CN110899731A - 用于制备金属多孔材料的多棱角颗粒的切削装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制备金属多孔材料的多棱角颗粒的切削装置及方法，属于金属切削加工及多孔材料制备领域。包括连接块、两自由度柔性基体上、隔振底座固定连接、金刚石刀片，水平方向压电叠堆、竖直方向压电叠堆、水平方向电容位移传感器和竖直方向电容式位移传感器。本发明采用压电叠堆驱动直圆型柔性铰链运动，运动精确，振动切削的方式有效降低切削力提高刀具寿命,能在加工不锈钢等难加工材料时保证一定经济性；获得的细观多棱角切屑颗粒在烧结过程中更利于烧结颈的形成，获得的金属多孔材料孔隙率高、比表面积大，可满足多种特殊要求场合，有广阔的应用前景。

Description

用于制备金属多孔材料的多棱角颗粒的切削装置及方法

技术领域

本发明属于金属切削加工及多孔材料制备的技术领域，特别是涉及一种用于制备金属多孔材料的多棱角颗粒的切削装置及方法。

背景技术

金属多孔材料是近些年来飞速发展的材料学科的一个重要分支，因其比密度小、比强度比刚度高、吸能缓冲减震等功能特点，所以在机械传动、建筑、医学、国防等工程领域有广泛的应用。

烧结金属多孔材料兼金属材料和多孔材料的特性，具有机械强度高、可焊接、抗腐蚀、耐高温、易加工等优点，呈现出功能性强、应用面广的现象。孔隙率是金属多孔材料最重要的性质，烧结过程所用到的金属纤维原料是决定金属多孔材料的孔隙率的最重要因素之一。经过研究发现，由于烧结过程中烧结颈的成长特性，所以在细观上呈非圆柱形截面，具有大棱角的的金属切屑颗粒能够获得相比于传统加工方法得到的圆柱形截面纤维更好的烧结效果与更大的孔隙率，能在不同场合更好的发挥金属多孔材料的性能优越性。

目前金属纤维的加工方法主要有熔抽法、拉拨法、切削法，用于烧结多孔材料的金属纤维主要采用切削法。中国专利金属长纤维的大刃倾角切削装置(专利号00238016.1)利用多齿状的大刃倾角刀具安装在机床的刀架上，利用刃倾角大则刀具锋利的特点能同时切出多条纤维。但该装置中刀具与金属棒料保持大刃倾角持续接触，切削温度高，只能用于较软的铜纤维的加工，且对刀具磨损严重。(专利公开号CN104384395A)提及了一种金属短纤维的制备方法及其短切装置，装置体积较大较复杂，且短纤维实际由长纤维短切而成，细观上看截面仍呈圆柱形，烧结后的孔隙率不高。

上述的加工方法普遍用于加工铜等易加工金属，制备的是金属长纤维或由长纤维短切而成的金属纤维，在细观上的纤维截面仍为圆柱形且为细长纤维形态，不具有丰富的表面细观结构，烧结出的金属多孔材料孔隙率不高，不能充分体现出多孔材料的性能优越性；而在一些结构紧凑精密的场合如齿轮副传递中，需要用不锈钢等难加工但性能优越、耐磨的金属制备体积小、孔隙率大的多孔材料，并进一步与仿生领域结合制备微阵列结构，利用其亲疏油性、减震吸能性等以大幅度提升结构性能，这已经成为了多孔材料研究的一个新的热点方向。因此如何获得细观上具有大棱角不锈钢金属切屑颗粒以烧结高孔隙率的金属多孔材料适用于一些特殊场合，已成为相关研究人员急需解决的难题。

