CN111889714A - 具有微结构的超细晶材料超声辅助切削装置及方法 - Google Patents

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Abstract

具有微结构的超细晶材料超声辅助切削装置及方法，包括刀具超声振动系统、挤压块超声振动系统、超精密数控机床、测力系统，测温系统和数据处理系统，工件装夹在超精密数控机床的卡盘当中，刀具超声振动系统的进给及超声振动方向沿卡盘的径向方向，挤压块超声振动系统的进给及超声振动方向沿平行于卡盘的轴向方向，测温系统的信号采集端与刀具超声振动系统的刀具连接，数据处理系统通过数据线分别与测温系统和测力系统连接。本发明通过将超声振动和切削技术相结合，材料在高频振动和剪切应力的双重作用下，位错会逐渐积聚，粗大的晶粒表面更容易被分割成小角度晶界的亚晶组织；有效的提高了材料的强度、抗疲劳能力、抗腐蚀性能。

Description

具有微结构的超细晶材料超声辅助切削装置及方法
技术领域
本发明属于超声辅助复合切削加工技术领域，具体涉及一种具有微结构的超细晶材料超声辅助切削装置及方法。
背景技术
在金属切削过程中，大约有15%-20%的工件材料转变成为切屑，每年全世界产生海量的切屑。传统的切屑回收方法存在能源消耗巨大、环境污染严重、材料耗损大等问题；而新的回收方法如固态回收技术等，工艺复杂，成本居高不下。若能通过控制切削条件，使得切削加工中产生的切屑直接转化为其他可用的工业产品，不但可以缓解切屑回收处理带来的诸多困扰，而且具有很好的经济和社会效益，将会有一个极具价值的应用前景。
近年来兴起的大应变切削法（Large strain machining，LSM）制备超细/纳米晶材料一种新的工艺方法，它可以使金属在变形区域内产生极大的应变和应变速率，实现微观组织细化，从而获得亚微米或纳米级金属切屑材料，同时还能克服其他剧烈塑性变形中单次应变小、效率偏低、成本较高等局限性。LSM 虽然有着诸多优点，但是采用传统的切削方式制备出的纳米材料形状各异，很难预测以及控制材料的宏观几何形态，限制了后续的加工和应用。通过对国内外研究成果的分析，可以得出复合切削技术能将切屑制备为超细晶材料，而超声振动技术可以高质高效地完成表面微结构织构和晶粒细化改性，是传统机械加工方法难以实现的。超声振动辅助加工方法能够在高频振动作用下，极大增强材料的塑性变形，实现晶粒进一步细化，同时可实现微结构表面的高精度创成，代表了一种微型表面结构可再生的制造方法，利用超声辅助加工获得表面功能微结构和一定的表面性能是当前先进制造的新兴趋势。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种具有微结构的超细晶材料超声辅助切削装置及方法，将超声振动和切削技术相结合，控制切削过程中切屑的形貌结构、成形尺寸。同时，使切屑产生均匀的超细晶粒，使其具有一定的表面功能结构。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：具有微结构的超细晶材料超声辅助切削装置，包括刀具超声振动系统、挤压块超声振动系统、超精密数控机床、测力系统，测温系统和数据处理系统，测力系统设置在超精密数控机床上，测力系统上设有数控车床刀架，数控车床刀架上设有活动连接架，活动连接架上设有两个套筒保持架，刀具超声振动系统和挤压块超声振动系统的工作部分别安装在两个套筒保持架上，工件装夹在超精密数控机床的卡盘当中，刀具超声振动系统的进给及超声振动方向沿卡盘的径向方向，挤压块超声振动系统的进给及超声振动方向沿平行于卡盘的轴向方向，测温系统的信号采集端与刀具超声振动系统的刀具连接，数据处理系统通过数据线分别与测温系统和测力系统连接。
