CN108568532B - 一种去除薄壁复杂零件表面振纹的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种去除薄壁复杂零件表面振纹的方法，它解决了现有技术中复杂零件出现局部表面振纹的问题，具有提高复杂零件表面质量，避免应力集中的有益效果，其方案如下：一种去除复杂零件表面振纹的方法，包括1)建立复杂零件三维模型；2)提取复杂零件表面振纹位置、表面振纹轮廓参数和加工参数，确定加工参数和表面振纹轮廓参数的定量关系；3)根据加工参数和表面振纹轮廓参数的定量关系，确定合适的微细加工参数和微细刀具；4)根据微细加工参数，对数控加工中心编写数控加工程序，使用数控加工中心对复杂零件振纹表面进行加工处理。

Description

一种去除薄壁复杂零件表面振纹的方法

技术领域

本发明涉及破碎岩体领域，特别是涉及一种去除复杂零件表面振纹的方法。

背景技术

切削加工是机械制造领域应用最广泛的成型方法，随着切削加工技术的不断提高，钛合金、镍基合金等难加工材料和贵重材料的切削加工工艺及零件复杂程度的要求也逐渐提升。然而切削加工仍存在一定的局限性，对于复杂零件和难加工材料，当刀具沿着给定的刀具轨迹运动时，其刀具和零件之间的关系(切入角、进给量、切削速度和深度)持续发生变化，在难加工部位，如细长轴和薄壁结构等，容易因切削振动频率和零件固有频率耦合而产生明显的表面振纹，由于复杂零件的结构限制导致表面振纹无法通过改变切削参数及更换刀具完全避免，因这个振纹的出现从而降低表面质量，形成应力集中区域，导致零件疲劳断裂，极大降低复杂零件良品率和使用寿命。

对于一些大型贵重复杂零件，如由航空材料镍基合金制成的航空发动机叶轮，直径长达数米，叶片加工工艺复杂，因振纹而出现残次品零件会造成较大的经济损失。

对于零件表面振纹的控制，目前多采用控制切削参数、改进机床结构或附加减振装置等方式。大型复杂零件切削加工过程中，切削参数、机床结构往往受零件结构尺寸限制无法灵活改变，对表面振纹的控制仍没有较好的解决方案。

因此，需要对一种去除复杂零件表面振纹的方法进行研究设计。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种去除复杂零件表面振纹的方法，该方法在不影响复杂零件整体结构的前提下，提高复杂零件表面质量，避免应力集中，有效实现刀具保护，避免崩刀等情况发生。

一种去除复杂零件表面振纹的方法的具体方案如下：

一种去除复杂零件表面振纹的方法，通过确定加工参数与表面振纹轮廓参数的定量关系，选取设定的微细加工工艺和加工参数，对表面振纹进行加工后去除，该方法可实现因振纹而出现的残次品零件的后处理，变废为宝。

进一步地，一种去除复杂零件表面振纹的方法，包括如下步骤：

1)建立复杂零件三维模型；

2)提取复杂零件表面振纹位置、表面振纹轮廓参数和加工参数，确定加工参数和表面振纹轮廓参数的定量关系；

3)根据加工参数和表面振纹轮廓参数的定量关系，确定合适的微细加工参数，并确定微细刀具；

4)根据微细加工参数，使用数控加工对复杂零件振纹表面进行加工处理。

微细加工处理包括：微细铣削、微细车削和微细钻削，使用的微细切削刀具相应为微细平头及球头立铣刀、微细车刀和微细钻头。微细切削刀具刃口半径一般为微米级和亚微米级，可以实现微米级振纹加工特征的材料去除。

其中，微细加工可以实现微米级材料去除，在不影响复杂零件整体结构的前提下，提高复杂零件表面质量，避免应力集中。该方法可以弥补复杂零件加工过程中出现的局部振纹等表面质量问题，消除加工过程出现的应力集中，极大提高复杂零件的良品率和使用寿命。

进一步地，在所述步骤4)完成后，检测加工后复杂零件的表面质量是否达到要求，可以通过表面质量检测仪进行表面质量确认。

进一步地，所述步骤2)中加工参数包括转速、切削深度、刀尖圆弧半径和刀具悬长。

进一步地，所述加工参数和表面振纹轮廓参数的定量关系通过对表面振纹轮廓参数和加工参数的傅里叶转换而获得，通过这个定量关系的获得，获得的微细加工参数更加准确，确定加工参数后选择微细刀具，刀具通过刀尖圆弧半径来确定，微细刀尖圆弧半径一般为微米级和亚微米级，可以实现微米级振纹加工特征的材料去除。