发明内容

本发明提供一种用于制备金属多孔材料的多棱角颗粒的切削装置及方法，以获得高孔隙率、使用领域广泛的新型烧结金属多孔材料。

本发明采用的技术方案是：连接块用螺栓连接固定在两自由度柔性基体上，两自由度柔性基体整体用螺栓与隔振底座固定连接，燕尾块与隔振底座底部一侧固定连接，金刚石刀片采用螺栓压紧固定在刀座上的刀具槽中，水平方向压电叠堆通过预紧螺栓推动两自由度柔性基体上的直梁型柔性铰链实现预紧，该水平方向压电叠堆头部嵌入直梁型柔性铰链一的球面凹槽，该直梁型柔性铰链一另一端与刀座之间的凹槽嵌有小球一；竖直方向压电叠堆通过预紧螺栓推动连接块上的直梁型柔性铰链一实现预紧，压电叠堆头部嵌入直梁型柔性铰链二的球面凹槽，该直梁型柔性铰链二另一端与刀座中间的凹槽嵌有小球二；水平方向电容位移传感器通过螺栓夹紧于传感器夹持上，水平方向电容位移传感器探头对准位移测量挡板一，竖直方向电容式位移传感器通过螺栓夹紧于连接块上的传感器夹持部上，竖直方向电容式位移传感器探头对准位移测量挡板二。

所述两自由度柔性基体为一体式结构，导向铰链包含X向直圆型铰链一、X向直圆型铰链二和Y向直圆型铰链一、Y向直圆型铰链二，二者耦合在一起垂直分布，中间有刀座，刀座后表面与下表面开有凹槽，在其与直梁型铰链一、直梁型铰链二中间分别嵌有小球一和小球二，水平方向直梁型预紧铰链在水平方向与两边开凹槽的直梁型铰链一平行分布。

所述连接块一体加工，包括有直梁型预紧铰链和传感器夹持部。

护板与两自由度柔性基体前面固定连接。

所述隔振底座由孔径≥100μm、孔隙比≥70％的多孔金属加工而成，具有良好的弹性变形特性，起到振动缓冲作用；孔隙间有微小金属颗粒，颗粒间的碰撞进一步减小振动，具有颗粒阻尼效果；二者结合可以抵消振动切削装置的高频振动给机床带来的扰动，保证机床工作精度。

一种用于制备金属多孔材料的多棱角切屑颗粒的切削方法，包括下列步骤：

(1)数控车床的主轴安装在轴向导轨上，用于制备金属多孔材料的多棱角颗粒的切削装置安装在X向导轨上，主轴后端安装可以检测主轴转角的编码器，编码器检测主轴的转动信号分别传输给机床数控系统和切削装置的控制器，使X向和Z向导轨的进给运动、切削装置的输出运动都以主轴转角编码器信号代替时间为基准进行进给运动，使所有运动在同一基准下保持同步，保证切削的重复性，工件随主轴旋转；

(2)刀具以切深方向为长轴、转速方向为短轴的椭圆振动轨迹进行切削运动，在光滑的圆柱工件表面高频振动切削，产生具有四棱锥结构的鱼鳞状残留；

(3)刀具再以长轴远大于短轴的椭圆振动轨迹将四棱锥状的凸起切削下来，被切削下来的颗粒即为多棱角颗粒；

(4)切削过后的表面还是四棱锥结构的鱼鳞状表面残留，可以往复多次切削制备多棱角颗粒。

本发明有益效果在于：

(1)本方法获得的切屑颗粒相比于传统的金属纤维和粉末烧结法，在细观上截面为非圆柱形，且具有丰富的表面微结构，在多孔材料烧结过程中更利于烧结颈的形成长大，获得的金属多孔材料孔隙率高、比表面积大，颗粒不易脱落，可满足多种特殊要求场合，应用范围很广。

(2)采用二维振动切削的方式有效降低了切削过程中的切削热和切削力，减少了切屑变形利于断屑，使得到的切屑颗粒更加符合需要，也很大的减小了对金刚石刀具的磨损，使用金刚石刀具便能加工不锈钢等难加工材料，既保证了产品的质量也有效增加了刀具的使用寿命。

(3)本发明采用了一种新型抗耦合结构，两自由度柔性基体上直梁型柔性铰链一和直梁型柔性铰链二在接触面两侧分别开有球面凹槽，一端与球头压电接触，另一端与分别置有小球一和小球二，两小球另一端分别嵌入刀座的凹槽中，当刀座受水平方向压电叠堆的力产生位移时小球一在水平凹槽内微动；当刀座受竖直方向压电叠堆的力产生位移时小球二在竖直凹槽内微动，这样既保证了两压电不受剪切力导致易损，也使得两方向运动不发生耦合产生误差，保证了装置运动精度，保证了两方向压电输出力和位移不会互相耦合产生误差，压电不会因另一方向受剪切力导致易损，提高了装置可靠性。

