CN110076350A - 一种超声冲压式切削挤压一体化加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超声冲压式切削挤压一体化加工方法，包括：对机床上的切削刀具施加与切削速度方向垂直或含有与切削速度方向垂直的振动分量的横向超声振动；设置切削参数和超声振动参数，使切削过程中出现动态负后角，刀具后刀面对工件表面进行超声频冲击挤压；设定挤压重叠率；设定挤压切削刀具的后刀面磨钝标准；控制刀具相邻转的振动切削轨迹相位差；开启机床与超声振动，使切削工件与挤压强化工件表面通过一道工序完成。本发明公开的超声冲压式切削挤压一体化加工方法，无需附加强化工序，在对工件进行切削的同时即可对工件表面进行挤压强化。

Description

一种超声冲压式切削挤压一体化加工方法
技术领域
本发明涉及机械加工及工件表面强化领域，特别是涉及一种超声冲压式切削挤压一体化加工方法。
背景技术
随着航空航天、武器、核能、交通等高端设备的发展，对其零件表面性能要求也越来越高。材料的主要失效形式有磨损、腐蚀、疲劳等。在载荷的作用下材料表面会产生疲劳裂纹，其进一步扩展可引发材料疲劳断裂，导致构件的整体破坏，因此表面抗疲劳制造在零件生产制造中具有重要地位。为提高零部件的可靠性及延长其使用时长，通常使用表面强化技术在不改变基体材料性能的前提下对零件表面组织进行处理。常用的表面强化技术有喷丸、表面滚压和激光冲击等。喷丸强化利用高速弹丸强烈撞击零部件表面，使其产生形变硬化层并引起残余压应力；表面滚/挤压是通过一定形式的滚/挤压工具向材料表面施加一定数值压力，使其表面发生局部微小的塑性变形，达到改善表面粗糙度和获得残余压应力的效果；激光冲击强化技术是利用激光诱导产生的高功率密度应力波，使金属表面层产生塑性变形，导致位错密度增加，产生残余压应力，从而提高硬度和疲劳寿命等性能的表面强化方法。
然而，以上常用的表面强化方法均存在不足或发展限制。喷丸处理不易精确控制强化区域，且会因丸粒冲击形成的塑形压痕使被处理工件表面粗糙度增加；滚/挤压作用力较大，易影响弱刚性零件加工精度，且加工速度较快时容易造成工件表面划伤或产生不利的残余应力，且不易在现有的制造生产线上采用传统的机加工设备实现。激光冲击强化虽然能达到较好的效果，但冲击强化效率普遍较低，加工过程比较耗时，且激光冲击强化设备非常昂贵，这些都限制了该技术的大规模推广。它们的共同问题是必须附加强化工序，而对于狭窄结构来说，强化加工抵达性差。
在普通切削加工中，通常可通过调整切削刀具刃口圆弧半径、切削深度等参数，或通过在刀具刀刃处设置负倒棱实现一定的熨压强化工件表面的效果；然而这些方法均会带来很大的切深抗力，与滚/挤压工艺一样会影响弱刚性零件加工精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种超声冲压式切削挤压一体化加工方法，无需附加强化工序，在对工件进行切削的同时即可对工件表面进行挤压强化。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种超声冲压式切削挤压一体化加工方法，包括：
对机床上的切削刀具施加与切削速度方向垂直或含有与切削速度方向垂直的振动分量的横向超声振动；
设置切削参数和超声振动参数，使切削过程中出现动态负后角，刀具后刀面对工件表面进行超声频冲击挤压；
设定挤压重叠率；
设定挤压切削刀具的后刀面磨钝标准；
控制刀具相邻转的振动切削轨迹相位差；
开启机床与超声振动，使切削工件与挤压强化工件表面通过一道工序完成。
可选的，所述对机床上的切削刀具施加与切削速度方向垂直或含有与切削速度方向垂直的振动分量的横向超声振动，具体包括：
对机床上的切削刀具施加与切削速度方向垂直的径向或轴向超声振动；或者对机床上的刀具施加含有与切削速度方向垂直的振动分量的椭圆超声振动。
可选的，所述设置切削参数和超声振动参数，使切削过程中出现动态负后角，刀具后刀面对工件表面进行超声频冲击挤压，具体包括：
设置切削参数和超声振动参数满足公式(1)，使切削过程中出现动态负后角，刀具后刀面对工件表面进行超声频率的冲击挤压：
