CN109759888B - 淬硬钢模具拼接区声电混合场铣削装置及预回控制方法 - Google Patents

Abstract

一种淬硬钢模具拼接区声电混合场铣削装置及预回控制方法。传统加工拼接式淬硬钢模具会产生铣削颤振，使生产效率和加工精度下降，刀具破损，限制了模具精度和加工效率。本发明组成包括：超声波主轴（3），所述的超声波主轴的上方通过铣刀刀柄（2）与主轴头（1）连接，下方底部安装有铣刀（4），所述的铣刀外表面安装有电涡流传感器（5），所述的铣刀底平面与工件（7）贴合，所述的工件侧表面安装有加速度传感器（6），所述的工件放置在磁场发生器（8）上平面的中间位置并且通过螺栓与工作台（9）固定，所述的磁场发生器两端分别通过螺栓（10）与所述的工作台连接。本发明用于淬硬钢模具拼接区声电混合场铣削装置。

Description

淬硬钢模具拼接区声电混合场铣削装置及预回控制方法

技术领域：

本发明涉及一种淬硬钢模具拼接区声电混合场铣削装置及预回控制方法。

背景技术：

淬硬钢材料是目前汽车覆盖件模具的主要材料，为了使淬硬钢模具具有较长的使用寿命，目前普遍采取拼接式淬硬钢模具，在传统加工拼接式淬硬钢模具的方式中会产生铣削颤振，铣削颤振是机械加工过程中十分有害的振动现象，它不仅会使生产效率和加工精度下降，还会使刀具破损，甚至会影响机床的加工精度，限制了模具精度和加工效率。

发明内容：

本发明的目的是提供一种淬硬钢模具拼接区声电混合场铣削装置及预回控制方法，工件利用磁场对金属铣削的影响，通过磁场作用诱发金属内部晶格产生微小振动，振动使刀具的前刀面与切屑及后刀面与工件间的摩擦磨损减少，提高刀具寿命。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种淬硬钢模具拼接区声电混合场铣削装置，其组成包括：超声波主轴，所述的超声波主轴的上方通过铣刀刀柄与主轴头连接，下方底部安装有铣刀，所述的铣刀外表面安装有电涡流传感器，所述的铣刀底平面与工件贴合，所述的工件侧表面安装有加速度传感器，所述的工件放置在磁场发生器上平面的中间位置并且通过螺栓与工作台固定，所述的磁场发生器两端分别通过螺栓与所述的工作台连接。

所述的淬硬钢模具拼接区声电混合场铣削装置，所述的超声波主轴内部具有集成换能器，所述的主轴头通过后侧的导轨安装在床身的上方的导槽内，所述的工作台与所述的床身为刚性连接，所述的磁场发生器将变压器提供的电能转变为磁能，将所述的工件置于磁场中，换能器、超声变幅杆、可控阻尼器集成布置在主轴上，产生高频振动。

一种淬硬钢模具拼接区声电混合场铣削装置的预回控制方法，该方法包括如下步骤：首先在铣削加工过程中，（1）安装在铣刀上的电涡流传感器与安装在工件上的加速度传感器将信号传输到预回控制系统，控制系统对信号进行分析处理，向双绕组变压器发出信号，进行电压调节，产生高于工作需求电压5%的电压，同时预回控制系统对电压暂降保护器进行控制，将双绕组变压器产生的电压进行精确调节，得到工作所需的精准电压，磁场发生器根据精准电压产生相应的磁场，对铣削颤振产生抑制作用，电涡流传感器根据颤振情况产生相应的信号反馈到预回控制系统，控制系统重新产生控制信号，从而改变磁场强度，达到改善加工表面质量以及提高刀具寿命的效果；

（2）安装在球头铣刀上的电涡流传感器与安装在工件上的加速度传感器将信号传输到预回控制系统，控制系统对信号进行分析处理，向超声波控制系统发出信号，通过功率放大器进行信号放大处理，换能器将信号转换成高于工作所需振幅3%的高频振动，同时预回控制系统输出信号控制可控阻尼器，产生不同强度的阻尼，对换能器产生的略高于工作需求的高频振动进行抑制，产生符合工作需求的高频振动，从而改善工件表面加工质量，提高刀具寿命。

