CN111250746B - 电磁声多场复合辅助钻削微小深孔的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁声多场复合辅助钻削微小深孔的方法及装置，所述装置包括超声振动刀柄、超声波发生器、磁场辅助加工系统、铜电极、绝缘垫块和脉冲电源，针对微小深孔钻削加工的特点，本发明利用脉冲电场、脉冲磁场和超声振动的耦合作用来辅助加工，能够大幅改善断屑、排屑性能，降低钻削力和刀具磨损，延长刀具使用寿命，提高微小深孔的尺寸精度、形位精度和孔壁质量，实现难加工材料微小深孔的精密加工。

Description

电磁声多场复合辅助钻削微小深孔的方法及装置

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，具体涉及一种电磁声多场复合辅助钻削微小深孔的方法及装置。

背景技术

随着先进制造业的快速发展，工业产品逐渐趋于微型化，微小深孔零件被越来越广泛地应用在航空、航天、电子、精密仪器等重要领域。这些微小深孔零件较多服役于高温、高寒、高应力等场合，一般采用不锈钢、高强度钢、钛合金等难加工材料制成。微细钻削加工技术是加工微小深孔的一种有效方法，具有可加工材料范围广、加工成本低、加工质量高等优点。然而，在微小深孔钻削过程中，高长径比微细钻削刀具的刚度相对较低，入钻过程中容易产生滑移和偏斜现象，导致被加工孔的形状和尺寸精度降低，同时易引起刀具发生弯曲和扭曲变形导致刀具断裂；此外，加工微小深孔的微细钻头螺旋槽浅且排屑路径较长，切屑容易滞留和堵塞，导致切屑与孔壁表面刮擦严重，影响微小深孔加工质量，同时使钻头受力急剧增大，加快微细钻削刀具的磨破损，降低微小深孔加工精度与刀具使用寿命。针对于上述问题，传统的单一加工方式已不能满足微小深孔高质量、高效率的加工需求，需要改进传统钻削工艺，探索新的复合钻削加工方法及装置来实现微小深孔的精密加工。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种电磁声多场复合辅助钻削微小深孔的方法及装置，针对微小深孔钻削加工的特点，利用脉冲电场、脉冲磁场和超声振动的耦合作用来辅助加工，能够大幅改善断屑、排屑性能，降低钻削力和刀具磨损，延长刀具使用寿命，提高微小深孔的尺寸精度、形位精度和孔壁质量，实现难加工材料微小深孔的精密加工。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：电磁声多场复合辅助钻削微小深孔的装置，包括超声振动刀柄、超声波发生器、磁场辅助加工系统、铜电极、绝缘垫块、脉冲电源。

所述超声振动刀柄通过气动夹紧方式与机床主轴系统连接，超声振动刀柄底部夹持钻削刀具，超声波发生器接通后使超声振动刀柄产生高频振动并带动钻削刀具实现纵向往复振动。

所述磁场辅助加工系统包括两套电磁铁、两个磁极、励磁电源、两套升降机构、底座，两个磁极分别装接在两套电磁铁上，两套电磁铁的线圈通过导线与励磁电源连接，励磁电源接通后使两磁极中心区域产生脉冲磁场；两套电磁铁分别固定在两套升降机构上，两套升降机构对称固接在底座上，实现两套电磁铁沿升降机构螺杆的纵向移动；该磁场辅助加工系统的底座装设在机床工作台上，使机床工作台带动磁场辅助加工系统做往复进给运动。