式中，αt为动态后角，α为刀具名义后角，vc为切削速度，A为超声振幅，Fz为超声振动频率；动态后角αt越小，工件材料被挤压量越大，挤压效果越强；
所述切削参数包括刀具的切削速度vc、进给速度vf、刀具切深；
所述超声振动参数包括超声振动频率Fz和超声振幅A。
可选的，所述设定挤压重叠率，具体包括：
挤压重叠率K通过以下公式(2)计算：
式中，所述挤压覆盖率K为刀具多次挤压的面积总和与工件已加工表面面积的比值；Kc为在切削速度方向上的重叠率，le为一个振动切削周期内切削速度方向上单次挤压长度，λ为振动切削波长；Kf为刀具刃宽方向上的重叠率，w为刀具刃宽，fw为刃宽方向上的进给量；挤压重叠率K越大，挤压效果越突出。
可选的，所述设定挤压切削刀具的后刀面磨钝标准，具体包括：
根据预期挤压效果和加工精度设定相应的刀具后刀面磨钝标准；
所述预期挤压效果考虑由于后刀面磨损带的名义后角为零，当后刀面磨损带代替后刀面对工件进行挤压时，动态后角被进一步减小，一个振动切削周期内单次挤压长度le增大，挤压重叠率增大；
所述加工精度考虑后刀面磨损带会增大工件已加工表面粗糙度，降低加工精度。
可选的，所述控制刀具相邻转的振动切削轨迹相位差，具体包括：
实时获取机床主轴转动频率变化量ΔFn，通过闭环控制对超声振动频率进行补偿，使所述超声振动频率的补偿满足以下公式(3)，使所述超声振动频率与机床主轴转动频率Fn严格同步，使已加工工件的表面粗糙度最小：
ΔFz＝M·ΔFn (3)
式中，ΔFz为超声振动频率补偿值，ΔFn为机床主轴转动频率变化量，M为控制特定相位差所需的超声振动频率与机床主轴转动频率Fn的理论比值。
可选的，所述机床为能进行各类切削加工工艺的车床、铣床、钻床、磨床或加工中心。
可选的，所述切削刀具为能进行各类切削加工工艺的车刀、铣刀、磨头、钻头、铰刀或锪钻。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开的超声冲压式切削挤压一体化加工方法，包括：对机床上的切削刀具施加与切削速度方向垂直或含有与切削速度方向垂直的振动分量的横向超声振动；设置切削参数和超声振动参数，使切削过程中出现动态负后角，刀具后刀面对工件表面进行超声频冲击挤压，设定挤压重叠率，设定挤压切削刀具的后刀面磨钝标准，控制刀具相邻转的振动切削轨迹相位差，开启机床与超声振动，使切削工件与挤压强化工件表面通过一道工序完成。该方法通过控制和利用振动切削的动态负后角特性，在切削工件的同时，刀具后刀面对工件表面进行冲击挤压，实现切削工件和强化表面同时进行，因此无需再额外附加表面强化工序。因此，该方法在降低切削力、切削热的同时，还能通过刀具后刀面对工件表面的冲击挤压作用，达到使加工完的工件表面产生残余压应力、表面显微硬度提高、工件表层组织细化以及显著提高工件的疲劳寿命等效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法实施例的流程图；
图2为本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法实施例的动态后角变化示意图；
图3为本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法实施例的切削挤压原理示意图；
图4为本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法实施例的存在后刀面磨损带的刀具切削挤压原理示意图；
图5为本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法实施例的刀具刃口在多转切削中重复挤压工件表面示意图；
图6为采用本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法加工的挤压形貌示意图；
图7为采用本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法的车削挤压一体化加工示意图；
