CN114160818A - 一种Cf/SiC陶瓷基复合材料车削测力辅助装置及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Cf/SiC陶瓷基复合材料车削测力辅助装置及加工方法，通过自行设计的L形块、螺栓和三角规等将超声车削刀柄、测力平台及刀架连接成一个整体，使测力平台与刀架夹持平面、刀尖部位与工件中心处于同一高度，从而实现Cf/SiC陶瓷基复合材料的超声振动辅助车削及切削力的直接测量，并且相比于普通车削有效的降低了Cf/SiC陶瓷基复合材料在车削过程中的切削力，进一步提高了加工表面质量。
Description
技术领域
本发明属于车削加工技术领域，具体涉及一种车削测力辅助装置及加工方法。
背景技术
由于碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(Cf/SiC陶瓷基复合材料)具有高强度、高韧性、热稳定性和化学稳定性好等优异性能，在航空发动机热端部件、航天热防护系统及能源技术等领域具有广阔的应用前景。采用传统的机械加工方法加工Cf/SiC陶瓷基复合材料时，加工效果差、加工精度低，且引起较高的切削力和切削热，难以适用于硬脆性难加工材料的加工。
超声振动辅助加工技术是超声电源将工频交流电能转变为一定功率的超声频电振荡信号，通过换能器进行能量的转换，将超声频电振荡信号转换为机械振动，并通过变幅杆将振幅加以扩大，使固定在变幅杆端部的刀具产生低幅高频振动，从而实现对工件的断续切削加工。相比于传统机械加工方法，超声振动辅助加工硬脆性难加工材料能获得较好的加工质量和加工精度，减少切削热及刀具磨损，并延长了刀具的使用寿命。但目前国内缺乏专门适用于超声振动辅助加工的超声机床，大多数是在传统数控机床的基础上通过外加的自行设计的超声系统，实现对工件的超声振动辅助加工。对于车削加工，要求刀具的刀尖部位必须与工件的中心处于同一高度，过高或过低都会影响加工效果及切削力测量的准确性，但由于传统数控车床刀架等在空间上的限制，超声加工时测力平台无法安装在数控车床上，因此切削力的测量难以直接实现。但切削力是超声振动辅助加工试验中极其重要的切削效果评定参数，因此在不影响普通的数控车床工作任务的情况下，进行超声振动辅助车削试验时需要外加的切削力测量辅助装置，并要求较为方便的装卸。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种Cf/SiC陶瓷基复合材料车削测力辅助装置及加工方法，通过自行设计的L形块、螺栓和三角规等将超声车削刀柄、测力平台及刀架连接成一个整体，使测力平台与刀架夹持平面、刀尖部位与工件中心处于同一高度，从而实现Cf/SiC陶瓷基复合材料的超声振动辅助车削及切削力的直接测量，并且相比于普通车削有效的降低了Cf/SiC陶瓷基复合材料在车削过程中的切削力，进一步提高了加工表面质量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种Cf/SiC陶瓷基复合材料车削测力辅助装置，包括刀具、超声车削刀柄、刀架、测力平台和L形块；
所述刀具固定安装在超声车削刀柄上；所述超声车削刀柄固定在测力平台上，使刀具的表面与测力平台的上表面平行，刀具的刀尖与Cf/SiC陶瓷基复合材料工件中心处于同一高度；所述刀具的刀长方向与Cf/SiC陶瓷基复合材料工件的轴向垂直；
所述测力平台下底面悬空，下底面两侧伸出凸台；所述L形块的一面竖直放置，另一面水平放置；所述L形块的竖直放置面固定在测力平台一侧的凸台上；
所述刀架固定在数控车床上，刀架的夹持部位包括上部和下部；所述L形块的水平放置面夹紧在刀架夹持部位的上部下表面和下部上表面之间；所述测力平台的上表面和刀架夹持部位下部的上表面保持水平且在同一水平面。
优选地，所述超声车削刀柄通过三组三角规、螺栓和压板固定在测力平台上。
优选地，所述刀具为PCD刀具。
优选地，所述刀具形状为菱形。
优选地，所述刀具的型号为DCGW11T302。
优选地，所述刀具的PCD层厚度为0.5mm。
优选地，所述L形块的竖直放置面通过4个螺栓固定在测力平台一侧的凸台上。
一种Cf/SiC陶瓷基复合材料车削测力辅助加工方法，包括以下步骤：
步骤1：准备待加工工件：车削出Cf/SiC陶瓷基复合材料棒料，并对其表面进行光整，完成后将其安装在数控车床上；
