CN111390205A - 一种面向无人车间的金属切削加工主动断屑方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种面向无人车间的金属切削加工主动断屑方法及装置。主动断屑方法的核心思想是在每一次刀具切削走刀之前，对工件表面的特定位置进行表面改形和改性预处理，当刀具切削至预处理位置时，工件表面的新生切屑的厚度或材料特性存在突变，从而实现断裂。主动断屑装置的原理是运用高能激光束将工件材料气化形成沟槽，同时，激光束的热效应还会改变工件材料的特性，形成一定深度的热影响区。装置具有高能激光模块，高能激光输出端固定在水平导轨之上，延车床x轴方向具有平移功能；所述水平导轨固定在刀架上。上述结构，能够实现激光束聚焦位置能够随着工件直径变化而变化；配合刀架自身z轴方向运动，实现对工件表面的表面改形和改性预处理。相较于刀具断屑槽，本发明方法和装置的断屑效果更稳定可靠；相较于高压水/气射流断屑，本发明方法的能耗和成本更低，也更加环保。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种面向无人车间的金属切削加工主动断屑方法及装置，属于机械制造工艺和金属切削加工领域。
背景技术
金属连续切削加工时常遇到断屑不畅的问题。切屑的缠绕和裹挟，不仅会损伤工件已加工平整表面，还会加剧刀具磨损；严重的，甚至造成机床损坏以及人员受伤。为避免出现切屑过长和缠绕，常需要人工监视切削状态或安装切屑检测装置；然而，上述举措并不能够完全消除不充分断屑带来的隐患。因此，目前在加工铝合金、钛合金等高塑性金属材料过程中，还是需要有人值守或着半人值守。随着机械制造自动化程度的不断提高，对断屑技术的稳定性提出了新的要求。
现有断屑技术和方法有：
1)选择合适的刀具几何角度和切削用量，使得切屑更加卷曲；
2)在车刀(片)前刀面设置断屑槽，使切屑发生强制形变，从而断裂；
3)向切屑高压喷射切削液和气体，降低刀具温度，外力断屑。
上述技术方案，均具有较为明显的增强断屑效果，但也存在成本过高、断屑不彻底以及断屑稳定差等问题。
区别于现有技术方案，本发明的一种面向无人车间的金属切削加工主动断屑方法及装置的核心思想是在每一次刀具切削走刀之前，对工件表面的特定位置进行特定表面改形和改性预处理，当刀具切削至预处理位置时，由于工件表面新生切屑的厚度或材料特性存在突变，切屑断裂。
上述技术方案的应用过程中，还有几项关键技术。一是，改形深度的设置；该深度如果过深，就增加了预处理加工余量；并且，如果深度大于切削深度，就会形成间断切削，刀具受到冲击，产生震动；如果过浅，又不能稳定发挥断屑效果。二是，如何快速的在每一次走刀之前，完成工件表面预加工。三是，切削液和切屑四处飞散，进行预处理的高能束装置需要良好的保护措施，避免被污染和损坏。
本发明正是针对上述技术方案和实际应用问题提出的，适用于解决无人值守产线上，切屑缠绕造成的加工停止、工件损伤、机器损坏等问题，能够保证金属连续切削过程不被刀具断屑性能不佳所困恼，且能够人为控制断屑间距。相较于刀具前刀面断屑槽，本发明方法断屑效果更加稳定可靠；相较于高压水/气射流断屑，本发明方法的能耗和成本更低，也更加环保。
发明内容
本发明解决的技术问题是：高塑性金属连续切削加工过程中，切屑易于缠绕造成的加工停止、工件损伤和机器损坏。
针对上述问题，本发明的技术方案是：每一次刀具切削走刀之前，对工件表面的特定位置进行特定参数下的表面改形和改性预处理，当刀具切削至预处理位置时，工件表面的新生切屑的厚度或材料特性存在突变，从而实现断裂。所述改形预处理是指，加工特定尺寸的沟槽表面形貌，沟槽的深度和走向可控。所述改性预处理是指，工件被加工区域的材料特性发生转变，包括：硬度、晶粒尺寸、表面残余应力，或是形成新的微观裂纹和缺陷。
上述技术方案的创新之处在于：1)通过对工件表面实施预处理的方式，让切屑发生可控自断裂；2)表面改形和改性预处理方案是根据实际切削工况设计的，因此能够实现更加稳定的断屑效果；3)断屑装置考虑了实际工况下切削液污染、工件直径变化和预处理粉尘漂浮因素。
本发明的实施步骤包括：
步骤(a)，根据零件加工图纸，确定工件参数和基本切削参数；毛坯件参数包括：工件半径、去除余量和材料特性；基本切削参数包括：走刀次数、主轴转速、进给量、切削深度、切削液类型等；
步骤(b)，确定每一次走刀的轨迹，规划工件表面改形和改性预处理位置及预处理参数；
步骤(c)，通过特定高能束加工方法，在每一次走刀之前都对工件表面进行预处理加工；