所述铜电极对称固定在工件两侧，脉冲电源的正极和负极通过导线分别与工件两侧的铜电极连接，工件下方设有绝缘垫块，工件与绝缘垫块一起安装在磁场辅助加工系统的底座上。

所述超声发生器可以调节超声振动的频率和振幅；所述励磁电源可以调节脉冲磁场的强度和频率；所述脉冲电源可以调节脉冲电场的电压、频率和脉冲间隔。

一种电磁声多场复合辅助钻削微小深孔的方法，包括以下步骤：

步骤一、将钻削刀具装夹在超声振动刀柄上，将超声振动刀柄安装到机床主轴系统上，连接超声波发生器和超声振动刀柄。

步骤二、将磁场辅助加工系统安装到机床工作台上，电接两套电磁铁和励磁电源。

步骤三、将工件与绝缘垫块连接，并一起固定到磁场辅助加工系统的底座上，调整安装位置确保工件上的加工区域处于两磁极中间位置。

步骤四、将铜电极对称安装在工件两侧，电接铜电极和脉冲电源的正负极。

步骤五、通过升降机构调整两套电磁铁的位置，保持两个磁极对中且高度一致，使加工过程中钻削刀具或刀具-工件切削区处于两磁极之间的脉冲磁场中。

步骤六、通过励磁电源、脉冲电源、超声波发生器分别设定脉冲磁场、脉冲电场、刀具超声振动的参数，在机床上设定钻削加工方式和工艺参数。

步骤七、接通脉冲电源，将电脉冲通入工件；接通励磁电源和超声波发生器，启动机床，钻削刀具按设定的工艺参数钻削加工微小深孔；产生的脉冲磁场和脉冲电场随机床工作台一起移动，在加工过程中刀具或刀具-工件切削区始终受到脉冲磁场的作用，工件始终受到脉冲电场的作用。

步骤八、加工完成，关闭励磁电源、脉冲电源、超声波发生器。

进一步地，所述步骤五，根据加工时使用的钻削刀具材质和工件材料，选择加工过程中将钻削刀具或刀具-工件切削区置于两磁极之间的脉冲磁场中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出电磁声多场复合辅助钻削微小深孔方法，利用超声振动、脉冲电场和脉冲磁场的耦合作用来提升钻削加工质量和效率。

通过耦合超声场和脉冲磁场，提高钻削加工过程中的断屑能力，加速切屑排出。利用超声振动刀柄使钻头在工件上进行超声轴向振动钻削加工，加工过程中钻削刀具与工件发生周期性的分离和接触，改变动态切削厚度，形成短碎切屑；同时脉冲磁场作用于钻头-工件切削区域，对这些短碎切屑产生外加磁力作用，使其更易沿钻头螺旋槽排出。

通过耦合超声场、脉冲电场和脉冲磁场，延长刀具使用寿命。在脉冲磁场的作用下，钻削刀具材料内部金相组织发生变化，碳化物颗粒析出，晶粒细化，内部组织缺陷被修复，且刀具材料基体位错增殖，进而改善刀具的耐磨性；同时在加工过程中，超声振动钻削可以降低切削区域摩擦系数和温度，工件材料受电脉冲作用产生电塑性效应，使材料塑性变形能力提高、流变应力下降、加工硬化被抑制，进而减小钻削加工时的切削力和刀具磨损。这些因素综合作用，有效提高刀具寿命。

通过耦合超声场和脉冲电场，提高微小深孔加工质量。超声振动改善钻削过程中钻头的弯曲变形和不规则摆动现象，提高微小深孔的尺寸精度和形位精度；同时电脉冲有助于修复工件材料微观组织损伤、抑制裂纹萌生和扩展，进而提高被加工微小深孔的表面质量。

附图说明

图1是本发明提供的电磁声多场复合辅助钻削微小深孔装置示意图。

图中：1-机床主轴系统，2-超声振动刀柄，3-钻削刀具，4-磁极，5-线圈，6-电磁铁，7-铜电极，8-工件，9-绝缘垫块，10-机床工作台，11-超声波发生器，12-励磁电源，13-螺杆，14-升降机构，15-脉冲电源，16-底座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，电磁声多场复合辅助钻削微小深孔的装置，安装在钻床、铣床或加工中心上，包括超声振动刀柄2、超声波发生器11、磁场辅助加工系统、铜电极7、绝缘垫块9、脉冲电源15。