步骤2：安装测力辅助装置：将超声车削刀柄通过三组三角规、螺栓和压板固定在测力平台上；将L形块的竖直放置面通过4个螺栓固定在测力平台一侧的凸台上；将L形块的水平放置面夹紧在刀架的上部下表面和下部上表面之间；确保测力平台的上表面和刀架下部的上表面保持水平且在同一水平面；沿超声车削刀柄的方向与待加工工件的轴向垂直；
步骤3：安装刀具并连接超声电源：将PCD刀具安装在超声车削刀柄刀尖位置，使刀具的表面处于水平位置，刀尖与待加工工件中心在同一高度，并接通超声电源；
步骤4：测试振动状态：将水用毛刷蘸在刀尖部位，如果看不到雾化或水在振动，说明振动效果未处于共振状态，则继续进行调试；当刀尖部位出现雾化或水在振动，说明振动效果处于共振状态，此时使用激光位移传感器检测超声振动的振幅；
步骤5：选择冷却液：在Cf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助车削试验时，选择冷却液进行车削，或者采用不添加冷却液的干式车削；
步骤6：加工参数选择及加工试验：选择超声参数、合适的工艺参数范围，对Cf/SiC陶瓷基复合材料进行关于工艺参数的三因素四水平超声振动辅助车削正交试验，并对加工过程的切削力进行测量；试验结束后，采用光学三维扫描仪分别对待加工工件加工表面三维粗糙度Sa进行测量；
步骤7：获取最优加工参数：对正交试验结果进行优化分析，获得最优的主轴转速、进给速度和切削深度参数；
步骤8：普通车削和超声振动辅助车削对比试验：采用步骤7所获取的最优工艺参数，并在给定的超声频率和超声振幅下，对Cf/SiC陶瓷基复合材料进行普通车削和超声振动辅助车削试验，对比分析切削力和三维表面粗糙度Sa检测结果。
优选地，所述数控车床型号为CY-K410n。
优选地，所述超声振动辅助车削超声参数为超声频率30kHz，超声振幅4μm，工艺参数为主轴转速200～800r/min，进给速度0.01-0.04mm/rev，切削深度0.1～0.4mm。
本发明的有益效果如下：
本发明通过设计的测力辅助装置，解决了因缺乏专用的超声机床而导致的切削力无法直接测量的问题，并且该装置可以较为方便的装卸，不会对普通数控机床的加工任务产生影响。采用此装置，进行了普通车削和超声振动辅助车削Cf/SiC陶瓷基复合材料对比试验，得出在车削过程中加入超声振动有助于降低切削力并提高加工表面质量。
附图说明
图1为本发明超声振动辅助车削测力辅助装置结构示意图。
图2为本发明PCD刀具示意图。
图中，1-刀具，2-超声车削刀柄，3-螺栓，4-三角规，5-刀架，6-测力平台，8-L形块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1和图2所示，一种Cf/SiC陶瓷基复合材料车削测力辅助装置，包括刀具1、超声车削刀柄2、刀架5、测力平台6和L形块8；
所述刀具1固定安装在超声车削刀柄2上；所述超声车削刀柄2固定在测力平台6上，使刀具1的表面与测力平台6的上表面平行，刀具1的刀尖与Cf/SiC陶瓷基复合材料工件中心处于同一高度；所述刀具1的刀长方向与Cf/SiC陶瓷基复合材料工件的轴向垂直；
所述测力平台6下底面悬空，下底面两侧伸出凸台；所述L形块8的一面竖直放置，另一面水平放置；所述L形块8的竖直放置面固定在测力平台6一侧的凸台上；
所述刀架5固定在数控车床上，刀架5的夹持部位包括上部和下部；所述L形块8的水平放置面夹紧在刀架5的夹持部位上部下表面和下部上表面之间；所述测力平台6的上表面和刀架5夹持部位下部的上表面保持水平且在同一水平面。
优选地，所述超声车削刀柄2通过三组三角规4、螺栓3和压板7固定在测力平台6上。
优选地，所述刀具1为PCD刀具。
优选地，所述刀具1形状为菱形。
优选地，所述刀具1的型号为DCGW11T302。
优选地，所述刀具1的PCD层厚度为0.5mm。
优选地，所述L形块8的竖直放置面通过4个螺栓固定在测力平台6一侧的凸台上。
一种Cf/SiC陶瓷基复合材料车削测力辅助加工方法，包括以下步骤：
步骤1：准备待加工工件：车削出Cf/SiC陶瓷基复合材料棒料，并对其表面进行光整，完成后将其安装在数控车床上；
步骤2：安装切削力测量辅助装置：将超声车削刀柄2通过三组三角规4、螺栓3和压板7固定在测力平台6上；将L形块8的竖直放置面通过4个螺栓固定在测力平台6一侧的凸台上；将L形块8的水平放置面夹紧在刀架5的上部下表面和下部上表面之间；确保测力平台6的上表面和刀架5下部的上表面保持水平且在同一水平面；沿超声车削刀柄2的方向与待加工工件的轴向垂直；
步骤3：安装刀具并连接超声电源：将PCD刀具安装在超声车削刀柄刀尖位置，使刀具1的表面处于水平位置，刀尖与待加工工件中心在同一高度，并接通超声电源；
