CN108339885B - 拉刀后刀面微纳表面形貌单点增量压印方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了拉刀后刀面微纳表面形貌单点增量压印方法及其装置。在拉刀上开设一定尺寸的微织构可以改善拉刀的磨损状况和应力集中状况。本发明拉刀后刀面微纳表面形貌单点增量压印方法，采用的装置包括底板、第一动力滑台、第二动力滑台、第一支架、第二支架、工作台、液压缸、扫描仪和装夹组件。本发明压印方法如下：一、安装拉刀；二、单点增量压头对准一个待加工拉刀的后刀面；三、单点增量压头在一个后刀面上加工出所需的微织构；四、重复二和三，直至完成所有待加工后刀面的加工。本发明能够在拉刀后刀面上加工出所需形状的微织构，进而大大改善拉刀磨损状况及应力集中状况。

Description

拉刀后刀面微纳表面形貌单点增量压印方法及其装置

技术领域

本发明属于拉刀表面形貌加工技术领域，具体涉及一种拉刀后刀面微纳表面形貌超声驱动单点增量压印方法及其装置。

背景技术

拉削加工作为一种加工范围高，应用范围广，加工操作简便的一种加工方式，被广泛应用于汽车零部件加工，航空航天零部件，发动机和海洋装备等领域。然而，拉削加工过程拉刀的负载较大(>1000N)，容易产生应力集中现象，刀具磨损加剧，加工质量下降。大量科学研究表明，在拉刀上开设一定尺寸的微织构可以改善拉刀的磨损状况和应力集中状况，既能降低磨损性能，同时也降低切削力。因此，研制一种拉刀刀齿表面微观形貌智能制备方法与装置成为一项迫切的需要。然而，拉刀所用材料一般具有高强度、高硬度的特点，常规加工方法难以在拉刀上进行加工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种拉刀后刀面微纳表面形貌超声驱动单点增量压印方法及其装置。

本发明拉刀后刀面微纳表面形貌单点增量压印方法，采用的装置包括底板、第一动力滑台、第二动力滑台、第一支架、第二支架、工作台、液压缸、超声变幅杆、单点增量压头、扫描仪和装夹组件。所述的第一动力滑台包括第一滑轨、第一滑块、第一丝杆和第一电机。所述的第一丝杆支承在第一滑轨上，并与固定在第一滑块上的第一螺母构成螺旋副。所述的第一滑块与第一滑轨构成了滑动副。所述的第一丝杆由第一电机驱动。所述的第一动力滑台共有两个。两个第一动力滑台内的第一滑轨均固定在底板上。

所述的第二动力滑台包括第二滑轨、第二滑块、第二丝杆和第二电机。所述的第二滑轨与两个第一滑块的顶面固定。所述的第二丝杆支承在第二滑轨上，并与固定在第二滑块上的第二螺母构成螺旋副。所述的第二滑块与第二滑轨构成了滑动副。第二丝杆由第二电机驱动。第二丝杆的轴线与第一丝杆的轴线垂直设置。第一丝杆及第二丝杆的轴线均水平设置。所述的工作台固定在第二滑块上。所述的装夹组件包括动挡板、装夹丝杆、手柄杆和定挡板。所述的定挡板固定在工作台上。所述的装夹丝杆与固定在工作台上的第三螺母块构成螺旋副。装夹丝杆的一端与动挡板构成转动副，另一端与手柄杆的一端构成公共轴线垂直于装夹丝杆轴线的转动副。所述的动挡板与工作台构成滑动副。动挡板与定挡板的相对侧侧面平行设置。第一支架及第二支架的底部均固定在底板上。第一支架的顶部固定有液压缸。液压缸的活塞杆外端与超声变幅杆的顶端固定。超声变幅杆的底端与单点增量压头固定。所述的单点增量压头朝向正下方。所述的单点增量压头有三种。三种单点增量压头的外端分别呈半球形、圆锥形、棱锥形。外端呈半球形的单点增量压头的球形直径为d1，100μm≤d1≤10mm。外端呈圆锥形的单点增量压头的锥尖直径为d2，10μm≤d2≤1mm。外端呈棱锥形的单点增量压头的锥尖外接圆直径为d3，10μm≤d3≤1mm。第二支架的顶部固定有扫描仪。扫描仪的扫描头倾斜朝向单点增量压头的下方。

