CN113814745A - 脉冲电流辅助切削加工系统及加工方法 - Google Patents

脉冲电流辅助切削加工系统及加工方法 Download PDF

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翟荐硕
马孝悦
胡雄风
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Abstract

本发明公开了一种脉冲电流辅助切削加工系统及加工方法，所述系统包括电脉冲辅助加工装置和激光表面粗糙度在线检测装置；所述电脉冲辅助加工装置包括高频脉冲发生器和夹具，所述高频脉冲发生器通过接线电缆与夹具相连接，所述夹具装夹于五轴加工中心夹具上；所述激光表面粗糙度在线检测装置包括激光粗糙度检测头、保持架和示波器，所述保持架固定于五轴加工中心刀库上，所述激光粗糙度检测头夹持于保持架顶端，聚焦点指向工件已加工表面，激光粗糙度检测头通过信号线与示波器相连接。本发明解决了目前钛合金在加工时所面临的加工硬化、刀具磨损剧烈等问题，同时能够有效保证产品质量的稳定性，提高钛合金构件的生产效率。

Description

脉冲电流辅助切削加工系统及加工方法
技术领域
本发明涉及一种涉及钛合金等难加工金属材料的零部件加工技术，具体是一种脉冲电流辅助切削加工系统及加工方法，属于金属加工技术领域。
背景技术
钛合金优越的物理化学属性使其成为具备较高吸引力的结构工程材料，并已经被广泛地应用到航空航天、军工、生物医学、体育器械和汽车等重要的制造领域。对于其中大多数零部件而言，切削加工是必须的工艺过程之一。然而，由于钛合金材料的强度高、传热系数小、化学亲和力强、弹性模量低等，若切削工艺不当，产生的微观裂纹在材料表面和近表层萌生，会破坏材料表面机械性能和抗疲劳性能；且对于结构复杂零件，传统机床无法实现快速有效加工，切削精度也难以得到保证；成品构件的粗糙度检测仍普遍采用离线抽样检测方式，不能对加工构件进行实时监控，检测效率低，耗时长。
发明内容
本发明的目的是为了针对钛合金等难加工金属材料零部件加工技术的不足之处，提供了一种脉冲电流辅助切削加工系统，该系统解决了目前钛合金在加工时所面临的加工硬化、刀具磨损剧烈等问题，同时通过添加激光粗糙度在线检测装置对零部件已加工表面进行实时粗糙度检测，取代原有的离线检测方法，能够有效保证产品质量的稳定性，提高钛合金构件的生产效率。
本发明的另一目的在于提供一种脉冲电流辅助切削加工方法，该方法基于上述的脉冲电流辅助切削加工系统实现。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种脉冲电流辅助切削加工系统，包括电脉冲辅助加工装置和激光表面粗糙度在线检测装置；
所述电脉冲辅助加工装置包括高频脉冲发生器和夹具，所述高频脉冲发生器通过接线电缆与夹具相连接，所述夹具装夹于五轴加工中心夹具上；
所述激光表面粗糙度在线检测装置包括激光粗糙度检测头、保持架和示波器，所述保持架固定于五轴加工中心刀库上，所述激光粗糙度检测头夹持于保持架顶端，聚焦点指向工件已加工表面，激光粗糙度检测头通过信号线与示波器相连接。
进一步的，所述夹具底座装夹于五轴加工中心夹具上，且所述夹具与五轴加工中心夹具之间绝缘，所述夹具中间由绝缘材料隔断为两部分。
进一步的，所述夹具底座底部具有圆棒，所述圆棒由绝缘材料制成，夹具底座通过圆棒装夹于五轴加工中心夹具上。
进一步的，所述夹具为三爪卡盘结构，包括卡盘主体、第一夹具体、第二夹具体、第三夹具体、第一正接线柱和第一负接线柱，所述第一夹具体和第三夹具体分别设置在卡盘主体上的导电区域两端，且分别与第一正接线柱、第一负接线柱导通，所述第一正接线柱和第一负接线柱分别通过接线电缆与高频脉冲发生器相连接，所述第二夹具体设置在卡盘主体上的绝缘区域，所述绝缘区域将卡盘主体分为两部分。