图8、图9均为采用本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法的铣削挤压一体化加工示意图；
图10、图11均为采用本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法的磨削挤压一体化加工示意图；
图12为采用本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法的钻削挤压一体化加工示意图；
图13为采用本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法的铰削挤压一体化加工示意图；
图14为采用本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法的锪孔挤压一体化加工示意图；
图15为采用本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法加工的工件残余压应力变化示意图；
图16为采用本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法加工的工件表面显微硬度变化示意图；
图17为采用本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法与采用普通切削加工方法加工的工件疲劳寿命对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种超声冲压式切削挤压一体化加工方法，无需附加强化工序，在对工件进行切削的同时即可对工件表面进行挤压强化。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明超声冲压式削挤压一体化加工方法实施例的流程图。参见图1，该超声冲压式切削挤压一体化加工方法包括：
步骤101：对机床上的切削刀具施加与切削速度方向垂直或含有与切削速度方向垂直的振动分量的横向超声振动；
该步骤101具体包括：
对机床上的切削刀具施加与切削速度方向垂直的径向或轴向超声振动；或者对机床上的刀具施加含有与切削速度方向垂直的振动分量的椭圆超声振动。
所述机床为能进行各类切削加工工艺的车床、铣床、钻床、磨床或加工中心。
所述切削刀具为能进行各类切削加工工艺的车刀、铣刀、磨头、钻头、铰刀或锪钻。
步骤102：设置切削参数和超声振动参数，使切削过程中出现动态负后角，刀具后刀面对工件表面进行超声频冲击挤压；
该步骤102具体包括：
设置切削参数和超声振动参数满足公式(1)，使切削过程中出现动态负后角，刀具后刀面对工件表面进行超声频率的冲击挤压：
式中，αt为动态后角，α为刀具名义后角，vc为切削速度，A为超声振幅，Fz为超声振动频率；动态后角αt越小，工件材料被挤压量越大，强化效果越强；
所述切削参数包括刀具的切削速度vc、进给速度vf、刀具切深；
所述超声振动参数包括超声振动频率Fz和超声振幅A。
步骤103：设定挤压重叠率；
该步骤103具体包括：
挤压覆盖率K通过以下公式(2)计算：
式中，所述挤压覆盖率K为刀具多次挤压的面积总和与工件已加工表面面积的比值；Kc为在切削速度方向上的重叠率，le为一个振动切削周期内切削速度方向上单次挤压长度，λ为振动切削波长；Kf为刀具刃宽方向上的重叠率，w为刀具刃宽，fw为刃宽方向上的进给量；挤压重叠率K越大，挤压效果越突出。
步骤104：设定挤压切削刀具的后刀面磨钝标准；
该步骤104具体包括：
根据预期挤压效果和加工精度设定相应的刀具后刀面磨钝标准；
所述预期挤压效果考虑由于后刀面磨损带的名义后角为零，当后刀面磨损带代替后刀面对工件进行挤压时，动态后角被进一步减小，一个振动切削周期内单次挤压长度le增大，挤压重叠率增大；
所述加工精度考虑后刀面磨损带会增大工件已加工表面粗糙度，降低加工精度。
步骤105：控制刀具相邻转的振动切削轨迹相位差；
该步骤105具体包括：
实时获取机床主轴转动频率变化量ΔFn，通过闭环控制对超声振动频率进行补偿，使所述超声振动频率的补偿满足以下公式(3)，使所述超声振动频率与机床主轴转动频率Fn严格同步，使冲压切削后工件的表面粗糙度最小：