该拉刀后刀面微纳表面形貌单点增量压印方法具体如下：

步骤一、取q把待加工拉刀并排放置到工作台上，q＝7，每把待加工拉刀上有n个待加工后刀面。转动手柄杆，使得动挡板与定挡板夹紧q把待加工拉刀。令i＝1，j＝1。

步骤二、两个第一电机同步转动，第二电机转动，使得第i把待加工拉刀的第j个待加工后刀面到达单点增量压头的正下方。

步骤三、若待加工拉刀的表面形貌的深度小于b，0.05mm≤b≤0.2mm，则将液压缸推出至压头与第i把待加工拉刀的第j个待加工后刀面接触，超声变幅杆启动。

若待加工拉刀的表面形貌的深度大于或等于b，则将液压缸持续进行推出并缩回，使得单点增量压头对第i把待加工拉刀的第j个待加工后刀面进行反复冲压。

两个第一电机同步转动，第二电机转动，使得第i把待加工拉刀的第j个待加工后刀面与单点增量压头的相对位置发生变化，单点增量压头在待加工拉刀后刀面上冲压出预设的凹陷形状。同时，扫描仪持续扫描单点增量压头冲压出的凹陷形状的深度。若第i把待加工拉刀的第j个待加工后刀面上凹陷形状的深度达到预设值后，液压缸停止运动，并进入步骤四。

步骤四、若i＜7，则将i增大1并执行步骤二和三。若i＝7且j＜n，则令i＝1，将j增大1并执行步骤二和三。若i＝7且j＝n，则进入步骤五。

步骤五、转动手柄杆，松开动挡板，取下完成加工的拉刀。

进一步地，所述的第一电机固定在第一滑轨上。第一电机的输出轴与第一丝杆的一端固定。第二电机固定在第二滑轨上。第二电机的输出轴与第二丝杆的一端固定。

进一步地，所述工作台顶面的一端固定有尾部定位块。尾部定位块的定位侧面与动挡板与定挡板的相对侧侧面垂直设置。

进一步地，步骤三中液压缸内的油压为28～30MPa，冲压振幅为0.1～1mm，冲压频率为0～100Hz。超声变幅杆的振动频率为20Hz，振幅为1～10μm。

进一步地，步骤三中所述的预设值在1μm～1000μm之间。

进一步地，所述单点增量压头的外端呈棱柱形、棱台形、圆台形、半球形或锥形。

进一步地，第一动力滑台及第二动力滑台的定位精度均小于0.01mm。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明能够在拉刀后刀面上加工出所需形状的微织构，进而大大改善拉刀磨损状况及应力集中状况。

2、本发明通过单点增量成形的方式进行拉刀后刀面上微织构的加工，能够直接对已经成形的拉刀进行加工，操作十分便捷。

3、本发明通过扫描仪进行微织构深度的检测，进而保证了微织构的加工精度。

4、本发明通过使用不同形状的压头，扩展了加工的形貌范围，球形压头压出的形貌适合粘度较高的切削液，圆锥形次之，棱锥形适用的粘度最低。另外不同形貌功能不同，球型压头加工的形貌利于切削液的存储和刀具的润滑。圆锥形和棱锥形加工的形貌有利于改善刀具磨损情况，减少切削力。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中装夹组件的示意图；

图3为图1中A部分的放大视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

拉刀后刀面微纳表面形貌单点增量压印方法，采用的装置包括底板1、第一动力滑台2、第二动力滑台3、第一支架5、第二支架6、工作台7、液压缸8、超声变幅杆11、单点增量压头12、扫描仪9和装夹组件10。第一动力滑台2包括第一滑轨、第一滑块、第一丝杆和第一电机。第一丝杆支承在第一滑轨上，并与固定在第一滑块上的第一螺母构成螺旋副。第一滑块与第一滑轨构成了滑动副。第一电机固定在第一滑轨上。第一电机的输出轴与第一丝杆的一端固定。第一动力滑台2共有两个。两个第一动力滑台2内的第一滑轨均固定在底板1上，且两个第一动力滑台2内第一丝杆轴线平行设置。第一动力滑台2及第二动力滑台3的定位精度均小于0.01mm。