(4)本发明中采用了具有一定弹性和吸油性的泡沫金属板制造底座部分，有效隔离了装置振动对机床导轨的影响，提高了运动精度，保护了机床和切削装置的使用寿命。

附图说明

图1是本发明在机床X向导轨上的安装示意图；

图2是本发明切削运动系统原理图；

图3是本发明所述切屑颗粒切削方法三维示意图；

图4是本发明所述切屑颗粒切削方法二维示意图；

图5是本发明所述刀具椭圆振动路径合成原理图；

图6是本发明切削装置的前轴测图；

图7是本发明切削装置去除前挡板的前轴测图；

图8是本发明切削装置去除前挡板的后轴测图；

图9是本发明两自由度柔性基体的前轴侧示意图；

图10是本发明两自由度柔性基体的俯视图；

图11是本发明用于压电与刀座连接的抗耦合结构示意图；

图12是本发明连接块的前轴测图。

具体实施方式

连接块6用螺栓连接固定在两自由度柔性基体1上，两自由度柔性基体1整体用螺栓与隔振底座2固定连接，燕尾块3与隔振底座2底部一侧固定连接，金刚石刀片4采用螺栓压紧固定在刀座101上的刀具槽中，水平方向压电叠堆8通过预紧螺栓12推动两自由度柔性基体1上的直梁型柔性铰链106实现预紧，该水平方向压电叠堆8头部嵌入直梁型柔性铰链一104的球面凹槽，该直梁型柔性铰链一104另一端与刀座101之间的凹槽嵌有小球一105；竖直方向压电叠堆9通过预紧螺栓13推动连接块6上的直梁型柔性铰链一601实现预紧，压电叠堆9头部嵌入直梁型柔性铰链二109的球面凹槽，该直梁型柔性铰链二109另一端与刀座101中间的凹槽嵌有小球二110；水平方向电容位移传感器10通过螺栓夹紧于传感器夹持7上，水平方向电容位移传感器10探头对准位移测量挡板一111，竖直方向电容式位移传感器11通过螺栓夹紧于连接块6上的传感器夹持部602上，竖直方向电容式位移传感器9探头对准位移测量挡板二112；

所述两自由度柔性基体1为一体式结构，导向铰链包含X向直圆型铰链一102、X向直圆型铰链二103和Y向直圆型铰链一107、Y向直圆型铰链二108，二者耦合在一起垂直分布，中间有刀座101，刀座101后表面与下表面开有凹槽，在其与直梁型铰链一104、直梁型铰链二109中间分别嵌有小球一105和小球二110，水平方向直梁型预紧铰链106在水平方向与两边开凹槽的直梁型铰链一104平行分布；

所述连接块6一体加工，包括有直梁型预紧铰链601和传感器夹持部602；

护板5与两自由度柔性基体1前面固定连接。

所述隔振底座2由孔径≥100μm、孔隙比≥70％的多孔金属加工而成，具有良好的弹性变形特性，起到振动缓冲作用；孔隙间有微小金属颗粒，颗粒间的碰撞进一步减小振动，具有颗粒阻尼效果；二者结合可以抵消振动切削装置的高频振动给机床带来的扰动，保证机床工作精度。

一种用于制备金属多孔材料的多棱角切屑颗粒的切削方法，包括下列步骤：

(1)数控车床的主轴安装在轴向导轨上，用于制备金属多孔材料的多棱角颗粒的切削装置安装在X向导轨上，主轴后端安装可以检测主轴转角的编码器，编码器检测主轴的转动信号分别传输给机床数控系统和切削装置的控制器，使X向和Z向导轨的进给运动、切削装置的输出运动都以主轴转角编码器信号代替时间为基准进行进给运动，使所有运动在同一基准下保持同步，保证切削的重复性，工件随主轴旋转；