超声振动刀柄2通过气动夹紧方式与机床主轴系统1连接，超声振动刀柄2底部夹持钻削刀具3，且钻削刀具3刀柄部位设有绝缘涂层，以确保超声振动刀柄2与钻削刀具3绝缘。超声波发生器11接通后使超声振动刀柄2产生高频振动并带动钻削刀具3实现纵向往复振动。通过超声波发生器11可以调节超声振动刀柄2的振动频率和振幅，振动频率为20kHz～30kHz，振幅为0～10μm。

磁场辅助加工系统包括两套电磁铁6、两个磁极4、励磁电源12、两套升降机构14、底座16，两个磁极4分别装接在两套电磁铁6上，两套电磁铁6的线圈5通过导线与励磁电源12连接，励磁电源12接通后使两磁极4中心区域产生脉冲磁场。通过励磁电源12可以实时调节脉冲磁场的强度和频率，脉冲磁场强度为0～5T，脉冲磁场频率为10Hz～800Hz。两套电磁铁6分别固定在两套升降机构14上，两套升降机构14为手动螺杆升降机构，对称固接在底座16上，能够使两套电磁铁6沿升降机构14的螺杆13进行纵向往复移动。该磁场辅助加工系统的底座16装设在机床工作台10上，使机床工作台10带动磁场辅助加工系统做往复进给运动。

两个铜电极7对称固定在工件8两端，脉冲电源15的正极和负极通过导线分别与工件8两侧的铜电极7连接，工件8下方设有绝缘垫块9，工件8与绝缘垫块9一起安装在磁场辅助加工系统的底座16上。通过脉冲电源15可以调节脉冲电场的电压、频率和脉冲间隔，脉冲电场的电压为0～10V，频率为100Hz～1000Hz，脉冲占空比调节范围为1％～100％。

基于上述装置的电磁声多场复合辅助钻削微小深孔的方法，具体包括以下步骤：

步骤一、将钻削刀具3装夹在超声振动刀柄2上，将超声振动刀柄2安装到机床主轴系统1上，连接超声波发生器11和超声振动刀柄2。

步骤二、将磁场辅助加工系统安装到机床工作台10上，电接两套电磁铁6和励磁电源12。

步骤三、将工件8与绝缘垫块9连接，并一起固定到磁场辅助加工系统的底座16上，调整安装位置确保工件8上的加工区域处于两磁极4中间位置。

步骤四、将铜电极7对称安装在工件8两侧，电接铜电极7和脉冲电源15的正负极。

步骤五、通过升降机构14调整两套电磁铁6的位置，保持两个磁极4对中且高度一致，使加工过程中钻削刀具3或刀具-工件切削区处于两磁极4之间的脉冲磁场中。

步骤六、通过励磁电源12、脉冲电源15、超声波发生器11分别设定脉冲磁场、脉冲电场、刀具超声振动的参数，在机床上设定钻削加工方式和工艺参数。

步骤七、接通脉冲电源15，将电脉冲通入工件；接通励磁电源12和超声波发生器11，启动机床，钻削刀具3按设定的工艺参数钻削加工微小深孔；产生的脉冲磁场和脉冲电场随机床工作台10一起移动，在加工过程中刀具或刀具-工件切削区始终受到脉冲磁场的作用，工件始终受到脉冲电场的作用。

步骤八、加工完成，关闭励磁电源12、脉冲电源15、超声波发生器11。

根据加工时使用的钻削刀具3的材质和工件8的材料，选择加工过程中将钻削刀具3或刀具-工件切削区置于两磁极4之间的脉冲磁场中。优选地，当工件8的材质在磁场中不宜被磁化，如奥氏体不锈钢、模具钢、钛合金等，而钻削刀具3的材质是高速钢、硬质合金时，选择将钻削刀具3置于两磁极4之间的脉冲磁场中，从而将更多的磁场能量作用于钻削刀具3，其加工效果优于将刀具-工件切削区置于两磁极4之间的脉冲磁场中。