第二动力滑台3包括第二滑轨、第二滑块、第二丝杆和第二电机。第二滑轨与两个第一滑块的顶面固定。第二丝杆支承在第二滑轨上，并与固定在第二滑块上的第二螺母构成螺旋副。第二滑块与第二滑轨构成了滑动副。第二电机固定在第二滑轨上。第二电机的输出轴与第二丝杆的一端固定。第二丝杆的轴线与第一丝杆的轴线垂直设置。第一丝杆及第二丝杆的轴线均水平设置。工作台7固定在第二滑块上。装夹组件10包括动挡板10-1、装夹丝杆10-2、手柄杆10-3和定挡板10-4。定挡板10-4固定在工作台7上。装夹丝杆10-2与固定在工作台上的第三螺母块构成螺旋副。装夹丝杆10-2的一端与动挡板10-1构成以装夹丝杆10-2轴线为公共轴线的转动副，另一端与手柄杆10-3的一端构成公共轴线垂直于装夹丝杆10-2轴线的转动副。动挡板10-1与工作台7构成滑动副。动挡板10-1与定挡板10-4的相对侧侧面平行设置。工作台顶面的一端固定有尾部定位块。尾部定位块的定位侧面朝内设置，且与动挡板10-1与定挡板10-4的相对侧侧面垂直设置。第一支架5及第二支架6的底部均固定在底板1上。第一支架5的顶部固定有液压缸8。液压缸8的活塞杆外端与超声变幅11的顶端固定。超声变幅杆11的底端与单点增量压头12可拆卸固定。超声变幅杆能够将超声振动驱动于单点增量压头上，实现拉刀的高精度表面形貌压印。单点增量压头12具有三种。三种单点增量压头的外端分别呈半球形、圆锥形、棱锥形。外端呈半球形的单点增量压头的球形直径为d1，100μm≤d1≤10mm。外端呈圆锥形的单点增量压头的锥尖直径为d2，10μm≤d2≤1mm。外端呈棱锥形的单点增量压头的锥尖外接圆直径为d3，10μm≤d3≤1mm。单点增量压头的外端还可以呈棱柱形、棱台形或圆台形。

第二支架6的顶部固定有扫描仪9。扫描仪9的扫描头倾斜朝向单点增量压头的下方，使得扫描仪9能够在不影响单点增量压头下压的情况下扫描测量单点增量压头在带加工拉刀上压出的凹陷的深度。

该拉刀后刀面微纳表面形貌单点增量压印方法具体如下：

步骤一、根据待加工拉刀在后期使用中的加工环境和使用需求，选取外端呈半球形、外端呈圆锥形、外端呈棱锥形的单点增量压头中的一种。呈半球形、圆锥形、棱锥形的单点增量压头加工出的拉刀适用的的削液粘度依次降低。半球形的单点增量压头加工出的形貌利于切削液的存储和刀具的润滑。圆锥形和棱锥形的单点增量压头加工出的形貌有利于改善刀具磨损情况，减少切削力。将选取的单点增量压头固定到超声变幅杆上。

取q把待加工拉刀4并排放置到工作台7上，并通过尾部定位块进行定位，q＝7，每把待加工拉刀4上有n个待加工后刀面。转动手柄杆10-3，使得动挡板10-1与定挡板10-4夹紧q把待加工拉刀4。令i＝1，j＝1。

步骤二、两个第一电机同步转动，第二电机转动，使得第i把待加工拉刀4的第j个后刀面到达单点增量压头的正下方。

步骤三、若待加工拉刀的表面形貌的深度小于0.1mm，则将液压缸推出至压头与第i把待加工拉刀4的第j个待加工后刀面接触，超声变幅杆启动，超声振动频率为20Hz，振幅为1～10μm。

若待加工拉刀的表面形貌的加工精度大于或等于0.1mm，则超声变幅杆不启动，将液压缸持续进行推出并缩回，使得单点增量压头对第i把待加工拉刀4的第j个待加工后刀面进行反复冲压。液压缸内的油压为28～30MPa，冲压振幅为0.1～1mm，冲压频率为0～100Hz。

两个第一电机同步转动，第二电机转动，使得第i把待加工拉刀4的第j个待加工后刀面与单点增量压头的相对位置发生变化，单点增量压头在待加工拉刀4后刀面上冲压出预设的凹陷形状。同时扫描仪9持续扫描单点增量压头冲压出的凹陷形状的深度。若第i把待加工拉刀4的第j个待加工后刀面上凹陷形状的深度达到预设值a后，a＝500μm，液压缸停止运动，并进入步骤四。

步骤四、若i＜7，则将i增大1并执行步骤二和三。若i＝7且j＜n，则令i＝1，将j增大1并执行步骤二和三。若i＝7且j＝n，则进入步骤五。

步骤五、转动手柄杆10-3，松开动挡板10-1，取下完成加工的拉刀。

Claims (7)

1.拉刀后刀面微纳表面形貌单点增量压印方法，其特征在于：采用的装置包括底板、第一动力滑台、第二动力滑台、第一支架、第二支架、工作台、液压缸、超声变幅杆、单点增量压头、扫描仪和装夹组件；所述的第一动力滑台包括第一滑轨、第一滑块、第一丝杆和第一电机；所述的第一丝杆支承在第一滑轨上，并与固定在第一滑块上的第一螺母构成螺旋副；所述的第一滑块与第一滑轨构成了滑动副；所述的第一丝杆由第一电机驱动；所述的第一动力滑台共有两个；两个第一动力滑台内的第一滑轨均固定在底板上；