有益效果：

1.本发明提出一种淬硬钢模具拼接区域的声电混合场铣削装置及预回控制方法，可使加工拼接过缝处稳定，提高加工精度，减少铣削颤振，延长刀具寿命，达到提高表面质量和加工效率的效果。

本发明利用磁场对金属铣削的影响，提出一种声电混合场铣削装置，对于拼接淬硬钢材料加工区域，其内部存在非均匀硬度表面，并存在拼接缝，预回控制系统向双绕组变压器发出信号，进行电压调节，产生略高于工作所需的电压，同时预回控制系统对电压暂降保护器进行控制，将双绕组变压器产生的电压进行精确调节，得到工作所需的精准电压，从而产生不同强度电流，磁场发生器根据电流强弱产生不同强度的磁场，对工件进行辅助铣削，使加工过程更加稳定，减少铣削颤振，延长刀具寿命，提高铣削淬硬钢材料表面加工质量，提高加工效率。

本发明在磁场及超声波振动场的混合场的作用下，加工过程可以实现稳定加工，减少刀具磨损，提高加工表面质量，提高加工效率的效果；利用超声波产生高频振动对金属铣削的影响，预回控制系统对超声波控制器发出信号，预回控制系统对信号进行分析处理，向超声波控制系统发出信号，通过功率放大器进行信号放大处理，换能器将信号转换成略高于工作所需的高频振动，同时预回控制系统输出信号控制可控阻尼器，产生不同强度的阻尼，对换能器产生的略高于工作需求的高频振动进行抑制，产生符合工作需求的高频振动，从而提高加工表面质量。

本发明的声电混合场铣削装置结构简单，对拼接淬硬钢材料工件均可使用，磁场发生器通过螺栓连接，布置在工作台两侧，具有结构简单、安装操作方便连接稳固等优点。

本发明的工件利用磁场对金属铣削的影响，通过磁场作用诱发金属内部晶格产生微小振动，振动使刀具的前刀面与切屑及后刀面与工件间的摩擦磨损减，提高刀具寿命，同时由于晶格振动，使铣削时工件表面残余应力降低，提高表面加工质量。

本发明的刀具利用超声波铣削振动原理，通过换能器作用，将刀具在铣削过程中增加一个X方向的高频振动，以改善铣削效果，达到更高的加工表面质量。

本发明的预回控制方法，是利用预回控制系统接收电涡流传感器和加速度传感器信号，控制变压器产生略高于工作所需电压，同时预回控制系统产生信号控制电压暂降保护器对电压进行精确控制，产生精准电压，从而改变磁场强度，改变铣削条件。

本发明的电涡流传感器和加速度传感器反馈信号给预回控制系统，预回控制系统接收电涡流传感器和加速度传感器信号，控制超声波控制器产生略高于工作所需的不同强度超声波通过换能器转换不同强度高频振动，同时可控阻尼器接收预回控制系统信号产生不同强度阻尼，对高频振动进行调节，得到工作所需精准高频振动，达到更好的加工表面质量。

本发明预回控制方法的控制系统依据铣削振动信号的最大李雅普诺夫指数与排列熵为标准，通过判断李雅普诺夫指数及排列熵值来识别铣削系统是否发生颤振。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明的拼接淬硬钢材料的辅助铣削装置。

附图3是附图1中的超声波主轴结构示意图。

附图4是附图1中的磁场发生器产生磁场分布图。

附图5是预回控制方法系统示意图。

具体实施方式：

实施例1：

一种淬硬钢模具拼接区声电混合场铣削装置，其组成包括：超声波主轴3，所述的超声波主轴的上方通过铣刀刀柄2与主轴头1连接，下方底部安装有铣刀4，所述的铣刀外表面安装有电涡流传感器5，所述的铣刀底平面与工件7贴合，所述的工件侧表面安装有加速度传感器6，将测量信号输入到预回控制系统中，预回控制系统对信号进行分析处理，向双绕组变压器输出信号，进行电压控制，产生一个对于工作要求略高的电压，电压暂降保护器受预回控制系统信号控制，对双绕组变压器产生的电压进行精确调整，得到工作所需的精准电压，通过电压变化，进而改变电流，所述的工件放置在磁场发生器8上平面的中间位置并且通过螺栓与工作台9固定，所述的磁场发生器两端分别通过螺栓10与所述的工作台连接；所述的磁场发生器所产生的磁场发生变化，改善工件和铣刀的颤振，颤振信号再经电涡流传感器和加速度传感器反馈到预回到控制系统；