进一步的，所述保持架为四杆机构，各连接处通过四个舵机进行驱动。
进一步的，所述保持架包括固定头、第一连杆和第二连杆，所述固定头装载于五轴加工中心刀库螺纹孔中，且固定头、第一连杆和第二连杆依次铰接。
进一步的，所述舵机驱动所需杜邦线通过第一限位孔进行约束。
进一步的，所述高频脉冲发生器上设置有控制面板，所述控制面板上设置有开关、调节按钮、显示屏和接线柱，所述接线柱包括第二正接线柱、第二负接线柱和接地接线柱，所述第二正接线柱和第二负接线柱分别通过接线电缆与夹具相连接。
进一步的，所述高频脉冲发生器的底部设置有万向轮。
进一步的，所述信号线通过第二限位孔进行约束。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种脉冲电流辅助切削加工方法，基于上述的脉冲电流辅助切削加工系统实现，所述方法包括：通过高频脉冲发生器施加于夹具两端，使对所加工高频脉冲电流通过所加工零部件，利用高频脉冲电流的热效应与非热效应对金属材料产生电致塑性效应，同时通过激光粗糙度在线检测装置对所加工零部件的已加工表面进行实时检测。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明在针对钛合金等难加工金属材料进行加工时，对所加工零部件施加高频脉冲电流，利用其热效应与非热效应对金属材料产生电致塑性效应，可提高工件的塑性，降低强度和加工硬化率，促进工件的原子扩散和位错移动，有利于改善切削加工性能。
2、本发明所施加的高频脉冲电流施加于夹具两端，且在无零部件夹持时无法通过夹具形成回路，确保高频脉冲电流完整的通过所加工零部件，有效提高工件内部的均方根电流密度，且夹具与五轴加工中心原有夹具之间绝缘，能够防止五轴加工中心带电造成安全事故。
3、本发明在加工过程中通过激光粗糙度在线检测装置对工件已加工表面进行实时监测，代替原来的离线检测方法，能够有效保证产品质量的稳定性，提高钛合金构件的生产效率。
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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例的电脉冲辅助加工装置结构图。
图2为本发明实施例的激光表面粗糙度在线检测装置结构图。
图3为本发明实施例的电脉冲辅助加工装置中的夹具轴侧视图。
图4为本发明实施例的电脉冲辅助加工装置中的夹具右视图。
图5为图4的A-A剖视图。
图6为本发明实施例的电脉冲辅助加工装置中的高频脉冲发生器结构图。
其中，1-高频脉冲发生器，101-开关，102-调节按钮，103-显示屏，104-第二正接线柱，105-第二负接线柱，106-接地接线柱，107-万向轮，2-夹具，201-圆棒，202-卡盘主体，2021-导电区域，2022-绝缘区域，203-第一夹具体，204-第二夹具体，205-第三夹具体，206-第一正接线柱，207-第一负接线柱，3-电缆，4-激光粗糙度检测头，5-保持架，501-固定头，502-第一连杆，503-第二连杆，6-示波器，7-一级舵机，8-二级舵机，9-三级舵机，10-四级舵机，11-第一限位孔，12-第二限位孔。
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的一部分实施例，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。
实施例：
如图1和图2所示，本实施例提供了一种脉冲电流辅助切削加工系统，包括电脉冲辅助加工装置和激光表面粗糙度在线检测装置，电脉冲辅助加工装置包括高频脉冲发生器1和夹具2，高频脉冲发生器1通过接线电缆3与夹具2相连接，夹具2装夹于五轴加工中心夹具上；激光表面粗糙度在线检测装置包括激光粗糙度检测头4、保持架5和示波器6，保持架5固定于五轴加工中心刀库上，激光粗糙度检测头4夹持于保持架5顶端，聚焦点指向工件已加工表面，激光粗糙度检测头4通过信号线与示波器6相连接。
