CN112059535A - 一种铝基碳化硅螺纹精密加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种一种铝基碳化硅螺纹精密加工方法，所述方法包括如下步骤：将超声纵振加工刀柄安装在机床上，将超声电源与超声纵振加工刀柄的连接，将工件装夹在机床工作台上；在超声纵振加工刀柄末端安装2‑10mm钻头，完成工件的螺纹底孔加工；将2‑10mm钻头更换为加工螺纹所用的金刚石涂层硬质合金刀具，开启超声电源；调节超声电源频率与超声纵振加工刀柄末端搭载的金刚石涂层硬质合金刀具的振幅满足超声工艺的分离条件；开动铣削机床，金刚石涂层硬质合金刀具按设定的螺旋轨迹螺旋铣出工件的螺纹孔；关闭超声电源，铣出工件的螺纹出入口倒角。本发明提升了螺纹孔表面及孔出入口质量，提升加工效率同时降低刀具磨损。

Description

一种铝基碳化硅螺纹精密加工方法
技术领域
本发明属于特种精密加工技术领域，尤其涉及一种铝基碳化硅螺纹精密加工方法。
背景技术
碳化硅颗粒增强铝基复合材料(下称SiCp/Al)是由基体材料(纯铝或铝合金)和增强材料(碳化硅颗粒)组成，并通过一定的工艺制备的具有新性能的材料。SiCp/Al具有优秀的物理性能与化学性能：高比强度、比刚度、比模量、低密度、低热膨胀系数、良好的尺寸稳定性、良好的导电导热系数及耐磨耐疲劳等诸多优点，在航天相关产品中得到了广泛的应用。但其优秀的机械性能使得SiCp/Al加工性较差，在进行SiCp/Al切削加工时，由于SiC颗粒的存在，使得材料的切削加工性变差，主要表现为刀具磨损严重、加工精度差、表面质量不佳、加工工艺路线过长等。为保证加工得到的产品满足使用要求，通常还要牺牲加工效率。由于SiCp/Al可加工性差，因此在零件制造时会尽量避免机械加工的需求。但在零件装配过程中，作为广泛使用的连接方法：机械连接，仍需要大量的紧固孔。因此针对SiCp/Al螺纹孔的精密加工难题仍需要合适的工艺及设备来满足工程加工的迫切需求。
传统丝锥攻丝或是低频振动攻丝都能够加工出SiCp/Al螺纹孔，但刀具磨损问题明显，丝锥容易断刀，孔质量也无法保证，容易出现废品；内螺纹砂轮磨削能够保证螺纹孔质量，但此类传统加工方式仍没有解决刀具磨损严重和加工效率低的问题。目前针对SiCp/Al螺纹孔的加工方法，在质量与效率上仍存在一定不足，需寻找新的方法解决SiCp/Al螺纹孔加工的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种铝基碳化硅螺纹精密加工方法，通过在刀具尖端施加微米级高频轴向振动，通过控制超声设备参数及加工参数，改善难加工材料可加工性，解决SiCp/Al螺纹孔难加工问题，提升SiCp/Al螺纹孔表面及孔出入口质量，提升加工效率同时降低刀具磨损。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种铝基碳化硅螺纹精密加工方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：将超声纵振加工刀柄安装在机床上，将超声电源与超声纵振加工刀柄的连接，将工件装夹在机床工作台上；步骤二：在超声纵振加工刀柄末端安装预设直径的钻头，完成工件的螺纹底孔加工；步骤三：将预设直径的钻头更换为加工螺纹所用的金刚石涂层硬质合金刀具，开启超声电源；步骤四：调节超声电源频率与超声纵振加工刀柄末端搭载的金刚石涂层硬质合金刀具的振幅满足超声工艺的分离条件；步骤五：开动铣削机床，金刚石涂层硬质合金刀具按设定的螺旋轨迹螺旋铣出工件的螺纹孔；步骤六：关闭超声电源，铣出工件的螺纹出入口倒角。
上述铝基碳化硅螺纹精密加工方法中，在步骤一中，所述超声纵振加工刀柄包括后端盖、旋转供电滑环、陶瓷堆和前端盖；其中，所述旋转供电滑环套设于所述后端盖并通过螺钉固接；所述后端盖的末端与机床主轴相连接；所述前端盖与所述后端盖通过螺纹连接在一起并夹紧中间的陶瓷堆；所述前端盖与金刚石涂层硬质合金刀具相连接。
上述铝基碳化硅螺纹精密加工方法中，在步骤四中，超声工艺的分离条件为：
Figure BDA0002630298160000021
h(θ)的最小值小于0；
其中，θ为刀具相对于起始点转过的角度，h为刀具的相邻两刀齿轨迹距离，h(θ)为相邻两刀齿轨迹距离随θ变化的函数，A为金刚石涂层硬质合金刀具的振幅，f为超声电源频率，n为机床主轴转速，F为每转进给量。