所述的电涡流传感器和加速度传感器信号输入到控制系统中，预回控制系统对信号进行分析处理，向超声波控制器输出信号，产生略高于工作所需的不同频率高频信号，经过功率放大器、换能器根据不同的高频信号，可控阻尼器根据预回控制器信号产生不同强度的阻尼，将略高于工作所需的高频振动削弱，得到工作所需的精准高频振动，改善加工表面质量，颤振信号再经电涡流传感器和加速度传感器反馈到预回控制系统。

实施例2：

根据实施例1所述的淬硬钢模具拼接区声电混合场铣削装置，所述的超声波主轴内部具有集成换能器，所述的主轴头通过后侧的导轨安装在床身11的上方的导槽内，所述的工作台与所述的床身为刚性连接，所述的磁场发生器将变压器提供的电能转变为磁能，将所述的工件置于磁场中，换能器、超声变幅杆、可控阻尼器集成布置在主轴上，产生高频振动。

实施例3：

一种利用实施例1-2所述的淬硬钢模具拼接区声电混合场铣削装置的预回控制方法，本方法是：

利用磁场对金属铣削的影响，提出一种声电混合场铣削装置，对于拼接淬硬钢材料加工区域，即内部存在非均匀硬度表面，并存在拼接缝的铣削加工；

首先在铣削加工过程中，（1）安装在铣刀上的电涡流传感器与安装在工件上的加速度传感器将信号传输到预回控制系统，控制系统对信号进行分析处理，向双绕组变压器发出信号，进行电压调节，产生高于工作需求电压5%的电压，同时预回控制系统对电压暂降保护器进行控制，将双绕组变压器产生的电压进行精确调节，得到工作所需的精准电压，磁场发生器根据精准电压产生相应的磁场，对铣削颤振产生抑制作用，电涡流传感器根据颤振情况产生相应的信号反馈到预回控制系统，控制系统重新产生控制信号，从而改变磁场强度，达到改善加工表面质量以及提高刀具寿命的效果；

（2）安装在球头铣刀上的电涡流传感器与安装在工件上的加速度传感器将信号传输到预回控制系统，控制系统对信号进行分析处理，向超声波控制系统发出信号，通过功率放大器进行信号放大处理，换能器将信号转换成高于工作所需振幅3%的高频振动，同时预回控制系统输出信号控制可控阻尼器，产生不同强度的阻尼，对换能器产生的略高于工作需求的高频振动进行抑制，产生符合工作需求的高频振动，从而改善工件表面加工质量，提高刀具寿命。

所述的淬硬钢模具拼接区声电混合场铣削装置，是一种加工淬硬钢材料的辅助铣削装置，针对淬硬钢材料，使加工过程稳定，减少颤振以及刀具磨损，提高表面加工质量，该辅助铣削装置包括两部分：一部分是布置在铣削刀具上的高频振动装置，另一部分是布置在工作台两侧的磁场发生器；

铣削刀具上的高频振动装置：超声波控制器根据控制系统信号产生高频电信号，电信号通过功率放大器作用到换能器，换能器根据信号强弱产生不同强度的高频振动，使加工过程中表面加工质量得到提升；

换能器：换能器布置在机床主轴上，外接超声波控制器，将不同频率的超声波信号转换成不同频率的机械振动信号；

超声变幅杆：超声变幅杆通过连接换能器，将超声波经换能器产生的振动的质点位移和速度放大，将超声波能量聚集在较小的铣刀面上，提高振速比；

磁场发生器：根据双绕组变压器提供的不同电压，产生不同的电流，将电能转化成磁能，构建磁场，磁场随加工颤振状况而改变，起到能量转换的作用，在磁场作用下，金属内部晶格产生微小振动，这种振动将减弱铣削区前刀面与切屑、后刀面与工件之间的磨损，改善加工表面质量，提高加工效率。