实施例：

利用电磁声多场复合辅助钻削微小深孔的方法和装置，在模具钢材料上加工直径0.5mm，孔深5mm的微小深孔。钻削刀具3为硬质合金钻头，加工过程中将刀具-工件切削区置于两磁极4之间的脉冲磁场中。超声振动刀柄2的振动频率设定为25kHz，振幅设定为6μm；脉冲电场的电压设定为2V，频率设定为300Hz，脉冲占空比设定为50％；脉冲磁场强度设定为2.5T，频率设定为20Hz。在机床上设置主轴转速为20000r/min，钻削进给速度为10mm/min，采用啄钻加工方式，啄钻步深为50μm。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所述领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种电磁声多场复合辅助钻削微小深孔的方法，其特征在于，

电磁声多场复合辅助钻削微小深孔的装置包括超声振动刀柄、超声波发生器、磁场辅助加工系统、铜电极、绝缘垫块、脉冲电源；

所述超声振动刀柄通过气动夹紧方式与机床主轴系统连接，超声振动刀柄底部夹持钻削刀具，超声波发生器接通后使超声振动刀柄产生高频振动并带动钻削刀具实现纵向往复振动；

所述磁场辅助加工系统包括两套电磁铁、两个磁极、励磁电源、两套升降机构、底座，两个磁极分别装接在两套电磁铁上，两套电磁铁的线圈通过导线与励磁电源连接，励磁电源接通后使两磁极中心区域产生脉冲磁场；两套电磁铁分别固定在两套升降机构上，两套升降机构对称固接在底座上，实现两套电磁铁沿升降机构螺杆的纵向移动；该磁场辅助加工系统的底座装设在机床工作台上，使机床工作台带动磁场辅助加工系统做往复进给运动；

所述铜电极对称固定在工件两侧，脉冲电源的正极和负极通过导线分别与工件两侧的铜电极连接，工件下方设有绝缘垫块，工件与绝缘垫块一起安装在磁场辅助加工系统的底座上；

所述方法包括以下步骤：

步骤一、将钻削刀具装夹在超声振动刀柄上，将超声振动刀柄安装到机床主轴系统上，连接超声波发生器和超声振动刀柄；

步骤二、将磁场辅助加工系统安装到机床工作台上，电接两套电磁铁和励磁电源；

步骤三、将工件与绝缘垫块连接，并一起固定到磁场辅助加工系统的底座上，调整安装位置确保工件上的加工区域处于两磁极中间位置；

步骤四、将铜电极对称安装在工件两侧，电接铜电极和脉冲电源的正负极；

步骤五、通过升降机构调整两套电磁铁的位置，保持两个磁极对中且高度一致，使加工过程中钻削刀具或刀具-工件切削区处于两磁极之间的脉冲磁场中；

步骤六、通过励磁电源、脉冲电源、超声波发生器分别设定脉冲磁场、脉冲电场、刀具超声振动的参数，在机床上设定钻削加工方式和工艺参数；

步骤七、接通脉冲电源，将电脉冲通入工件；接通励磁电源和超声波发生器，启动机床，钻削刀具按设定的工艺参数钻削加工微小深孔；产生的脉冲磁场和脉冲电场随机床工作台一起移动，在加工过程中刀具或刀具-工件切削区始终受到脉冲磁场的作用，工件始终受到脉冲电场的作用；

步骤八、加工完成，关闭励磁电源、脉冲电源、超声波发生器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声波发生器 可以调节超声振动的频率和振幅，所述励磁电源可以调节脉冲磁场的强度和频率，所述脉冲电源可以调节脉冲电场的电压、频率和脉冲间隔。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤五中，根据加工时使用的钻削刀具材质和工件材料，选择加工过程中将钻削刀具或刀具-工件切削区置于两磁极之间的脉冲磁场中。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当工件的材质在磁场中不宜被磁化，而钻削刀具的材质是高速钢、硬质合金时，选择将钻削刀具置于两磁极之间的脉冲磁场中。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述工件的材质为奥氏体不锈钢、模具钢、钛合金。

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