进一步地，所述步骤3)中微细加工参数的确定方法如下：根据复杂零件加工参数和表面振纹轮廓参数的定量关系频率远离复杂零件固有频率来确定。通过控制加工参数，加工参数包括刀尖圆弧半径，进给量和切削速度，使加工频率与复杂零件固有频率的比值大于2。

进一步地，所述步骤2)中表面振纹轮廓参数根据公式(1)进行确定：

f(t)＝A_acos(ω_at) (1)

其中A_a为表面振纹的振幅，ω_a为切削角速度。公式(1)经傅里叶变换后，可以表示为：

F(ω)＝A_aπ[δ(ω+ω_a)+δ(ω-ω_a)] (2)

其中ω为理论切削角速度。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种去除薄壁叶轮叶片表面振纹的方法，包括如下步骤：

1)建立薄壁叶轮叶片三维模型；

2)提取薄壁叶轮叶片表面振纹位置、振纹轮廓参数和加工参数，确定加工参数和表面振纹轮廓参数的定量关系；

3)根据加工参数和表面振纹轮廓参数的定量关系，确定合适的微细加工参数，并确定微细刀具；

4)根据微细加工参数，使用数控加工对薄壁叶轮叶片振纹表面进行加工处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明通过加工参数和表面振纹轮廓参数的定量关系来确定合适微细加工参数，能够实现在不影响复杂零件整体结构的前提下进行局部表面振纹的加工后处理，避免复杂零件应力集中而导致零件疲劳断裂。

2)本发明方法能够弥补复杂零件加工过程中出现的局部表面振纹等表面质量问题，极大提高复杂零件的良品率和使用寿命，并有效实现刀具保护，避免崩刀等情况发生。

3)本发明方法可以减少复杂零件传统加工中的精加工环节，降低生产成本，提高生产效率。

4)本发明方法可以进一步提升复杂零件的制造工艺，有助于复杂程度及表面质量要求更高的大型零件和贵重零件的设计和生产。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是典型复杂零件—离心式叶轮的三维示意图。

图2是传统加工后典型复杂零件—离心式叶轮的表面轮廓。

图3是传统加工后典型复杂零件—离心式叶轮的表面振纹轮廓特征。

其中：1离心式叶轮叶片前表面；2离心式叶轮叶片后表面。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种去除复杂零件表面振纹的方法。

本申请的一种典型的实施方式中，一种去除复杂零件表面振纹的方法，通过确定加工参数与表面振纹轮廓参数的定量关系，选取设定的微细加工工艺和加工参数，对表面振纹进行加工后去除，该方法可实现因振纹而出现的残次品零件的后处理，变废为宝。

一种去除复杂零件表面振纹的方法，包括如下步骤：

1)建立复杂零件三维模型；

2)提取复杂零件表面振纹位置、表面振纹轮廓参数和加工参数，确定加工参数和表面振纹轮廓参数的定量关系；

3)根据加工参数和表面振纹轮廓参数的定量关系，确定合适的微细加工参数，并确定微细刀具；

4)根据微细加工参数，对数控加工中心编写数控加工程序，使用数控加工中心对复杂零件振纹表面进行加工处理。

微细加工处理包括：微细铣削、微细车削和微细钻削，使用的微细切削刀具相应为微细平头及球头立铣刀、微细车刀和微细钻头。微细切削刀具刃口半径一般为微米级和亚微米级，可以实现微米级振纹加工特征的材料去除。

其中，微细加工可以实现微米级材料去除，在不影响复杂零件整体结构的前提下，提高复杂零件表面质量，避免应力集中。该方法可以弥补复杂零件加工过程中出现的局部振纹等表面质量问题，消除加工过程出现的应力集中，极大提高复杂零件的良品率和使用寿命。

在所述步骤4)完成后，检测加工后复杂零件的表面质量是否达到要求，可以通过表面质量检测仪进行表面质量确认。

步骤2)中加工参数包括转速、切削深度、刀尖圆弧半径和刀具悬长。

步骤2)中表面振纹轮廓参数根据公式(1)进行确定：

f(t)＝A_acos(ω_at) (1)

其中A_a为表面振纹的振幅，ω_a为切削角速度，公式(1)经傅里叶变换后，可以表示为：

F(ω)＝A_aπ[δ(ω+ω_a)+δ(ω-ω_a)] (2)

其中ω为理论切削角速度。表面振纹是由于刀具和工件的相对运动产生的。公式(2)表示为一个周期性频谱，其振动频率和主轴旋转频率、切削深度、刀尖圆弧半径和刀具悬长等加工参数直接相关。如将刀具每转一周的切削宽度视为矩形方波信号，则可将切削过程近似看作矩形脉冲对振动信号的抽样。矩形脉冲的傅里叶系数P_n为

