且单刃铣排屑比多刃铣要好的多，因而加工部位纹理流线更加流畅，表面质地均匀，表面质量更好，反而更易保证加工精度。在工艺条件有限而加工面要求高时，单刃铣削比多刃铣削更有优势。

特别要指出的是立式三轴侧向铣削螺旋槽是有加工原理误差的，因为铣刀回转方向是水平的，也就是说铣刀瞬时切削方向并不与螺旋面的切线方向一致，有加工原理误差，螺距大和刀具尺寸大时更为明显，单刃铣和多刃铣都存在这个误差，一般都是通过减小刀具轴向进给速度和提高铣刀转速来逼近。

由于同一时刻刀具只能有一个轴向进给速度，因而多刃铣无法加工变螺距不等深的螺旋槽，而单刃铣只需考虑一个切削刃的轴向进给速度，可以加工变螺距的螺旋槽。

可见，由于刀具结构不同、铣削特点不同、应用场合有差异，单刃铣削是一种单独存在的铣削模式(就象键槽刀因底刃过中而不同于普通立铣刀)，是一种简练而应用较广的工艺。

然而单刃铣削也有加工效率低、刀头冲击大，刀杆瞬时受力不平衡、刀杆机械振动大等缺点；又，因强度和刚度原因，横向刀杆和刀头的尺寸不能小，不能适应窄而深的沟槽铣削；而且，宽大的刀头铣削螺旋槽时加工原理误差也更大。

不仅如此，若是对那些高硬度难加工且较深的侧凹结构进行加工时，单刃铣削的缺点还将得到放大，尤其是刀头冲击磨损、刀杆瞬时受力不平衡、刀杆刚性差、刀杆机械振动大等缺点放大明显，从而降低加工质量，甚至使加工无法进行。

这一方面是因为高硬度难加工材料加工时瞬间切削力更大，刀头磨损严重；另一方面是因为铣侧凹结构时单刃侧铣往往需要装横向刀杆，刀杆刚性更差，机械振动更严重。这就降低了人们对单刃铣削工艺的探索和研究、改进和提高的热情，长期被人们忽视和遗忘。

但科研和生产中需要解决类似这种高硬度高精度侧凹结构工件铣削问题，比如在高硬度工件上铣削螺纹(有些还是变螺距的)、侧凹沟槽、侧凹轨道等(内曲线液压泵定子轨道就是一例，方向机上的变螺距不等深异形螺杆又是一例)。目前采用的磨或铣等方法(往往要投入多轴机床和成形刀)也都难于胜任。究其原因主要是材料硬度高(甚至无法加工)、工艺复杂、工装设备投入大等。因此迫切需要提出一种简练而行之有效的解决方案，

如前所述，单刃侧向铣削方法有工艺简练、无刀刃调整误差、各部位加工条件一致等优点，但缺点是刀杆瞬时受力不平衡和刀杆刚性差引起刀具机械振动，对硬材料加工更是明显。然而超声加工是应对高硬度材料加工的有效手段，超声加工可有效降低刀具切削力，减小刀头冲击，正好部分弥补单刃切削时由于切削力不平衡带来的机械振动；另外出于对超声传输方面的考虑，若将常见的单刃侧铣横向刀杆改成圆形薄片，这又正好弥补单刃切削时刀杆刚性的不足。

正是因为超声加工有效降低刀具切削力，减小刀头冲击，也就有条件将单刃铣刀设计成圆形薄片的圆周上固结小刀头而不用担心强度和刚度。

反过来，由于单刃铣削功率较低，小刀头铣削功率更低，因而更不需要考虑声振系统的冷却(如超声加工常见的水冷或风冷)仍可保证声振系统的可靠性，大大简化声振系统，大大提高超声铣刀装在机床主轴的可行性，也就是说，更有条件将超声振系统装在单刃铣刀上。

就铣削螺旋槽而言，若工件硬度高，就不得不加强刀头和横向刀杆，这样前面提到的加工原理误差就将变大，但如前所说，若有超声辅助，并将单刃铣刀设计成圆形薄片的圆周上固结小刀头来减小刀具尺寸，从而可以更好地抑制加工原理误差。