上述铝基碳化硅螺纹精密加工方法中，在步骤五中，设定的螺旋轨迹为：
Figure BDA0002630298160000031
其中，n为机床主轴转速，fa为轴向进给速度，Dh为工件的螺纹孔的直径，Dt为刀具直径，nt为主轴绕待加工螺纹孔轴线公转转速，n为主轴转速，F为每转进给量，A为金刚石涂层硬质合金刀具的振幅，f为超声电源频率，x为机床X方向坐标值，y为机床Y方向坐标值，z为机床Z方向坐标值，t为加工运行时长。
上述铝基碳化硅螺纹精密加工方法中，金刚石涂层硬质合金刀具圆周上一点的实时速度为：
Figure BDA0002630298160000032
其中，vx为沿机床X方向速度值，vy为沿机床Y方向速度值，vz为沿机床Z方向速度值。
上述铝基碳化硅螺纹精密加工方法中，金刚石涂层硬质合金刀具圆周上一点的实时加速度为：
Figure BDA0002630298160000033
其中，v′x为沿机床X方向加速度值，v′y为沿机床Y方向加速度值，v′z为沿机床Z方向加速度值。
上述铝基碳化硅螺纹精密加工方法中，前端盖(4)的长度L1与金刚石涂层硬质合金刀具(5)的长度L2满足以下关系式：
Figure BDA0002630298160000041
其中，ρ1为前端盖(4)材料的密度，ρ2为金刚石涂层硬质合金刀具(5)材料的密度，Y1为前端盖(4)材料的杨氏模量，Y2为金刚石涂层硬质合金刀具(5)材料的杨氏模量，k为非负整数，c为金刚石涂层硬质合金刀具(5)材料中纵波声速，f为系统工作频率。
上述铝基碳化硅螺纹精密加工方法中，金刚石涂层硬质合金刀具(5)的轴线与所述超声纵振加工刀柄的轴线重合。
上述铝基碳化硅螺纹精密加工方法中，预设直径为2-10mm。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明通过旋转超声纵振螺旋铣工艺加工SiCp/Al材料螺纹孔，达到的效果为：保证了螺纹合格率，提升尺寸精度及表面质量并降低刀具磨损，实现SiCp/Al材料螺纹孔高质高效加工。
(2)本发明通过在金刚石涂层硬质合金刀具尖端施加轴向振动，实现分离切削，达到的效果为：降低加工过程中的切削力、切削热，改善材料可加工性。通过控制振幅与铣削参数，使得加工满足超声工艺分离条件。
(3)本发明通过在在金刚石涂层硬质合金刀具尖端施加轴向振动，实现超声工艺的变速特性，达到的效果为：极大地提升刀具加工能力，加工SiCp/Al材料中的SiCp颗粒时，能够将其直接剪断，不产生颗粒剥落残留的空洞与颗粒拔除造成的表面划伤，有效的提升SiCp/Al材料螺纹加工的尺寸精度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的铝基碳化硅螺纹精密加工方法实施设备示意图；
图2是本发明实施例提供的超声纵振加工刀柄的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的铝基碳化硅螺纹精密加工方法实施设备示意图。如图1所示，该铝基碳化硅螺纹精密加工方法包括如下步骤：
步骤一：将超声纵振加工刀柄安装在机床上，将超声电源与超声纵振加工刀柄的连接，将工件装夹在机床工作台上；
步骤二：在超声纵振加工刀柄末端安装2-10mm钻头，完成工件的螺纹底孔加工；
步骤三：将2-10mm钻头更换为加工螺纹所用的金刚石涂层硬质合金刀具，开启超声电源；
步骤四：调节超声电源频率与超声纵振加工刀柄末端搭载的金刚石涂层硬质合金刀具的振幅满足超声工艺的分离条件；
步骤五：开动铣削机床，金刚石涂层硬质合金刀具按设定的螺旋轨迹螺旋铣出工件的螺纹孔；
步骤六：关闭超声电源，铣出工件的螺纹出入口倒角。
如图2所示，超声纵振加工刀柄包括后端盖1、旋转供电滑环2、陶瓷堆3和前端盖4；其中，
所述旋转供电滑环2套设于所述后端盖1并通过螺钉固接；所述后端盖1的末端与机床主轴相连接；所述前端盖4与所述后端盖1通过螺纹连接在一起并夹紧中间的陶瓷堆3；所述前端盖1与金刚石涂层硬质合金刀具5相连接。
金刚石涂层硬质合金刀具5处要求与基准A保持良好的同轴度，保证加工过程中回转精度良好，不同方向超声振动加工效果均匀。
前端盖4长度L1与金刚石涂层硬质合金刀具5长度L2满足以下关系式：