步骤(d)，进行20组零件连续车削加工，观测加工过程中的断屑效果，判断断屑效果是否达到预期；将符合要求的实施工艺，用于大批量生产的无人值守产线。
实施本发明方法的一种面向无人车间的金属切削加工主动断屑装置，其特征在于，包括高能束模块、机械模块、吹气模块和保护罩。
高能束模块通过输出高能束对工件表面进行改形和改性预处理。
机械模块实现装置的运动功能。高能束模块输出端固定在水平导轨之上，在车床x轴方向具有滑移功能；x轴方向水平且与工件轴向垂直；所述水平导轨固定在刀架上。上述结构，实现高能束模块输出端与工件表面距离保持恒定。
吹气模块的出气端位于切削位置附近，通过吹拂力控制断屑的运动方向；通常将切屑吹向远离工件和机床主轴的方向。吹气模块的进气端位于工件上部，将激光加工产生的粉尘和烟雾吸收；气体在进气端至出气端的传输过程中，还经过空气过滤装置和加压装置。
保护罩围绕在高能束模块外部，其上设有保护罩门。当输出高能束，保护罩门打开，当不输出高能束时，保护罩门关闭；保护罩能够避免切削过程中，切屑和切削液污染镜头。
当保护罩门打开且机床舱门保持关闭，高能束模块才会处于工作状态，防止高能束对操作人员的人身伤害。
附图说明
图1是工件表面改形和改性预处理宏观效果示意图。
图2是工件表面改形和改性预处理微观效果示意图。
图3是激光加工第一段工件表面原理示意图。
图4是激光加工第二段工件表面原理示意图。
图中，3，加工零件；4，毛坯件轮廓；5，车刀；6，刀架；10，表面预处理形貌；11，沟槽；12，热影响区；14，X向滑轨；15，激光模块；16，保护罩；17，保护罩门；18，激光束。
具体实施方式
本发明方法的实施包括以下步骤。
步骤(a)，根据零件加工图纸，确定工件参数和基本切削参数；毛坯件参数包括：工件半径、去除余量和材料特性；基本切削参数包括：走刀次数、主轴转速、进给量、切削深度、切削液类型等。
步骤(b)，确定每一次走刀的轨迹，规划工件表面改形和改性预处理位置及预处理参数。
步骤(c)，通过特定高能束加工方法，在每一次走刀之前都对工件表面进行预处理加工。
步骤(d)，进行20组零件连续车削加工，观测加工过程中的断屑效果，判断断屑效果是否达到预期；将符合要求的实施工艺，用于大批量生产的无人值守产线。
本发明不限于具体实施方式中示出的事项。本领域的技术人员根据说明书的描述，以及公知的技术所进行的改变和适配是本发明可以接受的，并且被包含在所要求保护的范围中。
下面结合实施例，进一步描述本发明方法的具体实施方式。
实施例一是方法实施例。
本实施例加工的零件具有三种不同的直径变化，从左向右分别是30毫米、26毫米和24毫米。
步骤(a)。
为车削出该零件，进行三次走刀切削。每一次走刀的切削深度和工件直径变化如下表所示。三次走刀保持相同主轴转速300r/min和进给量0.02mm/rev。
步骤(b)。
根据步骤(a)得到的切削要素和条件，确定车削刀具各次走刀的走刀轨迹。
步骤(c)。
在第一次走刀之前，在工件表面加工出表面预处理形貌，该形貌外观为沟槽形貌，走向与工件轴向平行，如图一所示。根据切削深度的不同，沟槽具有两种深度，分别如图1中的A-A和B-B视图所示。为了不影响工件高速转动平稳特性，所述沟槽形貌是以工件轴线为轴对称分布的。
所述沟槽深度与切削深度呈正比；工件材料为铝合金，沟槽深度与切削深度的比值在0.5-0.8之间；工件材料为钢，沟槽深度与切削深度的比值在0.3-0.7之间。在本实施例中，A-A截面的沟槽深度为0.5-0.8mm，B-B截面的沟槽深度为0.75-1.2mm。根据实际断屑效果，在上述沟槽深度区间内进行合理取值。
本实施例采用高能激光束在工件表面加工出表面预处理形貌。高能激光束将工件材料气化，形成沟槽；同时，激光束的热效应还会改变工件材料的特性，形成一定深度的热影响区。表面预处理形貌的横截面视图如图2所示。图中，H为沟槽宽度，其值大于等于激光束光斑直径，10-500微米；D1为沟槽深度，D2为热影响区深度，两者受激光束功率和辐射时间调控。
所述激光束热效应对工件材料特性的改变包括：硬度升高、晶粒尺寸细化、表面残余压/拉应力、微观裂纹和缺陷。
在对工件进行第一次走刀车削过程中，当切削位置经过表面预处理形貌，工件表面的新生切屑的厚度或材料特性存在突变，从而实现断裂。
第二次和第三次走刀之前，重复上述方法，根据每次走刀的切削深度，在工件表面加工出特定参数的预处理形貌。
在本实施例中，用凹腔形貌替代沟槽形貌，在不影响断屑效果的同时，降低预处理加工余量，进一步提升本发明方法的技术效能。所述凹腔形貌等间隔连续排列，深度小于等于当前走刀的切削深度。