所述的第二动力滑台包括第二滑轨、第二滑块、第二丝杆和第二电机；所述的第二滑轨与两个第一滑块的顶面固定；所述的第二丝杆支承在第二滑轨上，并与固定在第二滑块上的第二螺母构成螺旋副；所述的第二滑块与第二滑轨构成了滑动副；第二丝杆由第二电机驱动；第二丝杆的轴线与第一丝杆的轴线垂直设置；第一丝杆及第二丝杆的轴线均水平设置；所述的工作台固定在第二滑块上；所述的装夹组件包括动挡板、装夹丝杆、手柄杆和定挡板；所述的定挡板固定在工作台上；所述的装夹丝杆与固定在工作台上的第三螺母块构成螺旋副；装夹丝杆的一端与动挡板构成转动副，另一端与手柄杆的一端构成公共轴线垂直于装夹丝杆轴线的转动副；所述的动挡板与工作台构成滑动副；动挡板与定挡板的相对侧侧面平行设置；第一支架及第二支架的底部均固定在底板上；第一支架的顶部固定有液压缸；液压缸的活塞杆外端与超声变幅杆的顶端固定；超声变幅杆的底端与单点增量压头固定；所述的单点增量压头朝向正下方；所述的单点增量压头有三种；三种单点增量压头的外端分别呈半球形、圆锥形、棱锥形；外端呈半球形的单点增量压头的球形直径为d1，100μm≤d1≤10mm；外端呈圆锥形的单点增量压头的锥尖直径为d2，10μm≤d2≤1mm；外端呈棱锥形的单点增量压头的锥尖外接圆直径为d3，10μm≤d3≤1mm；第二支架的顶部固定有扫描仪；扫描仪的扫描头倾斜朝向单点增量压头的下方；

该拉刀后刀面微纳表面形貌单点增量压印方法具体如下：

步骤一、取q把待加工拉刀并排放置到工作台上，q＝7，每把待加工拉刀上有n个待加工后刀面；转动手柄杆，使得动挡板与定挡板夹紧q把待加工拉刀；令i＝1，j＝1；

步骤二、两个第一电机同步转动，第二电机转动，使得第i把待加工拉刀的第j个待加工后刀面到达单点增量压头的正下方；

步骤三、若待加工拉刀的表面形貌的深度小于b，0.05mm≤b≤0.2mm，则将液压缸推出至压头与第i把待加工拉刀的第j个待加工后刀面接触，超声变幅杆启动；

若待加工拉刀的表面形貌的深度大于或等于b，则将液压缸持续进行推出并缩回，使得单点增量压头对第i把待加工拉刀的第j个待加工后刀面进行反复冲压；

两个第一电机同步转动，第二电机转动，使得第i把待加工拉刀的第j个待加工后刀面与单点增量压头的相对位置发生变化，单点增量压头在待加工拉刀后刀面上冲压出预设的凹陷形状；同时，扫描仪持续扫描单点增量压头冲压出的凹陷形状的深度；若第i把待加工拉刀的第j个待加工后刀面上凹陷形状的深度达到预设值后，液压缸停止运动，并进入步骤四；

步骤四、若i＜7，则将i增大1并执行步骤二和三；若i＝7且j＜n，则令i＝1，将j增大1并执行步骤二和三；若i＝7且j＝n，则进入步骤五；

步骤五、转动手柄杆，松开动挡板，取下完成加工的拉刀。

2.根据权利要求1所述的拉刀后刀面微纳表面形貌单点增量压印方法，其特征在于：所述的第一电机固定在第一滑轨上；第一电机的输出轴与第一丝杆的一端固定；第二电机固定在第二滑轨上；第二电机的输出轴与第二丝杆的一端固定。

3.根据权利要求1所述的拉刀后刀面微纳表面形貌单点增量压印方法，其特征在于：所述工作台顶面的一端固定有尾部定位块；尾部定位块的定位侧面与动挡板与定挡板的相对侧侧面垂直设置。

4.根据权利要求1所述的拉刀后刀面微纳表面形貌单点增量压印方法，其特征在于：步骤三中液压缸内的油压为28～30MPa，冲压振幅为0.1～1mm，冲压频率为0～100Hz；超声变幅杆的振动频率为20Hz，振幅为1～10μm。

5.根据权利要求1所述的拉刀后刀面微纳表面形貌单点增量压印方法，其特征在于：步骤三中所述的预设值在1μm～1000μm之间。

6.根据权利要求1所述的拉刀后刀面微纳表面形貌单点增量压印方法，第一动力滑台及第二动力滑台的定位精度均小于0.01mm。

7.根据权利要求1所述的拉刀后刀面微纳表面形貌单点增量压印方法，其特征在于：所述单点增量压头的外端呈锥形，且锥尖直径为d，10μm≤d≤1mm。