CN110976914A - 一种钨合金复杂曲面零件的超精密加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钨合金复杂曲面零件的超精密加工方法，所述方法如下：在恒温恒湿的超精密加工实验室内，采用油基切削液，利用硬质合金刀具对钨合金工件进行粗切加工；开启超声椭圆振动切削装置，调整两相振动的振幅和相位差，利用单晶金刚石刀具对钨合金进行“完全分离型”超声椭圆振动切削，得到钨合金工件的高精度高完整性表面。本发明采用超声椭圆振动切削技术来实现钨合金复杂曲面零件的超精密加工，可有效降低单晶金刚石刀具的磨损、抑制钨合金工件加工表面的凹坑和微裂纹、降低工件表面粗糙度。

Description

一种钨合金复杂曲面零件的超精密加工方法
技术领域
本发明涉及精密超精密切削技术领域，尤其涉及一种钨合金复杂曲面零件的超精密加工方法。
背景技术
近年来，核科学技术作为国防工业体系的重要组成，发展迅速，而开展精确的精密物理实验对核科学技术的发展至关重要，为满足精密物理实验需求，钨合金实验样品具有复杂面形特征，需进行近无偏差/缺陷加工。
钨合金具有高硬度、高密度的特点，是一种典型的硬脆难加工材料，机械加工过程中存在切削力大、切削区温度高、刀具磨损严重等问题，易导致材料加工表面产生凹坑和微裂纹等加工缺陷，是制约其获得高精度高完整表面的技术瓶颈。
目前，国内外对钨合金的超精密加工的研究和探索较少，未有一种适合的超精密加工方法，严重制约了钨合金的应用。
发明内容
为解决钨合金超精密加工中存在的切削力大、切削区温度高、刀具磨损严重等问题，而提供一种基于超声椭圆振动加工技术的钨合金(95W-3Ni-2Fe)的超精密加工方法。本发明可有效降低刀具的磨损、抑制工件加工表面的凹坑和微裂纹、降低工件表面粗糙度。本发明采用的技术手段如下：
一种钨合金复杂曲面零件的超精密加工方法，包括如下步骤：
步骤1、确保超精密机床的各个轴系的工作特性正常，待机预热至机床达到热稳定，其中，超精密机床置于预设恒温、恒湿及空气清洁度的超精密加工实验室内；
步骤2、将钨合金工件安装在超精密机床主轴的真空吸盘上，完成钨合金工件的动平衡调整；
步骤3、开启切削液，采用油基冷却切削液浇注法，利用硬质合金刀具对钨合金工件在预设切削参数下进行粗切加工，所述预设切削参数包括切削深度、每转仅给量和主轴转速，并根据切削参数和刀具参数进行加工路径生成；
步骤4、将超声椭圆振动切削装置安装在超精密机床的Z轴上，开启超声椭圆振动切削装置，通过超声电源调整装置两相振动的振幅和相位差，在振动输出满足预设条件下完成对刀；
步骤5、开启切削液，采用油基冷却切削液浇注法，利用超声椭圆振动切削装置端部的单晶金刚石刀具对钨合金工件进行预设切削参数及加工路径下的超声椭圆振动切削加工，所述加工路径根据切削参数和刀具参数进行生成，所述预设切削参数包括切削深度、每转仅给量和主轴转速，此预设切削参数均小于等于粗切加工的预设切削参数；
步骤6、关闭超精密机床及超声椭圆振动切削装置，取下钨合金工件并用无水乙醇进行超声波清洗，干燥后进行保存，得到超声椭圆振动切削技术加工的超精密钨合金表面。
进一步地，所述粗加工的切削参数设置为：an＝8-10μm，f＝5-8μm，n＝500r/min，其中an为切削深度，f为每转仅给量，n为主轴转速；超声椭圆振动切削加工的切削参数设置为：an＝2-4μm，f＝3-5μm，n＝6-8r/min。
进一步地，所述的超精密加工实验室的温度控制在20±0.1℃，湿度控制在35±5％，洁净度控制在800级以上。
进一步地，所述的超精密加工机床为具有Z轴、X轴、主轴/C轴的三轴超精密机床。
进一步地，所述的切削方式为端面车削。
进一步地，所述的钨合金工件的材料为95W-3Ni-2Fe，形状为圆柱状。
进一步地，所述的硬质合金刀具的为氮钛铝涂层，刀具的前角为0°，后角为7°，刀具的刃口半径为0.2mm。
进一步地，所述的单晶金刚石刀具的前角为0°，后角为7°，刀具的刃口半径为0.8mm，切削钝圆半径小于200nm。