如图1～图5所示，夹具2底座装夹于五轴加工中心夹具上，且夹具2与五轴加工中心夹具之间绝缘，夹具2中间由绝缘材料隔断为两部分，仅当有导电零件夹持时可使脉冲电流通过与高频脉冲发生器1之间形成完整回路；具体地，夹具2底座底部具有圆棒201，圆棒201由绝缘材料制成，夹具2底座通过圆棒201装夹于五轴加工中心夹具上，确保在工作时夹具2与五轴加工中心绝缘。
进一步地，夹具2为三爪卡盘结构，其包括卡盘主体202、第一夹具体203、第二夹具体204、第三夹具体205、第一正接线柱206和第一负接线柱207，第一夹具体203和第三夹具体205分别设置在卡盘主体202上的导电区域2021两端，且分别与第一正接线柱206、第一负接线柱207导通，第一正接线柱206和第一负接线柱207分别通过接线电缆3与高频脉冲发生器1相连接，第二夹具体204设置在卡盘主体202上的绝缘区域2022，因此不带电，且绝缘区域2022将夹具2卡盘主体202分为两部分，仅当第一夹具体203与第一夹具体204同时与导电零件接触时，可在夹具2内部形成通路；需注意在加工时要先将加工零部件在夹具2上夹持稳定后才允许通电，此外在通电时禁止将第一夹具体203与第三夹具体205短接，以免产生放电现象，造成危险。
如图1～图6所示，高频脉冲发生器1接380V电源，高频脉冲发生器1上设置有开关101、调节按钮102、显示屏103和接线柱，开关101可控制高频脉冲发生器1的启停，调节按钮102用于调节电流参数，具体地，共有三个调节旋钮34可对电压、电流、振幅及频率大小进行调节，显示屏102可以显示当前电压、电流、振幅及频率数值；接线柱包括第二正接线柱104、第二负接线柱105和接地接线柱106，第二正接线柱104和第二负接线柱105分别通过接线电缆与夹具2的第一正接线柱206、第一负接线柱207相连接，连接处设置卡扣以防脱落，接地接线柱106用于接地。
优选地，高频脉冲发生器1的底部设置有万向轮107，便于用户对其进行移动使之处于合适的位置，且同时具备卡扣可将万向轮107锁死定位。
进一步地，保持架5为四杆机构，各连接处通过四个舵机进行驱动，四个舵机可分为一级舵机7、二级舵机8、三级舵机9和四级舵机10。
更进一步地，保持架5包括固定头501、第一连杆502和第二连杆503，固定头501装载于五轴加工中心刀库螺纹孔中，且固定头501、第一连杆502和第二连杆503依次铰接，第一连杆502和第二连杆503的两端连接卡槽垂直配置，使机构具有更多的位姿选择状态；一级舵机7可带动下方机构绕竖直方向进行转动；二级舵机8带动第一连杆502绕连接方向转动，三级舵机9带动第二连杆503绕连接方向转动，四级舵机10带动激光粗糙度检测头4绕连接方向转动，舵机驱动所需杜邦线通过第一限位孔11进行约束，配置舵机参考加工零部件的加工工步进行设置，通过控制舵机转动使保持架5随加工过程的进行发生位姿变化，确保顶部测量头的激光聚焦点时刻跟随最新的已加工表面，完成实时检测；激光粗糙度检测头可发射激光信号，并对反射回的激光信号进行采集，经过处理反映出加工零部件的表面轮廓，激光粗糙度检测头4所连接信号线通过第二限位孔12进行约束，并最终与示波器6相连接，示波器6可实时显示所测得粗糙度曲线及数值，第一限位孔11和第二限位孔12可以防止在工作过程中舵机驱动所需杜邦线、激光粗糙度检测头4所连接信号线与保持架5之间发生缠绕、干涉等情况。
本实施例的脉冲电流辅助切削加工系统的工作原理是：通过高频脉冲发生器施加于夹具两端，使对所加工高频脉冲电流通过所加工零部件，利用高频脉冲电流的热效应与非热效应对金属材料产生电致塑性效应，同时通过激光粗糙度在线检测装置对所加工零部件的已加工表面进行实时检测。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和约定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义，所使用的术语“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