测力系统包括测力仪和电荷放大器，数据处理系统包括数据采集卡和计算机，测力仪、电荷放大器、数据采集卡和计算机依次通过所述的数据线连接。
刀具超声振动系统和挤压块超声振动系统的结构相同；
刀具超声振动系统和挤压块超声振动系统均包括超声发生电源、换能器、变幅杆、套筒、法兰盘和端盖，法兰盘与变幅杆的圆锥段同轴线固定连接，换能器和变幅杆的大端固定连接并位于套筒内，法兰盘通过第一螺栓同轴线固定连接在套筒的一端，变幅杆的小端伸出套筒，端盖通过第二螺栓同轴线固定连接在套筒的另一端，端盖中心开设有穿线孔，超声发生电源通过穿过穿线孔的连接线与换能器连接，套筒的外圆上沿径向方向开设有第一螺纹孔，套筒设置在套筒保持架内并通过螺纹连接到第一螺纹孔内的第三螺栓固定连接，变幅杆的小端设有安装槽，刀具超声振动系统的安装槽内设有刀具，挤压块超声振动系统的安装槽内设有挤压块。
测温系统包括热电偶丝和热电偶采集仪，热电偶丝的一端焊接在刀具上，热电偶丝的另一端与热电偶采集仪相连。
活动连接架包括固定连接的槽钢和固定板，槽钢的敞口侧和固定板均水平设置，固定板的一侧边与槽钢的槽底外侧固定连接，固定板通过第四螺栓可拆卸连接在数控车床刀架上，固定板与数控车床刀架的相邻下端面和侧端面分别夹有第一调整垫片和第二调整垫片，槽钢的顶部沿长度方向并排开设有两个第二螺纹孔，第二螺纹孔内螺纹连接有第五螺栓，槽钢的底部在第五螺栓正下方设有支撑块。
套筒保持架包括均呈半环形的第一管卡和第二管卡，第一管卡在第二管卡上面，第一管卡在第二管卡的两端通过第六螺栓连接，第二管卡的一端水平延伸部分为一体成型的连接板，连接板伸入到槽钢内，第五螺栓下端与连接板上表面顶压配合，第一管卡的顶部和第二管卡的底部设有定位孔，定位孔与套筒上的第一螺纹孔对应并通过所述的第三螺栓连接。
刀具的前刀面和挤压块的下侧斜面平行且具有一定的间隙，刀具和挤压块上各自施加超声振动。
具有微结构的超细晶材料超声辅助切削装置的切削方法，基于刀具和挤压块的超声附加方向和多维施振方式，研究复合切削的断屑特性、刀—屑分离特性、运动学特性，调控超声振动能量，抑制超声振动断屑作用，探明超声振动方向施加和多维超声施振的方法；具体包括以下步骤：
（1）、启动刀具超声振动系统在刀具上施加沿进给方向的超声振动，由于该方向超声振动能量对断屑有直接影响，因此研究超声能量由低到高时的切屑形态和表面特征，分析该方向的超声振动对切屑形态及微结构的影响，控制超声振动能量，抑制超声振动的断屑作用，保证形成稳定带状切屑；
（2）、然后在刀具上分别施加X、Z单方向以及二维椭圆（如纵弯、纵扭等）的超声振动，由于该两个方向对断屑不产生直接影响，因此重点分析切削刃的运动轨迹对切屑表面结构特征的影响；
（3）、接着启动挤压块超声振动系统，在挤压块上分别施加单向和二维超声振动，研究不同的振动方向组合时，切屑被动成形面所产生的形态及表面特征，在对断屑有直接影响的振动施加时重点关注超声振动导致断屑所需的极限声学能量条件，在对断屑没有直接影响的振动施加时重点关注切削刃运动轨迹对切屑表面结构特征的影响；
（4）、获得在刀具和挤压块上同时施加超声振动，以及不同振动方向组合时，切屑主、被动成形面的形态及表面特征，寻求得到稳定切屑表面结构形态及特征的极限声学能量，确定在超声辅助切削时切屑的成形效果，完成以切屑形态和表面特征为目标的最佳振动施加维数和施加方向的研究。