Figure BDA0002630298160000061
其中，ρ1为前端盖4材料的密度，ρ2为金刚石涂层硬质合金刀具5材料的密度，Y1为前端盖4材料的杨氏模量，Y2为金刚石涂层硬质合金刀具5材料的杨氏模量，k为非负整数，c为金刚石涂层硬质合金刀具5材料中纵波声速，f为系统工作频率，通过控制这两段长度，可以保证超声纵振加工刀柄前端面处于整数个半波长，即驻波波腹处，超声振动效果最明显。同时为了保证系统刚度，公式中k通常取0。
超声纵振加工设备在金刚石涂层硬质合金刀具尖端施加的轴向振动振幅满足超声工艺的分离条件：
Figure BDA0002630298160000062
h(θ)最小值<0。公式中F为每转进给量，A为超声振动振幅，f为超声振动频率，n为铣削机床主轴转速，θ为刀具相对于起始点转过的角度即加工时长。通过控制振幅与铣削参数，选择更大的超声纵振振动振幅A及适当小的每转进给量F，使得加工满足超声工艺分离条件。通过分离切削，降低加工过程中的切削力、切削热，改善材料可加工性。
超声纵振加工设备在刀尖施加的轴向振动振幅使得超声工艺实现变速特性：普通螺旋铣孔的瞬时切削速度、加速度为定值，而超声振动螺旋铣孔的瞬时切削速度、加速度大小呈周期性动态变化，并且其动态最低值与普通螺旋铣孔的瞬时切削加速度相等，最大值可为普通加工的数百倍，切削速度、加速度主要受超声振动振幅A及超声振动频率f影响，选取较大的超声振动振幅A及超声振动频率f可提升切削瞬态速度，极大地提升刀具加工能力，加工SiCp/Al材料中的SiCp颗粒时，能够将其直接剪断，不产生颗粒剥落残留的空洞与颗粒拔除造成的表面划伤，有效的提升SiCp/Al材料螺纹加工的尺寸精度。
本实施例通过主要由三轴以上机床，超声纵振加工设备，硬质合金刀具组成的系统，通过控制调整加工过程中超声设备参数及加工参数，使用旋转超声纵振螺旋铣工艺对SiCp/Al材料螺纹孔实现高精度加工。
加工前需对超声设备参数及铣削参数进行确定，以刀具底面中心为原点建立坐标系，超声振动铣孔刀尖运动轨迹方程为：
Figure BDA0002630298160000071
相邻两刀刃轨迹位置差为
Figure BDA0002630298160000072
为保证加工过程中良好的分离效果，需要有h最小值(θ)<0，h(θ)值小时分离效果更明显，其中n为刀具主轴自转转速，fa为轴向进给速度，Dh为待加工孔的直径，Dt为刀具直径，nt为公转转速，n为主轴转速，F为每转进给量，A为超声振动振幅。在参数的选择中表现为更大的超声振动振幅A及适当小的每转进给量F。分离特性降低加工过程中的切削力、切削热，改善材料可加工性。
对超声振动铣孔的刀刃运动轨迹方程关于时间t求导可得刀刃的实时速度、加速度方程分别为：
Figure BDA0002630298160000073
Figure BDA0002630298160000074
普通螺旋铣孔的瞬时切削速度、加速度为定值，而超声振动螺旋铣孔的瞬时切削速度、加速度大小呈周期性动态变化，并且其动态最低值与普通螺旋铣孔的瞬时切削加速度相等，最大值可为普通加工的数百倍，切削加速度主要受超声振动振幅A及超声振动频率f影响，选取较大的超声振动振幅A及超声振动频率f可提升切削瞬态加速度，极大地提升刀具加工能力，加工SiCp/Al材料中的SiCp颗粒时，能够将其直接剪断，不产生颗粒剥落残留的空洞与颗粒拔除造成的表面划伤，有效的提升SiCp/Al材料螺纹加工的尺寸精度。
确定好试验参数后，先使用合适直径钻头加工出底孔，开启超声电源，控制调整加工过程中超声电源参数及加工参数，开始旋转超声纵振螺旋铣孔，将孔一次性加工成型后，铣出孔入口倒角。
本实施例通过旋转超声纵振螺旋铣工艺加工SiCp/Al材料螺纹孔，达到的效果为：保证了螺纹合格率，提升尺寸精度及表面质量并降低刀具磨损，实现SiCp/Al材料螺纹孔高质高效加工。本实施例通过在金刚石涂层硬质合金刀具尖端施加轴向振动，实现分离切削，达到的效果为：降低加工过程中的切削力、切削热，改善材料可加工性。通过控制振幅与铣削参数，使得加工满足超声工艺分离条件。本实施例通过在在金刚石涂层硬质合金刀具尖端施加轴向振动，实现超声工艺的变速特性，达到的效果为：极大地提升刀具加工能力，加工SiCp/Al材料中的SiCp颗粒时，能够将其直接剪断，不产生颗粒剥落残留的空洞与颗粒拔除造成的表面划伤，有效的提升SiCp/Al材料螺纹加工的尺寸精度。