综上所述，本发明在针对钛合金等难加工金属材料进行加工时，对所加工零部件施加高频脉冲电流，利用其热效应与非热效应对金属材料产生电致塑性效应，可提高工件的塑性，降低强度和加工硬化率，促进工件的原子扩散和位错移动，有利于改善切削加工性能；所施加的高频脉冲电流施加于夹具两端，且在无零部件夹持时无法通过夹具形成回路，确保高频脉冲电流完整的通过所加工零部件，有效提高工件内部的均方根电流密度，且夹具与五轴加工中心原有夹具之间绝缘，能够防止五轴加工中心带电造成安全事故；在加工过程中通过激光粗糙度在线检测装置对工件已加工表面进行实时监测，代替原来的离线检测方法，能够有效保证产品质量的稳定性，提高钛合金构件的生产效率。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种脉冲电流辅助切削加工系统，其特征在于，包括电脉冲辅助加工装置和激光表面粗糙度在线检测装置；
所述电脉冲辅助加工装置包括高频脉冲发生器和夹具，所述高频脉冲发生器通过接线电缆与夹具相连接，所述夹具装夹于五轴加工中心夹具上；
所述激光表面粗糙度在线检测装置包括激光粗糙度检测头、保持架和示波器，所述保持架固定于五轴加工中心刀库上，所述激光粗糙度检测头夹持于保持架顶端，聚焦点指向工件已加工表面，激光粗糙度检测头通过信号线与示波器相连接。
2.根据权利要求1所述的脉冲电流辅助切削加工系统，其特征在于，所述夹具底座装夹于五轴加工中心夹具上，且所述夹具与五轴加工中心夹具之间绝缘，所述夹具中间由绝缘材料隔断为两部分。
3.根据权利要求2所述的脉冲电流辅助切削加工系统，其特征在于，所述夹具为三爪卡盘结构，包括卡盘主体、第一夹具体、第二夹具体、第三夹具体、第一正接线柱和第一负接线柱，所述第一夹具体和第三夹具体分别设置在卡盘主体上的导电区域两端，且分别与第一正接线柱、第一负接线柱导通，所述第一正接线柱和第一负接线柱分别通过接线电缆与高频脉冲发生器相连接，所述第二夹具体设置在卡盘主体上的绝缘区域，所述绝缘区域将卡盘主体分为两部分。
4.根据权利要求1所述的脉冲电流辅助切削加工系统，其特征在于，所述保持架为四杆机构，各连接处通过四个舵机进行驱动。
5.根据权利要求4所述的脉冲电流辅助切削加工系统，其特征在于，所述保持架包括固定头、第一连杆和第二连杆，所述固定头装载于五轴加工中心刀库螺纹孔中，且固定头、第一连杆和第二连杆依次铰接。
6.根据权利要求4所述的脉冲电流辅助切削加工系统，其特征在于，所述舵机驱动所需杜邦线通过第一限位孔进行约束。
7.根据权利要求1-6任一项所述的脉冲电流辅助切削加工系统，其特征在于，所述高频脉冲发生器上设置有控制面板，所述控制面板上设置有开关、调节按钮、显示屏和接线柱，所述接线柱包括第二正接线柱、第二负接线柱和接地接线柱，所述第二正接线柱和第二负接线柱分别通过接线电缆与夹具相连接。
8.根据权利要求1-6任一项所述的脉冲电流辅助切削加工系统，其特征在于，所述高频脉冲发生器的底部设置有万向轮。
9.根据权利要求1-6任一项所述的脉冲电流辅助切削加工系统，其特征在于，所述信号线通过第二限位孔进行约束。
10.一种脉冲电流辅助切削加工方法，基于权利要求1-9任一项所述的脉冲电流辅助切削加工系统实现，其特征在于，所述方法包括：通过高频脉冲发生器施加于夹具两端，使对所加工高频脉冲电流通过所加工零部件，利用高频脉冲电流的热效应与非热效应对金属材料产生电致塑性效应，同时通过激光粗糙度在线检测装置对所加工零部件的已加工表面进行实时检测。
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