基于变截面杆纵振波动方程，在考虑法兰盘壁厚和直径前提下，将单一圆锥变幅杆看作“三段式复合变幅杆”，利用边界条件，建立一种圆锥变幅杆的节点计算公式，通过建立的节点计算公式，求得圆锥变幅杆节点位置所在。
超声参数包括电源参数、频率参数、振幅参数和振动维数，工艺参数包括主轴转速、切削深度和进给速度；通过分析超声参数和工艺参数下切屑晶粒尺寸变化规律，揭示不同参数对切屑晶粒细化机制，及分析超声参数、工艺参数对切屑微观组织的影响规律。
采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过将超声振动和切削技术相结合，材料在高频振动和剪切应力的双重作用下，位错会逐渐积聚，粗大的晶粒表面更容易被分割成小角度晶界的亚晶组织。
2、本发明中超声振动辅助加工能够在很大程度上改善材料的加工性能，如阻碍切削过程中裂纹的萌生和扩展，有效的提高了材料的强度、抗疲劳能力、抗腐蚀性能，同时超声振动可以高质高效地完成微结构表面的高精度创成。
3、本发明可以通过调节调整垫片的厚度来控制切削厚度压缩比，实现超细晶材料厚度的可控调节，通过更换具有不同结构、尺寸的挤压块切削出不同种类具有功能微结构的超细晶材料，通过更换刀具选用不同的刀具前角值和挤压块选用不同的拐角半径值，可以实现超细晶材料性能的优化。
4、本发明不仅可以提供一种新的绿色制造工艺，同时也可实现将切屑废料转变为具有功能微结构的超细晶高价值零部件材料，易于推广实施，具有良好的经济效益。
5、本发明中的活动连接架可拆卸连接在数控车床刀架上，套筒保持架可拆卸连接在活动连接架上，方便制作且易于装拆。
6、测力系统和测温系统实时检测到切削作业时刀具的受力及温度状况，切削力的数据和温度数据都为复合切削时切屑形态和表面特征提供数据支撑。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是微结构成型工艺原理结构示意图；
图3是刀具超声辅助复合切削的放大图；
图4是切屑的放大图；
图5是活动连接架的结构示意图；
图6是图5的左视图；
图7是图5的俯视图；
图8是套筒保持架结构示意图；
图9是图8的俯视图；
图10是超声振动系统的剖视图；
图中，1-超精密数控机床，2-超声发生电源，3-套筒保持架，4-机床数控系统，5-卡盘，6-挤压块超声振动方向，7-工件，8-挤压块，9-切屑，10-刀具，11-刀具超声振动方向，12-热电偶丝，13-热电偶采集仪，14-连接线，15-第二螺栓，16-端盖，17-第一螺纹孔，18-换能器，19-变幅杆，20-套筒，21-法兰盘，22-第一螺栓，23-计算机，24-数据采集卡，25-电荷放大器，26-超声发生电源，27-数据线，28-测力仪，29-数控车床刀架，30-活动连接架，31-第五螺栓，32-第二螺纹孔，33-槽钢，34-支撑块，35-固定板，36-第一调整垫片，37-第二调整垫片，38-第二管卡，39-第三螺栓，40-定位孔，41-第一管卡，42-第六螺栓，43-连接板，44-第四螺栓，45-凸起，46-沟槽。
具体实施方式
如图1-图10所示，本发明的具有微结构的超细晶材料超声辅助切削装置，包括刀具超声振动系统、挤压块超声振动系统、超精密数控机床、测力系统，测温系统和数据处理系统，测力系统设置在超精密数控机床1上，测力系统上设有数控车床刀架29，数控车床刀架29上设有活动连接架30，活动连接架30上设有两个套筒保持架3，刀具超声振动系统和挤压块超声振动系统的工作部分别安装在两个套筒保持架3上，工件7装夹在超精密数控机床1的卡盘5当中，刀具超声振动系统的进给及超声振动方向沿卡盘5的径向方向，挤压块超声振动系统的进给及超声振动方向沿平行于卡盘5的轴向方向，测温系统的信号采集端与刀具超声振动系统的刀具10连接，数据处理系统通过数据线27分别与测温系统和测力系统连接。