ΔFz＝M·ΔFn (3)
式中，ΔFz为超声振动频率补偿值，ΔFn为机床主轴转动频率变化量，M为控制特定相位差所需的超声振动频率与机床主轴转动频率Fn的理论比值。
步骤106：开启机床与超声振动，使切削工件与挤压强化工件表面通过一道工序完成。
该超声冲压式切削挤压一体化加工方法在切削工件的同时，利用刀具后刀面对工件表面的冲击挤压作用，实现工件切削与表面挤压强化同时进行，因此无需再额外附加强化工序。该方法在超声振动切削实现降低切削力、切削热的同时，还能通过刀具后刀面对工件表面的挤压作用，在保证已加工表面粗糙度的前提下，达到以下效果：加工完的工件表面出现残余压应力、表面显微硬度提高、工件表层组织细化，进而抑制疲劳裂纹的产生与扩展，显著提高工件的疲劳寿命。相对于现有技术得到表面强化的零件必须需要两步，即首先对毛坯切削加工或增材成型得到零件，然后再对零件进行表面强化，本发明在切削加工过程中即可实现表面强化；相对于现有表面强化技术必须通过专用强化装置或设备沿零件表面法向方向进行强化，狭窄结构难抵达，本发明通过切削刀具即可实现表面强化，只要是能通过切削加工获得的零件都可通过本发明的方法实现表面强化。
图2为本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法实施例的动态后角变化示意图。参见图2，在超声振动切削工件1时，瞬时的动态后角αt小于零时，刀具2后刀面对工件1表面产生挤压。图中，α为名义后角，即刀具无超声振动时的切削后角。图2中，1-工件，2-刀具。
图3为本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法实施例的切削挤压原理示意图。参见图3，在一个超声振动周期的负后角段，刀具后刀面对工件表面进行一次挤压；随切削过程的进行，后刀面对工件表面进行超声频多次挤压，最终在已加工表面形成塑性变形层。图3中，1-工件，2-刀具。le为一个超声振动周期内的单次挤压长度。
图4为本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法实施例的存在后刀面磨损带的刀具切削挤压过程示意图。参见图4，当刀具后刀面磨损带VB大于等于振动切削波长λ时，磨损带会代替后刀面对工件进行挤压，一个振动切削周期内单次挤压长度le增大，挤压效果相比锋利刀具更加突出。图4中，1-工件，2-刀具。
图5为本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法实施例的刀具刃口在多转切削中重复挤压工件表面示意图。参见图5，图中切削速度方向垂直于纸面，刀具刃口在多转切削中会对工件表面同一位置进行反复挤压，进而增强挤压效果。w为刀具刃宽，fw为刃宽方向上的进给量。
图6为采用本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法加工的挤压形貌示意图。参见图6，切削速度方向是刀具切削刃相对工件主运动的速度方向。其中主运动方向为切削刃上选定点相对工件的瞬时主运动方向。切削速度为切削刃上选定点相对工件的主运动的瞬时速度。车削中工件回转，切削刃位置固定，因此切削速度方向是一定的，超声振动方向与切深方向(工件径向)垂直或存在该方向分量时都与速度垂直。铣削、磨削及钻削均是刀具回转，每一时刻切削刃都在做回转运动，因此其切削速度方向也是不断变化的，刀具的轴向与切削速度平面垂直，因此刀具轴向超声振动方向与速度方向垂直；椭圆超声振动方向在切削速度平面内且不断变化，但是总存在与切削速度方向垂直的振动分量。
图7为采用本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法的车削挤压一体化加工示意图。将本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法应用在车削钛合金工艺中，包括以下步骤：