步骤(d)。
在20组零件连续车削加工过程中，测试表面预处理形貌的实际断屑效果。
实施例二是装置实施例。
本实施例加工的零件具有三种不同的直径变化，从左向右分别是30毫米、26毫米和24毫米。装置的工作原理如图3和图4所示。
本实施例装置包括激光模块15、机械模块、吹气模块和保护罩16。
高能束模块通过输出高能束对工件表面进行改形和改性预处理。
机械模块实现装置的运动功能。高能束模块输出端固定在X向滑轨14之上，在车床X轴方向具有滑移功能；所述水平导轨固定在刀架上。上述结构，实现高能束模块输出端与工件表面距离保持恒定。
保护罩16围绕在高能束模块外部，其上设有保护罩门17。当输出高能束，保护罩门打开，当不输出高能束时，保护罩门17关闭；保护罩16能够避免切削过程中，切屑和切削液污染镜头。
吹气模块的出气端位于切削位置附近，通过吹拂力控制断屑的运动方向；吹气模块的进气端位于工件上部，将激光加工产生的粉尘和烟雾吸收；气体在进气端至出气端的传输过程中，还经过空气过滤装置和加压装置。
激光模块15对直径为24毫米和26毫米工件进行表面预处理加工分别如图3和图4所示。加工过程中，保护罩门17保持开启，激光束直射工件表面。
当对加工零件3直径为24毫米的区域进行加工时，加工零件3保持静止，激光束18聚焦在工件表面，刀架延机床Z方向滑移，在此过程中，激光模块15与工件表面距离保持恒定。如图3所示。
随着刀架滑移，激光模块15开始对加工零件3直径为26毫米的区域进行加工。此时，为了保证激光模块15与工件表面距离保持恒定，激光模块15在滑轨14之上，延X轴负方向滑移。如图4所示。
在完成对加工零件3的表面预处理之后，开始对工件进行切削加工，在此期间，保护罩门17保持关闭，避免激光镜头被切屑和切削液污染。
Claims (8)
1.一种面向无人车间的金属切削加工主动断屑方法，其特征在于：在每一次刀具切削走刀之前，对工件表面进行表面改形和表面改性预处理，当刀具切削至预处理位置时，由于新生切屑的厚度和切屑的材料特性发生突变，实现切屑主动可控的断裂；所述改形预处理特指去除工件表面部分材料，形成特定的表面纹理或图案；所述改性预处理特指改变工件被加工区域的材料特性，包括：硬度、晶粒尺寸、表面残余应力和微观裂纹。
2.根据权利要求1所述的一种面向无人车间的金属切削加工主动断屑方法，其特征在于：为了不影响工件高速转动平稳特性，所述改形预处理所去除的工件材料是以工件轴线为轴对称分布的。
3.根据权利要求1所述的一种面向无人车间的金属切削加工主动断屑方法，其特征在于：所述改形预处理形成的特定表面纹理或图案是沟槽或凹腔形貌，沟槽朝向与工件轴向平行，沟槽深度小于后续走刀切削的切削深度，且与切削深度呈正比；凹腔在切削轨迹上均匀分布，深度小于或等于切削深度。
4.根据权利要求1、3所述的一种面向无人车间的金属切削加工主动断屑方法，其特征在于：工件材料为铝合金，沟槽和凹腔的深度与切削深度的比值在0.5-0.8之间；工件材料为钢，沟槽和凹腔的深度与切削深度的比值在0.3-0.7之间。
5.一种面向无人车间的金属切削加工主动断屑装置，其特征在于：采用高能激光束，在工件表面通过一次加工，同时完成对工件表面的改形和改性预处理；高能激光束将工件材料气化，形成沟槽；同时，工件材料特性在激光束的热效应作用下发生改变，形成具有一定深度的热影响区；所述沟槽宽度10-500微米，沟槽深度和热影响区深度受激光束功率和辐射时间调控。
6.根据权利要求5所述的一种面向无人车间的金属切削加工主动断屑装置，其特征在于：装置具有高能激光模块，高能激光输出端固定在水平导轨之上，延车床x轴方向具有平移功能；所述水平导轨固定在刀架上；上述结构实现激光束焦平面能够随着工件直径发生改变，焦点始终位于工件表面。
7.根据权利要求6所述的一种面向无人车间的金属切削加工主动断屑装置，其特征在于：激光输出端外有保护罩，当输出激光束时，保护罩打开，当不输出激光束时，保护罩关闭；保护罩能够避免切削过程中，切屑和切削液污染激光镜头。
8.根据权利要求6所述的一种面向无人车间的金属切削加工主动断屑装置，其特征在于：装置还包括吹气模块；吹气模块的出气端位于切削位置附近，通过吹拂力控制断屑的运动方向；吹气模块的进气端位于工件上部，将激光加工产生的粉尘和烟雾吸收；气体在进气端至出气端的传输过程中，经过空气过滤装置和加压装置。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20200710 |