其中τ为脉冲宽度，T_s为抽样时间。通过对表面轮廓参数和加工参数的傅里叶转换，可以确定表面轮廓参数和加工参数间的定量关系。当表面轮廓参数和加工参数间的定量关系频率与工件固有频率接近时，表面振纹最为明显。通过选取合适的微细加工参数，使表面轮廓参数和加工参数间的定量关系频率大于两倍的零件固有频率，从而可以在保证复杂零件功能的前提下修复表面振纹缺陷，提高表面质量。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种去除薄壁叶轮叶片表面振纹的方法，包括如下步骤：

1)建立薄壁叶轮叶片三维模型；

2)提取薄壁叶轮叶片表面振纹位置、振纹轮廓参数和加工参数，确定加工参数和表面振纹轮廓参数的定量关系；

3)根据加工参数和表面振纹轮廓参数的定量关系，确定合适的微细加工参数和微细刀具；

4)根据微细加工参数，对数控加工中心编写数控加工程序，使用数控加工中心对薄壁叶轮叶片振纹表面进行加工处理。

参照图1所示的离心式叶轮，确定表面振纹主要存在于薄壁部位—离心式叶轮叶片前表面1和离心式叶轮叶片后表面2的局部位置，表面轮廓如图2所示，提取表面轮廓的表面振纹特征如图3所示。

根据离心式叶轮表面轮廓图，确定表面轮廓的定量表达式为：

F(ω)＝0.0025π[δ(ω+1046.667)+δ(ω-1046.667)]

根据表面振纹轮廓的定量表达式和铣削方程原理，确定振动系统的传递函数为：

其中，i是单位系数，ω是角速度，a_p是切削深度，k_c是单位切削力，α_yy是单位位移，T是单位位移时间。根据欧拉公式，整理确定系统稳定的最大轴向切削深度为：

为了保证表面轮廓参数和加工参数间的定量关系频率远离零件固有频率，选用微细球头立铣刀对表面振纹进行切削去除，所选球头立铣刀直径为0.5mm，转速20000r/min，进给量60mm/min，刀具悬长30mm。

编写数控加工程序，使用微细数控加工中心对离心式叶轮叶片前表面1和离心式叶轮叶片后表面2存在的振纹等表面缺陷部位进行加工处理。经检测，微细加工后无明显振纹，零件表面质量提高。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种去除薄壁复杂零件表面振纹的方法，其特征在于，通过确定加工参数与表面振纹轮廓参数的定量关系，选取设定的微细加工工艺和加工参数，对表面振纹进行加工后去除；

包括如下步骤：

1)建立薄壁复杂零件三维模型；

2)提取薄壁复杂零件表面振纹位置、表面振纹轮廓参数和加工参数，确定加工参数和表面振纹轮廓参数的定量关系；

3)根据加工参数和表面振纹轮廓参数的定量关系，确定合适的微细加工参数，并确定微细刀具；

4)根据微细加工参数，使用数控加工对复杂零件振纹表面进行加工处理；

所述步骤2)中加工参数包括转速、切削深度、刀尖圆弧半径和刀具悬长。

2.根据权利要求1所述的一种去除薄壁复杂零件表面振纹的方法，其特征在于，在所述步骤4)完成后，检测加工后复杂零件的表面质量是否达到要求。

3.根据权利要求1所述的一种去除薄壁复杂零件表面振纹的方法，其特征在于，所述加工参数和表面振纹轮廓参数的定量关系通过对表面振纹轮廓参数和加工参数的傅里叶转换而获得。

4.根据权利要求1所述的一种去除薄壁复杂零件表面振纹的方法，其特征在于，所述步骤3)中微细加工参数的确定方法如下：根据复杂零件加工参数和表面振纹轮廓参数的定量关系频率远离复杂零件固有频率来确定。

5.根据权利要求1所述的一种去除薄壁复杂零件表面振纹的方法，其特征在于，所述步骤2)中表面振纹轮廓参数根据公式(1)进行确定：

f(t)＝A_a cos(ω_at) (1)

其中A_a为表面振纹的振幅，ω_a为切削角速度，公式(1)经傅里叶变换后，可以表示为：

F(ω)＝A_aπ[δ(ω+ω_a)+δ(ω-ω_a)] (2)

其中ω为理论切削角速度。

6.一种去除薄壁叶轮叶片表面振纹的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)建立薄壁叶轮叶片三维模型；

2)提取薄壁叶轮叶片表面振纹位置、振纹轮廓参数和加工参数，确定加工参数和表面振纹轮廓参数的定量关系；

3)根据加工参数和表面振纹轮廓参数的定量关系，确定合适的微细加工参数，并确定微细刀具；

4)根据微细加工参数，使用数控加工对薄壁叶轮叶片振纹表面进行加工处理。