S1：工件1夹持在车床主轴上，对车刀21施加径向超声振动(如图6所示)，此时车刀21的振动方向与切削速度方向垂直，并且指向工件1的中心线。
S2：调节车削参数(车刀21切削线速度为20m/min、切深为0.1mm、进给量为0.02mm/r)和车刀21振动参数(振动频率为22330Hz、振动幅值为8um)；
S3：开启车床实现车削挤压一体化加工过程。
此外，工件1夹持在车床主轴上，对车刀21施加椭圆超声振动时(如图7所示)，此时车刀21的振动方向含有径向振动分量，也与切削速度方向垂直。因此，调节车削参数(车刀21切削线速度为20m/min、切深为0.1mm、进给量为0.02mm/r)和车刀21振动参数(振动频率为22330Hz、振动幅值为8um)，开启车床即可实现车削挤压一体化加工过程。图7中，1-工件，21-车刀。
图8、图9均为采用本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法的铣削挤压一体化加工示意图。将本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法应用在铣削钛合金工艺中，包括以下步骤：
S1：工件1固定在铣床上，对铣刀22施加超声振动，当使用铣刀22侧刃铣削工件1侧面时(如图8所示)，铣刀22的振动方向为椭圆超声振动，椭圆超声振动存在一个与铣刀22每一齿的切削速度方向垂直的振动分量；
S2：调节铣削参数(铣刀22切削线速度为80m/min、径向切深0.1mm、轴向切深8mm、进给量0.01mm/r)和铣刀22的振动参数(振动频率为28500Hz，振动幅值为8um)；
S3：开启机床实现铣削挤压一体化加工过程。
此外，工件1固定在铣床上，对铣刀22施加超声振动，当使用铣刀22插铣圆角时(如图9所示)，铣刀22的振动方向为轴向或椭圆超声振动，超声振动与铣刀22的每一齿切削速度方向垂直；调节铣削参数(铣刀22切削线速度为80m/min、径向切深0.1mm，轴向切深8mm，进给量0.01mm/r)和铣刀22的振动参数(振动频率为28500Hz，振动幅值为8um)，开启机床即可实现铣削挤压一体化加工过程。图8、图9中，1-工件，22-铣刀。
图10、图11均为采用本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法的磨削挤压一体化加工示意图。将本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法应用在磨削钛合金工艺中，包括以下步骤：
S1：工件1固定在磨床上，对磨头23施加超声振动，当使用磨头23侧面磨粒磨削工件1侧面时(如图10所示)，磨头23的振动方向为椭圆超声振动，椭圆超声振动存在一个与磨头23的每一个磨粒切削速度方向垂直的振动分量；
S2：调节磨削参数(磨头23切削线速度为50m/s、轴向切深为0.5mm、径向切深为0.01mm、进给量为600mm/min)和磨头23振动参数(振动频率为22800Hz、振动幅值为8um)；
S3：开启机床实现磨削挤压一体化加工过程。
此外，工件1固定在磨床上，对磨头23施加超声振动，当使用磨头23端面磨粒磨削工件1端面时(如图11所示)，磨头23的振动方向为轴向超声振动，轴向超声振动与磨头23的每一个磨粒切削速度方向垂直；调节磨削参数(磨头23切削线速度为50m/s、轴向切深为0.5mm、径向切深为0.01mm、进给量为600mm/min)和磨头23振动参数(振动频率为22800Hz、振动幅值为8um)，开启机床即可实现磨削挤压一体化加工过程。图10、11中，1-工件，23-磨头。
图12为采用本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法的钻削挤压一体化加工示意图。将本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法应用在钻削钛合金工艺中，包括以下步骤：
S1：工件1固定在钻床上，对钻头24施加椭圆超声振动时(如图12所示)，钻头24的椭圆超声振动存在一个与钻头24切削刃切削速度方向垂直的振动分量；