不仅如此，小刀头切削刃窄，本身也降低切削冲击，刀痕变细，单个刀刃无切削干涉，若刀路设计合理就可使加工面表面纹理更加细密流畅。

由于科学技术的进步，目前国内已经具有较为成熟的超声发生器、换能器和声振系统，这也就为超声加工应用到单刃侧向铣削创造了条件，更为重要的是利用超声加工可以有效应对那些难于加工材料的加工问题。

可见，将超声加工与单刃侧铣结合起来不但是有必要的，而且是有可能的。

当然，超声加工应用到单刃铣削也有要解决的问题，比如如何提高超声传输效率和和如何保证更换刀头后声振系统仍处于共振或接近共振状态。尤其是单刃侧向铣削一般有横向刀杆保证起来更有困难。前者主要是设计和制造高效的声振系统，简化超声传输环节，提高连接可靠性。后者除要求超声波发生器能对声振进行频率跟踪外，还要靠单刃侧向铣刀、换能器及变幅杆等组成的声振系统有效的匹配，也就是说只要处理得当，超声加工应用到单刃铣削的问题是可以解决的。

本发明将超声加工工具设计成薄圆片圆周固结单个小刀头、薄圆片与变幅杆锥螺纹连接、薄圆片设过渡圆弧、复合式变幅杆等等就是基于这些考虑。

此外，考虑到超声在切削加工中的巨大优势，也有必要大力研发简练而可行的声振系统及刀具，拓展超声加工应用领域。特别是在国内至今还难于找到市场化的超声加工机床情况下，如何实现工具与超声系统之间的有效连接及耦合并平稳传递超声能量，也正是当今旋转超声加工重要研究热点之所在。

超声应用到加工最早最广泛的是磨料冲击加工，后来又发展出超声铣削、超声磨削、超声车削、超声焊接、超声光整加工……等等加工，已有的超声铣研究都是集中在普通铣与超声结合，很少考虑超声振子散热和可靠性，很少考虑超声铣刀的可安装性(超声铣刀装上机床主轴的可行性)，很少有将超声应用到单刃铣的报道。没有考虑超声应用到单刃铣削这一铣削模式，也没有考虑单刃侧向铣的特殊性，更没有考虑到超声单刃侧向铣削较大深度侧凹结构的情况，尤其是没有考虑到高硬度变螺距螺旋槽这一类的加工模式。

当前，工业生产飞速发展，具备高硬度、高脆性、高强度、高熔点等特性的新材料层出不穷，各种结构复杂和工艺要求特殊的加工零部件大量涌现，若仍然采用单独的机械加工方法显然是难于进行加工或是无法进行加工，并且也是不明智的，除进一步完善机械加工方法外，还应发展新的工艺手段，尤其是那些工艺简单且相对成熟的先进工艺方法。

本发明正是基于这些思路而提出，顺应了切削加工的当前发展方向；所构建的扭转超声振动单刃侧向铣刀对超声加工和发展也是有力的推动，更为高硬度难加工的较大侧深结构加工提供了突破。能利用简单工艺解决高硬度变螺距螺旋沟槽的铣削难题。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出一种基于扭转超声振动的单刃侧向铣削方法，改善单刃铣的切削冲击，免去超声振子的频率匹配，免去超声振子散热装置，减小刀头尺寸，适应窄深侧凹结构加工，应对高硬度材料加工。能解决在普通工艺条件下加工高硬度高精度复杂侧凹曲面的难题，能解决高硬度高精度变螺距螺旋槽铣削的难题，

本发明所采用的技术方案是：超声单刃侧铣装置由机床主轴带动其旋转，工件装在机床工作台上实现进给，加工过程中始终保持单刃铣刀头与工件加工面法向接触，并保证单刃铣刀头与工件的接触点回转半径小于工件该接触点的曲率半径，使加工免于失真，超声振动方向是单刃铣刀回转的切线方向，实现扭转超声振动下的单刃侧向铣削模式。

进一步地优选，所述超声单刃侧铣装置，包括引电装置、集电环、换能器、支承套、变幅杆和单刃铣刀等，其中，该单刃铣刀是一圆片，圆片的圆周上固定有单个刀头。单刃铣刀通过锥螺纹连接在变幅杆末端，连接处圆片设有倒圆角过渡。