(2)刀具4以切深方向为长轴、转速方向为短轴的椭圆振动轨迹进行切削运动，在光滑的圆柱工件14表面高频振动切削，产生具有四棱锥结构的鱼鳞状残留15；

(3)刀具4再以长轴远大于短轴的椭圆振动轨迹将四棱锥状的凸起切削下来，被切削下来的颗粒即为多棱角颗粒16；

(4)切削过后的表面还是四棱锥结构的鱼鳞状表面残留，可以往复多次切削制备多棱角颗粒。

Claims (6)

1.一种用于制备金属多孔材料的多棱角颗粒的切削装置，其特征在于：连接块用螺栓连接固定在两自由度柔性基体上，两自由度柔性基体整体用螺栓与隔振底座固定连接，燕尾块与隔振底座底部一侧固定连接，金刚石刀片采用螺栓压紧固定在刀座上的刀具槽中，水平方向压电叠堆通过预紧螺栓推动两自由度柔性基体上的直梁型柔性铰链实现预紧，该水平方向压电叠堆头部嵌入直梁型柔性铰链一的球面凹槽，该直梁型柔性铰链一另一端与刀座之间的凹槽嵌有小球一；竖直方向压电叠堆通过预紧螺栓推动连接块上的直梁型柔性铰链一实现预紧，压电叠堆头部嵌入直梁型柔性铰链二的球面凹槽，该直梁型柔性铰链二另一端与刀座中间的凹槽嵌有小球二；水平方向电容位移传感器通过螺栓夹紧于传感器夹持上，水平方向电容位移传感器探头对准位移测量挡板一，竖直方向电容式位移传感器通过螺栓夹紧于连接块上的传感器夹持部上，竖直方向电容式位移传感器探头对准位移测量挡板二。

2.根据权利要求1所述的一种用于制备金属多孔材料的多棱角颗粒的切削装置，其特征在于：所述两自由度柔性基体为一体式结构，导向铰链包含X向直圆型铰链一、X向直圆型铰链二和Y向直圆型铰链一、Y向直圆型铰链二，二者耦合在一起垂直分布，中间有刀座，刀座后表面与下表面开有凹槽，在其与直梁型铰链一、直梁型铰链二中间分别嵌有小球一和小球二，水平方向直梁型预紧铰链在水平方向与两边开凹槽的直梁型铰链一平行分布。

3.根据权利要求1所述的一种用于制备金属多孔材料的多棱角颗粒的切削装置，其特征在于：所述连接块一体加工，包括有直梁型预紧铰链和传感器夹持部。

4.根据权利要求1所述的一种用于制备金属多孔材料的多棱角颗粒的切削装置，其特征在于：护板与两自由度柔性基体前面固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于制备金属多孔材料的多棱角颗粒的切削装置，其特征在于：所述隔振底座由孔径≥100μm、孔隙比≥70％的多孔金属加工而成。

6.采用如权利要求1～5任一项所述的一种用于制备金属多孔材料的多棱角颗粒的切削装置的切削方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)数控车床的主轴安装在轴向导轨上，用于制备金属多孔材料的多棱角颗粒的切削装置安装在X向导轨上，主轴后端安装可以检测主轴转角的编码器，编码器检测主轴的转动信号分别传输给机床数控系统和切削装置的控制器，使X向和Z向导轨的进给运动、切削装置的输出运动都以主轴转角编码器信号代替时间为基准进行进给运动，使所有运动在同一基准下保持同步，保证切削的重复性，工件随主轴旋转；

(2)刀具以切深方向为长轴、转速方向为短轴的椭圆振动轨迹进行切削运动，在光滑的圆柱工件表面高频振动切削，产生具有四棱锥结构的鱼鳞状残留；

(3)刀具再以长轴远大于短轴的椭圆振动轨迹将四棱锥状的凸起切削下来，被切削下来的颗粒即为多棱角颗粒；

(4)切削过后的表面还是四棱锥结构的鱼鳞状表面残留，可以往复多次切削制备多棱角颗粒。

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