测力系统包括测力仪28和电荷放大器25，数据处理系统包括数据采集卡24和计算机23，测力仪28、电荷放大器25、数据采集卡24和计算机23依次通过所述的数据线27连接。
刀具超声振动系统和挤压块超声振动系统的结构相同；刀具超声振动系统和挤压块超声振动系统均包括超声发生电源26、换能器18、变幅杆19、套筒20、法兰盘21和端盖16，法兰盘21与变幅杆19的圆锥段同轴线固定连接，换能器18和变幅杆19的大端固定连接并位于套筒20内，法兰盘21通过第一螺栓22同轴线固定连接在套筒20的一端，变幅杆19的小端伸出套筒20，端盖16通过第二螺栓15同轴线固定连接在套筒20的另一端，端盖16中心开设有穿线孔，超声发生电源26通过穿过穿线孔的连接线14与换能器18连接，套筒20的外圆上沿径向方向开设有第一螺纹孔17，套筒20设置在套筒保持架3内并通过螺纹连接到第一螺纹孔17内的第三螺栓39固定连接，变幅杆19的小端设有安装槽，刀具超声振动系统的安装槽内设有刀具10，挤压块超声振动系统的安装槽内设有挤压块8。
测温系统包括热电偶丝12和热电偶采集仪13，热电偶丝12的一端焊接在刀具10上，热电偶丝12的另一端与热电偶采集仪13相连。
活动连接架30包括固定连接的槽钢33和固定板35，槽钢33的敞口侧和固定板35均水平设置，固定板35的一侧边与槽钢33的槽底外侧固定连接，固定板35通过第四螺栓44可拆卸连接在数控车床刀架29上，固定板35与数控车床刀架29的相邻下端面和侧端面分别夹有第一调整垫片36和第二调整垫片37，槽钢33的顶部沿长度方向并排开设有两个第二螺纹孔32，第二螺纹孔32内螺纹连接有第五螺栓31，槽钢33的底部在第五螺栓31正下方设有支撑块34。
套筒保持架3包括均呈半环形的第一管卡41和第二管卡38，第一管卡41在第二管卡38上面，第一管卡41在第二管卡38的两端通过第六螺栓42连接，第二管卡38的一端水平延伸部分为一体成型的连接板43，连接板43伸入到槽钢33内，第五螺栓31下端与连接板43上表面顶压配合，第一管卡41的顶部和第二管卡38的底部设有定位孔40，定位孔与套筒20上的第一螺纹孔17对应并通过所述的第三螺栓39连接。
刀具10的前刀面和挤压块8的下侧斜面平行且具有一定的间隙，刀具10和挤压块8上各自施加超声振动。
具有微结构的超细晶材料超声辅助切削装置的切削方法，基于刀具10和挤压块8的超声附加方向和多维施振方式，研究复合切削的断屑特性、刀—屑分离特性、运动学特性，调控超声振动能量，抑制超声振动断屑作用，探明超声振动方向施加和多维超声施振的方法；具体包括以下步骤：
（1）、启动刀具超声振动系统在刀具10上施加沿进给方向的超声振动，由于该方向超声振动能量对断屑有直接影响，因此研究超声能量由低到高时的切屑9形态和表面特征，分析该方向的超声振动对切屑9形态及微结构的影响，控制超声振动能量，抑制超声振动的断屑作用，保证形成稳定带状切屑9；
（2）、然后在刀具10上分别施加X、Z单方向以及二维椭圆（如纵弯、纵扭等）的超声振动，由于该两个方向对断屑不产生直接影响，因此重点分析切削刃的运动轨迹对切屑9表面结构特征的影响；