双绕组变压器：接收来自预回控制系统信号，输出端连接电压暂降保护器，对外部电压进行初步调整，为磁场发生器产生磁场供能；

电压暂降保护器：机床外接装置，对来自双绕组变压器的电压进行降低，输出精准电压控制磁场发生器；

工件：由硬度不同的淬硬钢拼接而成，普通铣削拼接缝时存在冲击力，对加工质量以及刀具寿命有一定负面影响；

所述的预回控制系统首先施加超值作用，待系统接近设定目标值时再施加适量反作用，使系统在二者作用力的综合作用下以尽可能快速、准确的方式达到目标值预回控制过程中，在一定范围内施加的超值作用越大，系统运动速度也就越快；而适时、恰当的“适量反作用”地施加，起到了制动减速作用。因此，系统将在超值作用与适量反作用的综合作用下，快速、准确地达到目标值。这样就同时解决了受控系统快速性与准确性问题，同时也会避免超调产生；

所述的预回控制系统依据铣削振动信号的最大李雅普诺夫指数与排列熵为标准，通过判断李雅普诺夫指数大于0.8，或排列熵在0.8~1之间来识别铣削系统发生颤振，最大李雅普诺夫指数为：

M为相空间重构后轨迹点的个数，为时间延迟，在不同的相空间维数下，如果变切深铣削振动信号的最大李雅谱诺夫指数大于0.8，那么铣削处于颤振状态;如果最大李雅谱诺夫指数小于0.8，则系统处于稳定的周期运动状态；

排列熵是表征振动信号的复杂程度的重要非线性特征之一，反映信号之间的重复性、突变性、非线性和非对称性等特性，由于对铣削振动状态变化敏感而被应用于铣削颤振检测，根据Shannon熵的形式定义铣削振动信号的排列熵为：

可以用H_P（m）值描述铣削振动信号的复杂程度，计算出相重构信号序号组合的概率即可检测到时间序列的突变性和混沌性等微小的变化，因此排列熵是检测铣削颤振的良好手段。H_P值小于0.8，表示铣削振动信号的周期性越强,铣削过程稳定 H_P值在0.8~1之间，表示铣削振动信号的随机性较强，此时会产生铣削颤振。

Claims (1)

1.一种淬硬钢模具拼接区声电混合场铣削装置，其组成包括：超声波主轴，其特征是：所述的超声波主轴的上方通过铣刀刀柄与主轴头连接，下方底部安装有铣刀，所述的铣刀外表面安装有电涡流传感器，所述的铣刀底平面与工件贴合，所述的工件侧表面安装有加速度传感器，所述的工件放置在磁场发生器上平面的中间位置并且通过螺栓与工作台固定，所述的磁场发生器两端分别通过螺栓与所述的工作台连接；

所述的淬硬钢模具拼接区声电混合场铣削装置，其特征是：所述的超声波主轴内部具有集成换能器，所述的主轴头通过后侧的导轨安装在床身的上方的导槽内，所述的工作台与所述的床身为刚性连接，所述的磁场发生器将变压器提供的电能转变为磁能，将所述的工件置于磁场中，集成换能器、超声变幅杆、可控阻尼器集成布置在超声波主轴上，产生高频振动；

所述的淬硬钢模具拼接区声电混合场铣削装置的预回控制方法，其特征是：该方法包括如下步骤：

首先在铣削加工过程中，（1）安装在铣刀上的电涡流传感器与安装在工件上的加速度传感器将信号传输到预回控制系统，预回控制系统对信号进行分析处理，向变压器发出信号，进行电压调节，产生高于工作需求电压5%的电压，同时预回控制系统对电压暂降保护器进行控制，将变压器产生的电压进行精确调节，得到工作所需的精准电压，磁场发生器根据精准电压产生相应的磁场，对铣削颤振产生抑制作用，电涡流传感器根据颤振情况产生相应的信号反馈到预回控制系统，预回控制系统重新产生控制信号，从而改变磁场强度，达到改善加工表面质量以及提高刀具寿命的效果；

（2）安装在铣刀上的电涡流传感器与安装在工件上的加速度传感器将信号传输到预回控制系统，预回控制系统对信号进行分析处理，向超声波控制系统发出信号，通过功率放大器进行信号放大处理，集成换能器将信号转换成高于工作所需振幅3%的高频振动，同时预回控制系统输出信号控制可控阻尼器，产生不同强度的阻尼，对集成换能器产生的略高于工作需求的高频振动进行抑制，产生符合工作需求的高频振动，从而改善工件表面加工质量，提高刀具寿命。

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