进一步地，所述的超声椭圆振动切削装置是由纵向振动和弯曲振动合成的椭圆振动轨迹，且每相振动的振幅可通过调整超声电源激励电压行进独立调整，两相振动的相位差也可通过超声电源进行调整，从而实现对超声椭圆振动轨迹的调整。
进一步地，所述的超声椭圆振动切削装置的谐振频率为40kHz，输出的切削速度方向的振幅为4μm，切深方向的振幅为2μm，相位差为π/2，基于上述参数确定超声椭圆振动切削的临界切削速度。
本发明采用超声椭圆振动切削技术来实现钨合金复杂曲面零件的超精密加工，在工件粗加工后，在单晶金刚石刀具上同时施加纵向超声振动和弯曲超声振动，使刀具呈现出椭圆振动轨迹，与钨合金的其他超精密加工方法对比，本发明具有以下优点：
在超声椭圆振动切削钨合金时，刀具的椭圆振动轨迹使材料的瞬时切削深度小于普通切削中的深度，可有效降低切削力，且有利于实现硬脆钨合金的延性域切削。
在超声椭圆振动切削钨合金时，当刀具的振动速度大于相对切削速度时，将实现“完全分离型切削”，刀具的前刀面和后刀面与工件的接触时间缩短，且接触方式为断续接触，有利于切削液进入核心切削区域，可有效降低切削区温度，从而有效降低单晶金刚石刀具与钨合金中镍铁相的化学反应速率，极大地抑制单晶金刚石刀具的磨损。
在超声椭圆振动切削钨合金时，刀具与切屑间的摩擦力方向与普通切削时相反，对切屑有“提拉”的作用，有利于切屑的排出，从而抑制积屑瘤的产生；同时，刀具的高频振动有利于抑制刀具的低频的颤振，这些均有利于得到钨合金的高精度高完整表面。
单晶金刚石刀具的切削寿命为3km，钨合金工件的表面粗糙度由100nm降至40nm，且工件表面均匀性较好，无凹坑和微裂纹等加工缺陷。
基于上述理由本发明可在精密超精密切削技术领域广泛推广。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明实施例中钨合金复杂曲面零件超精密加工机床的简易结构示意图，其中1是超精密机床，2是真空吸盘，3是钨合金工件，4是超声椭圆振动切削装置，5是高度微调装置，6是超声电源，7主轴/C轴，8是X轴，9是Z轴。
图2是本发明实施例1中超声椭圆振动切削装置具体结构示意图，其中10为纵弯复合变幅杆，11为圆环形压电陶瓷，12为半圆环压电陶瓷，13为单晶金刚石刀具。
图3是本发明实施例加工出的钨合金工件表面的白光干涉仪图。
图4是本发明实施例加工出的钨合金工件表面的SEM图。
图5是本发明实施例2的超声椭圆振动切削装置结构示意图，其中，14为纵向振动超声振子A，15为纵向振动超声振子B，16为弯曲振动变幅杆，17为前盖板，18为锁紧螺栓，19为刀具，20为预紧螺栓、21为后盖板、22为电极片A、23为圆环形压电陶瓷A、24为电极片B、25为圆环形压电陶瓷B。
图6是本发明实施例3的超声椭圆振动切削装置结构示意图。图中，26为纵向振动超声振子、27为弯曲振动超声振子、28为刀具、29为紧定螺钉、30为第一预紧螺栓、31为纵向振动后盖板、32为第一电极片、33为第一圆环形压电陶瓷、34为第二电极片、35为第二圆环形压电陶瓷、36为纵向振动前盖板、37为第二预紧螺栓、38为弯曲振动后盖板、39为第三电极片、40为第一半圆环形压电陶瓷、41为第二半圆环形压电陶瓷、42为第四电极片、43为第三半圆环形压电陶瓷、44为第四半圆环形压电陶瓷、45为弯曲振动前盖板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
本发明实施例提供了一种钨合金复杂曲面零件的超精密加工方法，主要装置简图如图1所示，具体包括如下步骤：确保超精密机床1的各个轴系的工作特性正常，待机预热至机床达到热稳定，其中，超精密机床置于预设恒温、恒湿及空气清洁度的超精密加工实验室内；本实施例中设定恒温在(20±0.1℃)，恒湿在(35±5％)空气清洁度在(根据各国设定的行业标准至少800级)的超精密加工实验室内；
确保具有Z轴9、X轴8、主轴/C轴7的三轴超精密机床(本实施例选用CZDG569818S，洛阳传顺)的各个轴系的工作特性正常，待机预热至机床达到热稳定；