（3）、接着启动挤压块8超声振动系统，在挤压块8上分别施加单向和二维超声振动，研究不同的振动方向组合时，切屑9被动成形面所产生的形态及表面特征，在对断屑有直接影响的振动施加时重点关注超声振动导致断屑所需的极限声学能量条件，在对断屑没有直接影响的振动施加时重点关注切削刃运动轨迹对切屑9表面结构特征的影响；
（4）、获得在刀具10和挤压块8上同时施加超声振动，以及不同振动方向组合时，切屑9主、被动成形面的形态及表面特征，寻求得到稳定切屑9表面结构形态及特征的极限声学能量，确定在超声辅助切削时切屑9的成形效果，完成以切屑9形态和表面特征为目标的最佳振动施加维数和施加方向的研究。
基于变截面杆纵振波动方程，在考虑法兰盘21壁厚和直径前提下，将单一圆锥变幅杆19看作“三段式复合变幅杆19”，利用边界条件，建立一种圆锥变幅杆19的节点计算公式，通过建立的节点计算公式，求得圆锥变幅杆19节点位置所在。
超声参数包括电源参数、频率参数、振幅参数和振动维数，工艺参数包括主轴转速、切削深度和进给速度；通过分析超声参数和工艺参数下切屑9晶粒尺寸变化规律，揭示不同参数对切屑9晶粒细化机制，及分析超声参数、工艺参数对切屑9微观组织的影响规律。
图1中涉及到的附图标记4为机床数控系统、5为数控机床上的卡盘、7为装夹在卡盘5上的工件，图4中涉及到的附图标记45为切屑9上的凸起，46为沟槽。
在超声辅助切削的过程中，可通过改变超声振动系统参数、超精密车床加工参数、刀具10和挤压块8的几何、材料参数，挤压切削比等及其耦合配置来获得具有功能微结构的超细晶材料。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.具有微结构的超细晶材料超声辅助切削装置，其特征在于：包括刀具超声振动系统、挤压块超声振动系统、超精密数控机床、测力系统，测温系统和数据处理系统，测力系统设置在超精密数控机床上，测力系统上设有数控车床刀架，数控车床刀架上设有活动连接架，活动连接架上设有两个套筒保持架，刀具超声振动系统和挤压块超声振动系统的工作部分别安装在两个套筒保持架上，工件装夹在超精密数控机床的卡盘当中，刀具超声振动系统的进给及超声振动方向沿卡盘的径向方向，挤压块超声振动系统的进给及超声振动方向沿平行于卡盘的轴向方向，测温系统的信号采集端与刀具超声振动系统的刀具连接，数据处理系统通过数据线分别与测温系统和测力系统连接。
2.根据权利要求1所述的具有微结构的超细晶材料超声辅助切削装置，其特征在于：测力系统包括测力仪和电荷放大器，数据处理系统包括数据采集卡和计算机，测力仪、电荷放大器、数据采集卡和计算机依次通过所述的数据线连接。
3.根据权利要求2所述的具有微结构的超细晶材料超声辅助切削装置，其特征在于：刀具超声振动系统和挤压块超声振动系统的结构相同；
刀具超声振动系统和挤压块超声振动系统均包括超声发生电源、换能器、变幅杆、套筒、法兰盘和端盖，法兰盘与变幅杆的圆锥段同轴线固定连接，换能器和变幅杆的大端固定连接并位于套筒内，法兰盘通过第一螺栓同轴线固定连接在套筒的一端，变幅杆的小端伸出套筒，端盖通过第二螺栓同轴线固定连接在套筒的另一端，端盖中心开设有穿线孔，超声发生电源通过穿过穿线孔的连接线与换能器连接，套筒的外圆上沿径向方向开设有第一螺纹孔，套筒设置在套筒保持架内并通过螺纹连接到第一螺纹孔内的第三螺栓固定连接，变幅杆的小端设有安装槽，刀具超声振动系统的安装槽内设有刀具，挤压块超声振动系统的安装槽内设有挤压块。
4.根据权利要求3所述的具有微结构的超细晶材料超声辅助切削装置，其特征在于：测温系统包括热电偶丝和热电偶采集仪，热电偶丝的一端焊接在刀具上，热电偶丝的另一端与热电偶采集仪相连。