变幅杆在波节平面处设有安装法兰，圆片与安装法兰相距四分之一波长，该法兰装于支承套底部的定位止口内，波节平面处超声振幅几乎为零，防止超声振动传给支承套。通过锁紧螺母和压紧环将安装法兰锁紧在支承套内，且安装法兰和定位止口之间设有防转销，依靠防转销实现变幅杆的圆周定位，即防转销阻止变幅杆在支承套中旋转位移，从而确定单刃铣刀刀头的轴向和圆周方向的位置，使单刃铣刀工作可靠。

由于圆片设于变幅杆四分之一波长的波腹平面位置，这一位置超声振幅较大，利于保证超声加工效率，利用这一长度还可适应在工件不同高度位置铣削的要求。

连接在变幅杆上的换能器位于支承套内，免于外部接触，操作安全。换能器通过内引电线、集电环、引电装置与超声波发生器接通，实现单刃铣刀回转状态下的超声信号输入。

进一步地优选，所述单刃铣刀头随加工对象不同而变化，加工侧凹曲面时使用球形刀刃；而加工侧向沟槽时则使用尖形、锥形或矩形刀刃。

进一步地优选，所述支承套四周开有散热孔，利于换能器散热，保证换能器工作效率高、可靠性好。

进一步地优选，所述支承套上端设有安装柱柄，该安装柱柄与支承套同轴，安装柱柄通过弹簧夹套可实现与机床主轴刀柄的连接。

本发明的有益效果是：

与现有的单刃侧向铣削相比：

1、能加工高硬度难加工的材料，解决高硬度难加工复杂侧凹结构的铣削难题。

2、采用小刀头铣削仍可保证刀头强度，铣削螺旋沟槽或采用螺旋刀路加工时加工原理误差更小。特别是加工窄深螺旋沟槽或螺距较大深螺旋沟槽时。

3、采用小刀头铣削仍可保证刀头强度，加工表面精度更高，纹理更细密清晰，曲面流线更流畅。

4、采用小刀头铣削仍可保证刀头强度，可适应窄而深的侧凹结构铣削。

5、显著降低刀头切削力和切削温度。

6、显著改善单刃侧向铣削刀杆刚性差、瞬间切削力不平衡及由此带来的机械振动，提高加工精度。

与现有其它超声铣削相比：

1、能在三轴铣床上实现高硬度变螺距螺旋槽铣削加工。

2、允许加工过程中采用变螺距的螺旋刀路，拓展了刀具轨迹种类。

3、因加工对象不同更单刃铣刀时，薄圆片圆周固结单个小刀头对谐振频率影响有限，无需为超声振子进行谐振频率匹配。

4、不存在刀刃之间的制造误差、调整误差和磨损误差，单刃铣遍各个被加工处，质量均匀，工艺条件一致，加工表面精度更高，纹理更细密清晰，曲面流线更流畅。

5、切削功率更低，更有利于减小超声换能器负载，免去风冷或水冷散热系统，也有利减小整个超声振动刀具系统的尺寸，从而更方便装在机床主轴上。

6、工艺参数调整更方便，工艺更简单，实施更容易，生产适应性更强。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是单刃铣刀局部放大示意图。

图3是本发明实施例示意图。

图4是本发明实施例刀具轨迹计算参考图。

图示说明：1-引电装置，2-超声波发生器，3-换能器，4-支承套，5-变幅杆，6-工件，7-单刃铣刀，701-圆片，702-刀头，8-压紧环，9-防转销，10-锁紧螺母，11-内引电线，12-集电环，13-内涨自定心夹具；14-滚动体运动轨迹曲线，15-变幅杆回转中心线，16-定子轨道截面圆弧，17-A点法线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

如图1至图3所示，一种基于扭转超声振动的单刃侧向铣削方法，采用单刃侧铣与超声加工相结合的铣削方法，超声单刃侧铣装置包括引电装置1、集电环12、换能器3、支承套4、变幅杆5和单刃铣刀7等。连接在变幅杆5上的换能器3位于支承套4内部，免与外环境直接接触并保证操作安全；换能器3通过内引电线11、集电环12、引电装置1与超声波发生器2接通，实现单刃铣刀回转状态下的超声信号输入。

变幅杆5末端装有单刃铣刀7，单刃铣刀7由圆片701和固定在圆片圆周上的单个刀头702组成，单刃铣刀7通过锥螺纹与变幅杆5连接，圆片上与变幅杆5连接处有倒圆角过渡。因加工对象不同而换刀时圆片701和刀头702一同更换，依靠改变圆片701直径来满足加工时对刀具不同回转半径的要求。而且刀头702随加工对象不同而变化，加工侧凹曲面时使用球形刀刃，而加工侧向沟槽时则使用尖形、锥形或矩形刀刃。