S2：调节钻削参数(刀具2切削线速度为60m/min、进给量为0.01mm/r)和钻头24振动参数(振动频率为27089Hz、振动幅值为10um)；
S3：开启机床实现钻削挤压一体化加工过程。
图12中，24-钻头。
图13为采用本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法的铰削挤压一体化加工示意图。将本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法应用在铰削钛合金工艺中，包括以下步骤：
S1：工件1固定在机床上，对铰刀25施加椭圆超声振动时(如图13所示)，铰刀25的椭圆超声振动存在一个与铰刀25切削刃切削速度方向垂直的振动分量；
S2：调节铰削参数(铰刀25切削线速度为40m/min、切深为0.10mm、进给量为0.005mm/r)和铰刀25振动参数(振动频率为21350Hz、振动幅值为4um)；
S3：开启机床实现铰削挤压一体化加工过程。
图13中，25-铰刀。
图14为采用本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法的锪孔挤压一体化加工示意图。将本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法应用在钛合金锪孔工艺中，包括以下步骤：
S1：工件1固定在锪床上，对锪钻26施加超声振动，当锪钻26的振动方向为轴向超声振动时(如图14所示)，锪钻26的振动方向与切削速度方向垂直，并且平行于锪钻26的进给方向；当锪钻26的振动方向为椭圆超声振动时(如图14所示)，锪钻26的椭圆超声振动存在一个与锪钻26切削刃切削速度方向垂直的振动分量；
S2：调节锪孔参数(锪钻26切削线速度为80m/min、进给量为0.01mm/r)和锪钻26振动参数(振动频率为28500Hz、振动幅值为8um)；
S3：开启机床实现锪窝挤压一体化加工过程。
图14中，1-工件，26-锪钻。
切削参数根据不同的加工材料和加工工艺给定。切削参数和振动参数的设置原则为：使使切削过程中出现动态负后角，刀具后刀面对工件表面进行超声频率的冲击挤压：
式中，αt为动态后角，α为刀具名义后角，vc为切削速度，A为超声振幅，Fz为超声振动频率；通过实时获取机床主轴转动频率变化量ΔFn，通过闭环控制对超声振动频率Fz进行补偿，使其满足以下公式，实现超声振动频率Fz与机床主轴转动频率Fn严格同步，使切削挤压后工件的表面粗糙度最小：
ΔFz＝M·ΔFn
式中，ΔFz为超声振动频率补偿值，ΔFn为机床主轴转动频率变化量，M为控制特定相位差所需的超声振动频率Fz与机床主轴转动频率Fn的理论比值。
本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法，首次控制和利用超声振动动态负后角特性实现冲击挤压的目的，且刀具振动切削可使平均切削力下降，实现降力；切削液能充分渗入切削区，带走切削热，实现降热。该方法能使切削工件与挤压强化工件表面通过一道工序完成，在实现降低切削力、切削热的同时，还能实现在保证已加工表面粗糙度的前提下，使已加工工件表面应力状态发生变化，由拉应力或无显著表面应力变成显著压应力；工件表层组织细化，表面显微硬度提高，进而显著提高工件的疲劳寿命。图15为采用本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法加工的工件残余压应力变化示意图(振幅为0代表普通切削加工)；图16为采用本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法加工的工件表面显微硬度变化示意图(振幅为0代表普通切削加工)；图17为采用本发明超声冲压式切削挤压一体化加工方法与采用普通切削加工方法加工的工件疲劳寿命对比图。其中，图15-图17均为车削挤压一体化加工钛合金试验结果与普通切削加工方法试验结果对比图。其中，车削挤压一体化加工钛合金试验中，切削参数为线速度10m/min，切深0.1mm，进给量0.04mm/r，切削液为乳化液。