将钨合金(成分为95W-3Ni-2Fe，形状为圆柱状，本实施例中底面直径为10mm，高度为8mm)工件3安装在超精密主轴的真空吸盘2上，并完成钨合金工件的动平衡调整(本实施例中选取精度等级为G40)；
开启切削液，采用浇注法，利用硬质合金刀具(本实施例中，选用氮钛铝(TiAlN)涂层，前角为0°，后角为7°，刀具的刃口半径为0.2mm，湖南株洲钻石)对钨合金工件进行粗切加工，加工路径根据切削参数和刀具参数生成，切削参数的设置：an＝8-10μm，f＝5-8μm，n＝500r/min，其中an为切削深度，f为每转仅给量，n为主轴转速；
将超声椭圆振动切削装置4通过高度微调机构5安装在超精密机床的Z轴上，开启超声椭圆振动切削装置，通过超声电源6调整装置两相振动的振幅和相位差，谐振频率为40kHz，输出的切削速度方向的振幅为4μm，切深方向的振幅为2μm，相位差为π/2，从而确定超声椭圆振动切削的“临界切削速度”，待机五分钟，振动输出较为稳定时完成对刀；
开启切削液，采用油基冷却切削液浇注法，利用单晶金刚石刀具(前角为0°，后角为7°，刀具的刃口半径为0.8mm，切削钝圆半径小于200nm，上海舒伯哈特)对钨合金工件进行超声椭圆振动切削加工，切削方式为端面车削，加工路径根据切削参数和刀具参数生成，为实现“完全分离型切削”，相对切削速度应小于临界切削速度，切削参数的设置：an＝2-4μm，f＝3-5μm，n＝6-8r/min；
关闭超精密机床及超声椭圆振动切削装置，取下钨合金工件并用无水乙醇进行超声波清洗，干燥后进行保存，得到超声椭圆振动切削技术加工的超精密钨合金表面。
利用超景深显微镜、白光干涉仪及扫描电镜对得到的超声椭圆振动切削技术加工的钨合金工件表面进行观察，如图3、4和5所示，工件的表面粗糙度达到40nm，工件表面均匀性较好，无凹坑和微裂纹等加工缺陷。
实施例1
如图2所示，本实施例采用常规的超声椭圆振动切削装置进行超声椭圆振动切削，其包括纵弯复合变幅杆10、与其相连的圆环型压电陶瓷11和/或能够组合成圆环型压电陶瓷的半圆环压电陶瓷12，压电陶瓷之间设置连接超声电源的电极片，变幅杆的输出端固定连接有刀具，本实施例中刀具为单晶金刚石刀具13。
实施例2
本实施例中的超声椭圆振动切削装置采用纵向激励的双弯曲超声椭圆振动切削装置，其由纵向振动超声振子A14和纵向振动超声振子B15及弯曲振动变幅杆16组成，纵向振动超声振子14和纵向振动超声振子15均布置在弯曲振动变幅杆16的径向方向。本实施例中，所述纵向振动超声振子A14和纵向振动超声振子B15采用型号为PZT-4的圆环形压电陶瓷产生超声振动，利用压电陶瓷较高工作效率的的d33工作模式。
如图5所示，纵向振动超声振子A14布置在弯曲振动变幅杆16的径向方向，从而激励出弯曲振动变幅杆16的第一相弯曲振动；纵向振动超声振子B15布置在弯曲振动变幅杆16的另一个径向方向，从而激励出弯曲振动变幅杆16的第二相弯曲振动，使弯曲振动变幅杆16呈现“双弯曲振动模态”，刀具19通过锁紧螺栓18固定在弯曲振动变幅杆16的输出端，从而在刀具19上输出超声椭圆振动轨迹。
纵向振动超声振子A14和纵向振动超声振子B16的结构相同，以纵向振动超声振子A14为例，其包括预紧螺栓20、后盖板21、电极片A22、圆环形压电陶瓷A23、电极片B24、圆环形压电陶瓷B25和前盖板17，通过预紧螺栓将后盖板、电极片A、圆环形压电陶瓷A、电极片B、圆环形压电陶瓷B9及前盖板A等沿轴向按顺序进行紧固，施加100N的预紧力，进行保温老化处理，纵向振动超声振子B16的安装顺序同理同理，同样施加100N的预紧力。
实施例3