步骤4：测试振动状态：将水用毛刷蘸在刀尖部位，如果看不到雾化或水在振动，说明振动效果未处于共振状态，继续进行调试。当刀尖部位出现雾化或水在振动，说明振动效果处于共振状态，此时使用激光位移传感器检测超声振动的振幅；
步骤5：选择冷却液：在Cf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助车削试验时，选择合适的冷却液进行车削，或者采用不添加冷却液的干式车削；
步骤6：加工参数选择及加工试验：选择超声参数、合适的工艺参数范围，对Cf/SiC陶瓷基复合材料棒料进行关于工艺参数的三因素四水平超声振动辅助车削正交试验，并对加工过程的切削力进行测量；试验结束后，采用光学三维扫描仪分别对加工工件表面的三维粗糙度Sa进行测量；
步骤7：获取最优工艺参数：对正交试验结果进行优化并分析，获得适用于Cf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助车削的最优主轴转速、进给速度和切削深度参数；
步骤8：普通车削和超声振动辅助车削对比试验：采用步骤7所获取的最优工艺参数，并在超声频率30kHz、超声振幅4μm下，对Cf/SiC陶瓷基复合材料棒料进行普通车削和超声振动辅助车削试验，对比分析切削力和三维表面粗糙度Sa检测结果。
优选地，所述数控车床型号为CY-K410n。
优选地，所述超声振动辅助车削超声参数为超声频率30kHz，超声振幅4μm，工艺参数为主轴转速200～800r/min，进给速度0.01-0.04mm/rev，切削深度0.1～0.4mm。
具体实施例：
步骤1：准备加工工件：车削出Φ28×120mm的Cf/SiC陶瓷基复合材料棒料，并对其表面进行光整，完成后将其安装在CY-K410n数控车床上。
步骤2：安装测力辅助装置：首先采用4个螺栓将测力仪和L形块的一直角边固定在一起，再将L形块的另一边用刀架夹持，并确认测力平台和刀架夹持L形块下平面处于同一高度。将30kHz的超声车削刀柄放置在测力平台上，采用3组压板、三角规及螺栓固定，并保证沿超声车削刀柄方向垂直于工件的轴向，且刀尖位置平面与测力平台表面平行。
步骤3：安装刀具并连接超声电源：将PCD刀具安装在超声车削刀柄刀尖部位，用梅花槽螺钉固定，并使刀具前刀面处于水平位置，且刀尖与工件的中心处于同一高度。同时，接通超声电源。
步骤4：测试振动状态：开启超声电源，调整功率、起弧等使刀具振动，将水用毛刷蘸在刀尖部位，如果看不到雾化或水在振动，说明振动效果未处于共振状态，继续进行调试。当刀尖部位出现雾化或水在振动，说明振动效果处于共振状态，此时使用LK-H020型激光位移传感器检测超声振动具体的振幅。
步骤5：选择冷却液：在Cf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助车削过程中，采用不添加冷却液的干式车削。
步骤6：加工参数选择及加工试验：超声振动辅助车削超声参数为超声频率30kHz、超声振幅4μm，工艺参数为主轴转速200～800r/min，进给速度0.01～0.04mm/rev，切削深度0.1～0.4mm。在此参数下，对Cf/SiC陶瓷基复合材料进行关于工艺参数的三因素四水平超声振动辅助车削正交试验，并分别对加工过程的切削力进行测量。试验结束后，为了保证测量数据的有效性及评价结果的准确性，选择7mm×7mm的三维表面粗糙度Sa测量区域，采用Alicona Infinite Focus G4光学三维扫描仪分别对加工表面粗糙度进行测量。
步骤7：获取最优工艺参数：对试验结果进行分析，得到最优的工艺参数为：主轴转速600r/min，进给速度0.01mm/rev，切削深度0.2mm。
步骤8：普通车削和超声振动辅助车削试验对比：采用步骤7所获取的最优工艺参数，并在超声频率30kHz、超声振幅4μm下，对Cf/SiC陶瓷基复合材料进行普通车削和超声振动辅助车削试验，加工过程中对切削力进行测量，并分别检测加工后的三维表面粗糙度Sa，对比分析检测结果。
综上所述，采用本发明测力辅助装置及加工方法，可以较为准确的完成Cf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助车削及加工过程中切削力的测量。采用所获得的最优工艺参数进行普通车削和超声振动辅助车削实验，分别测得合切削力为34.23N和23.49N，三维表面粗糙度Sa分别为4.2821μm和3.3213μm，可以得出引入超声振动有效降低了Cf/SiC陶瓷基复合材料车削过程中的切削力，并提高了其加工表面质量。