从图15中可以看出，采用本发明的切削挤压一体化加工方法能够为工件带来显著的残余压应力，相比普通加工可显著提高残余压应力的绝对值；从图16中可以看出，相对于普通切削加工方法，采用本发明的切削挤压一体化加工方法能够显著提升工件表面的显微硬度；从图17中可以看出，相对于普通切削加工方法，采用本发明切削挤压一体化加工方法的疲劳试件的疲劳断裂拉伸次数极大提高，工件的疲劳寿命可提升8倍。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种超声冲压式切削挤压一体化加工方法，其特征在于，包括：
对机床上的切削刀具施加与切削速度方向垂直或含有与切削速度方向垂直的振动分量的横向超声振动；
设置切削参数和超声振动参数，使切削过程中出现动态负后角，刀具后刀面对工件表面进行超声频冲击挤压；
设定挤压重叠率；
设定挤压切削刀具的后刀面磨钝标准；
控制刀具相邻转的振动切削轨迹相位差；
开启机床与超声振动，使切削工件与挤压强化工件表面通过一道工序完成。
2.根据权利要求1所述的超声冲压式切削挤压一体化加工方法，其特征在于，所述对机床上的切削刀具施加与切削速度方向垂直或含有与切削速度方向垂直的振动分量的横向超声振动，具体包括：
对机床上的切削刀具施加与切削速度方向垂直的径向或轴向超声振动；或者对机床上的刀具施加含有与切削速度方向垂直的振动分量的椭圆超声振动。
3.根据权利要求1所述的超声冲压式切削挤压一体化加工方法，其特征在于，所述设置切削参数和超声振动参数，使切削过程中出现动态负后角，刀具后刀面对工件表面进行超声频冲击挤压，具体包括：
设置切削参数和超声振动参数满足公式(1)，使切削过程中出现动态负后角，刀具后刀面对工件表面进行超声频率的冲击挤压：
式中，αt为动态后角，α为刀具名义后角，vc为切削速度，A为超声振幅，Fz为超声振动频率；动态后角αt越小，工件材料被挤压量越大，挤压效果越强；
所述切削参数包括刀具的切削速度vc、进给速度vf、刀具切深；
所述超声振动参数包括超声振动频率Fz和超声振幅A。
4.根据权利要求1所述的超声冲压式切削挤压一体化加工方法，其特征在于，所述设定挤压重叠率，具体包括：
挤压重叠率K通过以下公式(2)计算：
式中，所述挤压重叠率K为刀具多次挤压的面积总和与工件已加工表面面积的比值；Kc为在切削速度方向上的重叠率，le为一个振动切削周期内切削速度方向上单次挤压长度，λ为振动切削波长；Kf为刀具刃宽方向上的重叠率，w为刀具刃宽，fw为刃宽方向上的进给量；挤压重叠率K越大，挤压效果越突出。
5.根据权利要求1所述的超声冲压式切削挤压一体化加工方法，其特征在于，所述设定挤压切削刀具的后刀面磨钝标准，具体包括：
根据预期挤压效果和加工精度设定相应的刀具后刀面磨钝标准；
所述预期挤压效果考虑由于后刀面磨损带的名义后角为零，当后刀面磨损带代替后刀面对工件进行挤压时，动态后角被进一步减小，一个振动切削周期内单次挤压长度le增大，挤压重叠率增大；
所述加工精度考虑后刀面磨损带会增大工件已加工表面粗糙度，降低加工精度。
6.根据权利要求1所述的超声冲压式切削挤压一体化加工方法，其特征在于，所述控制刀具相邻转的振动切削轨迹相位差，具体包括：
实时获取机床主轴转动频率变化量ΔFn，通过闭环控制对超声振动频率进行补偿，使所述超声振动频率的补偿满足以下公式(3)，使所述超声振动频率与机床主轴转动频率Fn严格同步，使冲压切削后工件的表面粗糙度最小：
ΔFz＝M·ΔFn (3)
式中，ΔFz为超声振动频率补偿值，ΔFn为机床主轴转动频率变化量，M为控制特定相位差所需的超声振动频率与机床主轴转动频率Fn的理论比值。
7.根据权利要求1所述的超声冲压式切削挤压一体化加工方法，其特征在于，所述机床为能进行各类切削加工工艺的车床、铣床、钻床、磨床或加工中心。
8.根据权利要求1所述的超声冲压式切削挤压一体化加工方法，其特征在于，所述切削刀具为能进行各类切削加工工艺的车刀、铣刀、磨头、钻头、铰刀或锪钻。
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