变幅杆5在波节平面处设有安装法兰，该安装法兰装于支承套4底部的定位止口内，通过锁紧螺母10和压紧环8将安装法兰锁紧在支承套4内，且安装法兰和定位止口之间设有防转销9，使变幅杆5相对支承套4圆周定位。单刃铣刀7与变幅杆5的安装法兰之间相距为a，a等于四分之一波长，即单刃铣刀7装在变幅杆5上的波腹平面位置，这一位置超声振幅较大，利于保证超声加工效率；利用这一伸出长度还可适应在工件6不同高度位置铣削的要求。

支承套4四周开有散热孔，有利于散热，提高换能器3的可靠性。支承套4上端设有安装柱柄，该安装柱柄与支承套同轴，安装柱柄通过弹簧夹套与机床主轴刀柄连接，由机床主轴带动其旋转，工件6装在机床工作台上实现进给，加工过程中始终保持单刃铣刀头与工件加工面法向接触，并保证单刃铣刀头与工件的接触点回转半径小于工件上该接触点的曲率半径，使加工免于失真，超声振动方向是单刃铣刀回转的切线方向，实现扭转超声振动下的单刃侧向铣削模式。该铣削模式使得刀头尺寸可以更小，切削力更小，刀痕更细，降低单刃铣因切削力不平衡引起的机械振动，减小单刃铣螺旋槽的加工原理误差。单刃刀头侧向铣遍被铣各处，无刀刃之间的制造、调整和磨损等误差，质量和工艺一致性好，工艺参数调整方便。能应对高硬度难加工材料的加工；能在三轴铣床上实现高硬度较大深度复杂侧凹曲面加工；能在三轴铣床上实现一般铣削及一般超声铣削难以实现的高硬度变螺距不等深螺旋槽铣削加工；也允许采用变螺距螺旋刀路铣削一般工件，且有效抑制加工原理误差。

以下以内曲线液压泵定子轨道加工为例，说明本发明的实施方法。

一，加工要求

定子轨道是内曲线液压泵的一个关键零件，结构上是一个外圆内空的短柱形。短柱内空部分一端配端盖，一端配配流轴，与滚动体(内曲线液压泵的球塞)适配的轨道布置在内部侧壁，轨道环绕侧壁一周，球形滚动体靠转子回转带动，在内曲线轨道上滚动，离心力和轨道两者共同约束滚动体的运动轨迹(一般为双作用或多作用且运动规律较为复杂的规律平面曲线)，定子轨道要求做成整体，轨道曲面精度要求高，表面要求光顺。曲面纹理要求流畅，为了追求耐磨和耐腐蚀，采用的是高硬度难加工的材料(轨道表面甚至喷工程陶瓷)，属高硬度高精度难加工且几何复杂的侧凹曲面加工。滚动体为液压泵中的一个零件，滚动体与定子轨道匹配，滚动体在定子轨道上滚动，滚动体为球时，定子轨道截面为圆弧，滚动体为圆柱时，定子轨道截面为矩形，也就是滚动体界定定子轨道截面形状，定子轨道决定滚动体运动轨迹。

二，加工实施。

以下是本发明在内曲线液压泵定子轨道加工中的实施方案，但本发明实施不限于此。

1机床、刀具和附件：

立式三轴数控铣床。

本发明附加有扭转超声振动的超声单刃侧铣装置，见图1和图2。

2工件安装：

使定子(即工件6)端盖孔(其直径大于配流轴孔)朝上，利用内涨定心夹具13涨紧配流轴孔，将定子安装在机床工作台上。内涨夹具既将工件定位夹紧，又使定子密封成“碗”形，加工时形成一个小切削液池(见图3)。因此，切削液也能得到超声振动，可改善冷却和润滑条件。