Claims (10)
1.一种Cf/SiC陶瓷基复合材料车削测力辅助装置，其特征在于，包括刀具、超声车削刀柄、刀架、测力平台和L形块；
所述刀具固定安装在超声车削刀柄上；所述超声车削刀柄固定在测力平台上，使刀具的表面与测力平台的上表面平行，刀具的刀尖与Cf/SiC陶瓷基复合材料工件中心处于同一高度；所述刀具的刀长方向与Cf/SiC陶瓷基复合材料工件的轴向垂直；
所述测力平台下底面悬空，下底面两侧伸出凸台；所述L形块的一面竖直放置，另一面水平放置；所述L形块的竖直放置面固定在测力平台一侧的凸台上；
所述刀架固定在数控车床上，刀架的夹持部位包括上部和下部；所述L形块的水平放置面夹紧在刀架夹持部位的上部下表面和下部上表面之间；所述测力平台的上表面和刀架夹持部位下部的上表面保持水平且在同一水平面。
2.根据权利要求1所述的一种Cf/SiC陶瓷基复合材料车削测力辅助装置，其特征在于，所述超声车削刀柄通过三组三角规、螺栓和压板固定在测力平台上。
3.根据权利要求1所述的一种Cf/SiC陶瓷基复合材料车削测力辅助装置，其特征在于，所述刀具为PCD刀具。
4.根据权利要求1所述的一种Cf/SiC陶瓷基复合材料车削测力辅助装置，其特征在于，所述刀具形状为菱形。
5.根据权利要求1所述的一种Cf/SiC陶瓷基复合材料车削测力辅助装置，其特征在于，所述刀具的型号为DCGW11T302。
6.根据权利要求1所述的一种Cf/SiC陶瓷基复合材料车削测力辅助装置，其特征在于，所述刀具的PCD层厚度为0.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种Cf/SiC陶瓷基复合材料车削测力辅助装置，其特征在于，所述L形块的竖直放置面通过4个螺栓固定在测力平台一侧的凸台上。
8.一种Cf/SiC陶瓷基复合材料车削测力辅助加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：准备待加工工件：车削出Cf/SiC陶瓷基复合材料棒料，并对其表面进行光整，完成后将其安装在数控车床上；
步骤2：安装测力辅助装置：将超声车削刀柄通过三组三角规、螺栓和压板固定在测力平台上；将L形块的竖直放置面通过4个螺栓固定在测力平台一侧的凸台上；将L形块的水平放置面夹紧在刀架的上部下表面和下部上表面之间；确保测力平台的上表面和刀架下部的上表面保持水平且在同一水平面；沿超声车削刀柄的方向与待加工工件的轴向垂直；
步骤3：安装刀具并连接超声电源：将PCD刀具安装在超声车削刀柄刀尖位置，使刀具的表面处于水平位置，刀尖与待加工工件中心在同一高度，并接通超声电源；
步骤4：测试振动状态：将水用毛刷蘸在刀尖部位，如果看不到雾化或水在振动，说明振动效果未处于共振状态，则继续进行调试；当刀尖部位出现雾化或水在振动，说明振动效果处于共振状态，此时使用激光位移传感器检测超声振动的振幅；
步骤5：选择冷却液：在Cf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助车削试验时，选择冷却液进行车削，或者采用不添加冷却液的干式车削；
步骤6：加工参数选择及加工试验：选择超声参数、合适的工艺参数范围，对Cf/SiC陶瓷基复合材料进行关于工艺参数的三因素四水平超声振动辅助车削正交试验，并对加工过程的切削力进行测量；试验结束后，采用光学三维扫描仪分别对待加工工件加工表面三维粗糙度Sa进行测量；
步骤7：获取最优加工参数：对正交试验结果进行优化分析，获得最优的主轴转速、进给速度和切削深度参数；
步骤8：普通车削和超声振动辅助车削对比试验：采用步骤7所获取的最优工艺参数，并在给定的超声频率和超声振幅下，对Cf/SiC陶瓷基复合材料进行普通车削和超声振动辅助车削试验，对比分析切削力和三维表面粗糙度Sa检测结果。
9.根据权利要求8所述的一种Cf/SiC陶瓷基复合材料车削测力辅助加工方法，其特征在于，所述数控车床型号为CY-K410n。
10.根据权利要求8所述的一种Cf/SiC陶瓷基复合材料车削测力辅助加工方法，其特征在于，所述超声振动辅助车削超声参数为超声频率30kHz，超声振幅4μm，工艺参数为主轴转速200～800r/min，进给速度0.01-0.04mm/rev，切削深度0.1～0.4mm。
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