本实施例可应用于多数铣削机床，使用同一刀具理论上可以加工不同直径螺纹孔，提升加工能力，改善螺纹孔的加工质量，适应面广、性价比高。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，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、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种铝基碳化硅螺纹精密加工方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一：将超声纵振加工刀柄安装在机床上，将超声电源与超声纵振加工刀柄的连接，将工件装夹在机床工作台上；
步骤二：在超声纵振加工刀柄末端安装预设直径的钻头，完成工件的螺纹底孔加工；
步骤三：将预设直径的钻头更换为加工螺纹所用的金刚石涂层硬质合金刀具，开启超声电源；
步骤四：调节超声电源频率与超声纵振加工刀柄末端搭载的金刚石涂层硬质合金刀具的振幅满足超声工艺的分离条件；
步骤五：开动铣削机床，金刚石涂层硬质合金刀具按设定的螺旋轨迹螺旋铣出工件的螺纹孔；
步骤六：关闭超声电源，铣出工件的螺纹出入口倒角。
2.根据权利要求1所述的铝基碳化硅螺纹精密加工方法，其特征在于：在步骤一中，所述超声纵振加工刀柄包括后端盖(1)、旋转供电滑环(2)、陶瓷堆(3)和前端盖(4)；其中，
所述旋转供电滑环(2)套设于所述后端盖(1)并通过螺钉固接；
所述后端盖(1)的末端与机床主轴相连接；
所述前端盖(4)与所述后端盖(1)通过螺纹连接在一起并夹紧中间的陶瓷堆(3)；
所述前端盖(1)与金刚石涂层硬质合金刀具(5)相连接。
3.根据权利要求1所述的铝基碳化硅螺纹精密加工方法，其特征在于：在步骤四中，超声工艺的分离条件为：
Figure FDA0002630298150000011
h(θ)的最小值小于0；
其中，θ为刀具相对于起始点转过的角度，h为刀具的相邻两刀齿轨迹距离，h(θ)为相邻两刀齿轨迹距离随θ变化的函数，A为金刚石涂层硬质合金刀具的振幅，f为超声电源频率，n为机床主轴转速，F为每转进给量。
4.根据权利要求1所述的铝基碳化硅螺纹精密加工方法，其特征在于：在步骤五中，设定的螺旋轨迹为：
Figure FDA0002630298150000021
其中，n为机床主轴转速，fa为轴向进给速度，Dh为工件的螺纹孔的直径，Dt为刀具直径，nt为主轴绕螺纹孔中心线公转转速，n为主轴转速，F为每转进给量，A为金刚石涂层硬质合金刀具的振幅，f为超声电源频率，z为机床Z方向坐标值，x为机床X方向坐标值，y为机床Y方向坐标值，t为加工运行时间。
5.根据权利要求4所述的铝基碳化硅螺纹精密加工方法，其特征在于：金刚石涂层硬质合金刀具圆周上一点的实时速度为：
Figure FDA0002630298150000022
其中，vx为沿机床X方向速度值，vy为沿机床Y方向速度值，vz为沿机床Z方向速度值。
6.根据权利要求4所述的铝基碳化硅螺纹精密加工方法，其特征在于：金刚石涂层硬质合金刀具圆周上一点的实时加速度为：
Figure FDA0002630298150000023
其中，v′x为沿机床X方向加速度值，v′y为沿机床Y方向加速度值，v′z为沿机床Z方向加速度值。
7.根据权利要求2所述的铝基碳化硅螺纹精密加工方法，其特征在于：前端盖(4)的长度L1与金刚石涂层硬质合金刀具(5)的长度L2满足以下关系式：
Figure FDA0002630298150000031
其中，ρ1为前端盖(4)材料的密度，ρ2为金刚石涂层硬质合金刀具(5)材料的密度，Y1为前端盖(4)材料的杨氏模量，Y2为金刚石涂层硬质合金刀具(5)材料的杨氏模量，k为非负整数，c为金刚石涂层硬质合金刀具(5)材料中纵波声速，f为系统工作频率。
8.根据权利要求2所述的铝基碳化硅螺纹精密加工方法，其特征在于：金刚石涂层硬质合金刀具(5)的轴线与所述超声纵振加工刀柄的轴线重合。
9.根据权利要求2所述的铝基碳化硅螺纹精密加工方法，其特征在于：预设直径为2-10mm。
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