1)加工方法

机床主轴带动超声单刃侧铣装置旋转，工作台带动定子水平面内移动，依靠数控插补加工，等高分层侧向铣削轨道曲面，加工时刀具附有扭转超声振动。

2)依据球形刀头与定子轨道曲面法向接触的几何原理，计算刀具轨迹(参考图4)：

设定子轨道中心为O(设为计算原点，建立坐标系)，滚动体半径为R(即定子轨道截面圆弧16半径为R)，滚动体中心(即定子轨道截面圆弧中心)为A，A点在滚动体轨迹曲线14(该曲线是一规律平面曲线)上，可由OA连线与水平轴(X轴)的夹角θ和滚动体运动轨迹曲线参数方程，首先确定A点坐标。

过A点作滚动体运动轨迹的法平面17，该法平面与定子轨道的截交线为一圆弧16(半径即为滚动体半径R)，依照球刀头和定子轨道曲面等高分层线法向接触，作一小圆代表球刀头702(球刀头半径为r)与该圆弧内切，球刀头中心点为C，连接C点和A点，该连线与水平面夹角为β，C点除高度坐标外实际是A点的法向偏置，依此可确定球刀头中心C点坐标。

再保持C点高度坐标不变，将C点坐标法向偏置一个距离(该距离为球刀头中心绕机床主轴的回转半径，回转中心线就是变幅杆回转中心线15)，就可最终确定球刀头回转中心B点坐标。

按上述思路，对A点微分：

求A点法矢：

设C点绕变幅杆中心线15的回转直径为D，要小于等高曲线的曲率半径，保证加工不失真。

则偏置距离

B点坐标可表达为：

而B点Z坐标为Z_B＝(R-r)sin(β)

若固定一个β角和R值而改变θ(从0到360°按一定的θ步距)可计算同一等高分层线上不同的B点坐标；再按一定的β步距改变β，就可计算不同的等高分层线；而改变R可计算不同侧铣深度的等高分层线。B点轨迹就是刀具运动轨迹。

3)工步安排：

A)装夹工件。

B)将焊有单个球刀头702的圆片701旋紧在变幅杆5上。再将扭转超声振动单刃铣刀装置装在机床主轴上，配上引电装置1，连接超声波发生器2等。

C)对刀。

D)启动机床主轴和超声电源，先将刀具定位于定子轨道中心上方，打开冷却液。再下刀到定子轨道中心。

E)先令R＝0，β＝0，使θ从0到360°按步距(θ步距)侧铣定子轨道一周；再使R增加一个步距(R步距)，使β从最大到最小按步距(β步距)进行等高分层切削；逐步增加R……切至最后的侧凹深度。

F)刀具定位于定子轨道中心(坐标原点)，提刀，加工结束。

以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种基于扭转超声振动的单刃侧向铣削方法，其特征在于，包括超声单刃侧铣装置，超声单刃侧铣装置由机床主轴带动其旋转，工件装在机床工作台上实现进给，加工过程中始终保持单刃铣刀头与加工面法向接触，并保证单刃铣刀头上与工件的接触点回转半径小于工件上该接触点的曲率半径，使加工免于失真，超声振动方向是单刃铣刀回转的切线方向，实现扭转超声振动下的单刃侧向铣削模式；所述超声单刃侧铣装置包括引电装置、集电环、换能器、支承套、变幅杆和单刃铣刀，其中，该单刃铣刀是一圆片，圆片的圆周上固定有单个刀头；圆片通过锥螺纹连接在变幅杆末端，圆片连接处设有倒圆角过渡；

变幅杆在波节平面处设有安装法兰，圆片与安装法兰相距四分之一波长，该安装法兰装于支承套下部的定位止口内，通过锁紧螺母和压紧环将安装法兰锁紧在支承套内，且安装法兰和定位止口之间设有防转销，防止变幅杆和支承套之间有相对转动；

换能器通过内引电线、集电环、引电装置与超声波发生器接通，实现单刃铣刀回转状态下的超声信号输入。

2.根据权利要求1所述的基于扭转超声振动的单刃侧向铣削方法，其特征在于，所述支承套四周开有散热孔。

3.根据权利要求1所述的基于扭转超声振动的单刃侧向铣削方法，其特征在于，所述支承套上端设有安装柱柄，该安装柱柄与支承套同轴，安装柱柄通过弹簧夹套实现超声单刃侧铣装置与机床主轴刀柄的连接。

4.根据权利要求1所述的基于扭转超声振动的单刃侧向铣削方法，其特征在于，所述单刃铣刀头随加工对象不同而变化，加工侧凹曲面时使用球形刀刃；而加工侧向沟槽时则使用尖形、锥形或矩形刀刃。