5.根据权利要求4所述的具有微结构的超细晶材料超声辅助切削装置，其特征在于：活动连接架包括固定连接的槽钢和固定板，槽钢的敞口侧和固定板均水平设置，固定板的一侧边与槽钢的槽底外侧固定连接，固定板通过第四螺栓可拆卸连接在数控车床刀架上，固定板与数控车床刀架的相邻下端面和侧端面分别夹有第一调整垫片和第二调整垫片，槽钢的顶部沿长度方向并排开设有两个第二螺纹孔，第二螺纹孔内螺纹连接有第五螺栓，槽钢的底部在第五螺栓正下方设有支撑块。
6.根据权利要求5所述的具有微结构的超细晶材料超声辅助切削装置，其特征在于：套筒保持架包括均呈半环形的第一管卡和第二管卡，第一管卡在第二管卡上面，第一管卡在第二管卡的两端通过第六螺栓连接，第二管卡的一端水平延伸部分为一体成型的连接板，连接板伸入到槽钢内，第五螺栓下端与连接板上表面顶压配合，第一管卡的顶部和第二管卡的底部设有定位孔，定位孔与套筒上的第一螺纹孔对应并通过所述的第三螺栓连接。
7.根据权利要求6所述的具有微结构的超细晶材料超声辅助切削装置，其特征在于：刀具的前刀面和挤压块的下侧斜面平行且具有一定的间隙，刀具和挤压块上各自施加超声振动。
8.根据权利要求7所述的具有微结构的超细晶材料超声辅助切削装置的切削方法，其特征在于：基于刀具和挤压块的超声附加方向和多维施振方式，研究复合切削的断屑特性、刀—屑分离特性、运动学特性，调控超声振动能量，抑制超声振动断屑作用，探明超声振动方向施加和多维超声施振的方法；具体包括以下步骤：
（1）、启动刀具超声振动系统在刀具上施加沿进给方向的超声振动，由于该方向超声振动能量对断屑有直接影响，因此研究超声能量由低到高时的切屑形态和表面特征，分析该方向的超声振动对切屑形态及微结构的影响，控制超声振动能量，抑制超声振动的断屑作用，保证形成稳定带状切屑；
（2）、然后在刀具上分别施加X、Z单方向以及二维椭圆的超声振动，由于该两个方向对断屑不产生直接影响，因此重点分析切削刃的运动轨迹对切屑表面结构特征的影响；
（3）、接着启动挤压块超声振动系统，在挤压块上分别施加单向和二维超声振动，研究不同的振动方向组合时，切屑被动成形面所产生的形态及表面特征，在对断屑有直接影响的振动施加时重点关注超声振动导致断屑所需的极限声学能量条件，在对断屑没有直接影响的振动施加时重点关注切削刃运动轨迹对切屑表面结构特征的影响；
（4）、获得在刀具和挤压块上同时施加超声振动，以及不同振动方向组合时，切屑主、被动成形面的形态及表面特征，寻求得到稳定切屑表面结构形态及特征的极限声学能量，确定在超声辅助切削时切屑的成形效果，完成以切屑形态和表面特征为目标的最佳振动施加维数和施加方向的研究。
9.根据权利要求8所述的具有微结构的超细晶材料超声辅助切削装置的切削方法，其特征在于：基于变截面杆纵振波动方程，在考虑法兰盘壁厚和直径前提下，将单一圆锥变幅杆看作“三段式复合变幅杆”，利用边界条件，建立一种圆锥变幅杆的节点计算公式，通过建立的节点计算公式，求得圆锥变幅杆节点位置所在。
10.根据权利要求8所述的具有微结构的超细晶材料超声辅助切削装置的切削方法，其特征在于：超声参数包括电源参数、频率参数、振幅参数和振动维数，工艺参数包括主轴转速、切削深度和进给速度；通过分析超声参数和工艺参数下切屑晶粒尺寸变化规律，揭示不同参数对切屑晶粒细化机制，及分析超声参数、工艺参数对切屑微观组织的影响规律。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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