如图6所示，本实施例中的超声椭圆振动切削装置采用双弯曲超声椭圆振动切削装置，其由纵向振动超声振子26和弯曲振动超声振子27组成，纵向振动超声振子26布置在超声椭圆振动切削装置的径向方向，弯曲振动超声振子27布置在超声椭圆振动切削装置的轴向方向，刀具28通过紧定螺钉29固定在装置的最前端。纵向振动超声振子具体通过第一预紧螺栓30将纵向振动后盖板31、第一电极片32、第一圆环形压电陶瓷33、第二电极片34、第二圆环形压电陶瓷35及纵向振动前盖板36等沿轴向按顺序进行紧固，本实施例中，施加100N的预紧力，进行保温老化处理。弯曲振动超声振子通过第二预紧螺栓37将弯曲振动后盖板38、第三电极片39、第一半圆环形压电陶瓷40、第二半圆环形压电陶瓷41、第四电极片42、第三半圆环形压电陶瓷43、第四半圆环形压电陶瓷44及弯曲振动前盖板45沿轴向按顺序进行紧固，本实施例中，施加120N的预紧力，进行保温老化处理。第一半圆环形压电陶瓷和第二半圆环形压电陶瓷组合成一个圆环形压电陶瓷，第三半圆环形压电陶瓷和第四半圆环形压电陶瓷组合成一个圆环形压电陶瓷，且两个半圆环形压电陶瓷的极化方向相反。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种钨合金复杂曲面零件的超精密加工方法，其特征在于，包括：如下步骤：
步骤1、确保超精密机床的各个轴系的工作特性正常，待机预热至机床达到热稳定，其中，超精密机床置于预设恒温、恒湿及空气清洁度的超精密加工实验室内；
步骤2、将钨合金工件安装在超精密机床主轴的真空吸盘上，完成钨合金工件的动平衡调整；
步骤3、开启切削液，采用油基冷却切削液浇注法，利用硬质合金刀具对钨合金工件在预设切削参数下进行粗切加工，所述预设切削参数包括切削深度、每转仅给量和主轴转速，并根据切削参数和刀具参数进行加工路径生成；
步骤4、将超声椭圆振动切削装置安装在超精密机床的Z轴上，开启超声椭圆振动切削装置，通过超声电源调整装置两相振动的振幅和相位差，在振动输出满足预设条件下完成对刀；
步骤5、开启切削液，采用油基冷却切削液浇注法，利用超声椭圆振动切削装置端部的单晶金刚石刀具对钨合金工件进行预设切削参数及加工路径下的超声椭圆振动切削加工，所述加工路径根据切削参数和刀具参数进行生成，所述预设切削参数包括切削深度、每转仅给量和主轴转速，此预设切削参数均小于等于粗切加工的预设切削参数；
步骤6、关闭超精密机床及超声椭圆振动切削装置，取下钨合金工件并用无水乙醇进行超声波清洗，干燥后进行保存，得到超声椭圆振动切削技术加工的超精密钨合金表面。
2.根据权利要求1所述的钨合金复杂曲面零件的超精密加工方法，其特征在于，所述粗加工的切削参数设置为：an＝8-10μm，f＝5-8μm，n＝500r/min，其中an为切削深度，f为每转仅给量，n为主轴转速；超声椭圆振动切削加工的切削参数设置为：an＝2-4μm，f＝3-5μm，n＝6-8r/min。
3.根据权利要求1所述的钨合金复杂曲面零件的超精密加工方法，其特征在于，所述的超精密加工实验室的温度控制在20±0.1℃，湿度控制在35±5％，洁净度控制在800级以上。
4.根据权利要求1所述的钨合金复杂曲面零件的超精密加工方法，其特征在于，所述的超精密加工机床为具有Z轴、X轴、主轴/C轴的三轴超精密机床。
5.根据权利要求1所述的钨合金复杂曲面零件的超精密加工方法，其特征在于，所述的切削方式为端面车削。
6.根据权利要求1所述的钨合金复杂曲面零件的超精密加工方法，其特征在于，所述的钨合金工件的材料为95W-3Ni-2Fe，形状为圆柱状。
7.根据权利要求1所述的钨合金复杂曲面零件的超精密加工方法，其特征在于，所述的硬质合金刀具的为氮钛铝涂层，刀具的前角为0°，后角为7°，刀具的刃口半径为0.2mm。
8.根据权利要求1所述的钨合金复杂曲面零件的超精密加工方法，其特征在于，所述的单晶金刚石刀具的前角为0°，后角为7°，刀具的刃口半径为0.8mm，切削钝圆半径小于200nm。
9.根据权利要求1所述的钨合金复杂曲面零件的超精密加工方法，其特征在于，所述的超声椭圆振动切削装置是由纵向振动和弯曲振动合成的椭圆振动轨迹，且每相振动的振幅可通过调整超声电源激励电压行进独立调整，两相振动的相位差也可通过超声电源进行调整，从而实现对超声椭圆振动轨迹的调整。
10.根据权利要求1所述的钨合金复杂曲面零件的超精密加工方法，其特征在于，所述的超声椭圆振动切削装置的谐振频率为40kHz，输出的切削速度方向的振幅为4μm，切深方向的振幅为2μm，相位差为π/2，基于上述参数确定超声椭圆振动切削的临界切削速度。
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