CN114871514B - 一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法,包括:按照预设的制造强化螺纹的策略对机床进行配置,机床按照策略控制螺纹铣刀一体化切挤加工螺纹;在螺纹加工过程中,借助于超声椭圆振动实现螺纹铣刀的切挤操作,且使螺纹铣刀的侧刃后刀面产生负后角熨压区域,用以熨压强化螺纹表面。制造强化螺纹的策略包括:用于使螺纹铣刀主切削刃断续切削、降低切削力及提高加工精度的相位差用于在螺纹加工过程中使螺纹铣刀的侧刃后刀面产生负后角熨压区域的超声椭圆振动的长边振幅A、短边振幅B和频率f。该螺纹加工方法,可同时完成螺纹的切削与挤压强化,提高螺纹制造精度的同时在螺纹表面附加残余压应力,提高螺纹表面显微硬度和疲劳强度。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工、内外螺纹制备及螺纹切挤强化技术领域,尤其涉及一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法。
背景技术
在现代航空航天领域,如钛合金、高温合金等航空难加工材料等精密且轻量化的构件应用越来越广泛,由于钛合金、高温合金以及高强刚等航空难加工材料具有比强度高、耐热、抗冲击、耐腐蚀、相容性好等优异性能,且钛合金、高温合金以及高强刚等航空难加工材料质量远小于合金钢,因此,钛合金、高温合金以及高强刚等航空难加工材料连接件在航空航天领域的使用量越来越大。其中,螺纹联接是钛合金、高温合金以及高强刚等航空难加工材料零件的主要连接方式之一,如应用在液压系统上的钛合金、高温合金以及高强刚等航空难加工材料管接头。在航天航天装备的伺服机构中广泛应用的钛合金、高温合金以及高强刚等航空难加工材料上也有很多螺纹需要加工。
钛合金、高温合金以及高强刚等航空难加工材料螺纹加工过程中存在的问题有:
(1)由于钛合金、高温合金以及高强刚等航空难加工材料的难切削加工特性,采用传统的螺纹加工方法来加工钛合金、高温合金以及高强刚等航空难加工材料内外螺纹存在一定的困难。如螺纹车削很难断屑,影响螺纹加工质量;使用丝锥加工时刀具磨损快、加工温度高、轴向力大,并且丝锥破损产生刮削作用会使零件报废,浪费材料。
(2)钛合金、高温合金以及高强刚等航空难加工材料作为一种典型的难加工材料,热导率低,机械加工性能差。在传统加工过程中随着切削速度的提升切削力会增大,刀具温度急剧升高,导致螺纹铣刀快速磨损,从而降低刀具寿命和影响加工质量,最终影响螺纹零件的疲劳寿命。
(3)螺纹连接件作为航空航天装备制造重要的结构件和紧固件,需要对其进行强化以避免应力集中、提高螺纹疲劳寿命。目前螺纹根部滚挤压强化技术,通过滚轮施加压力使表层金属产生一定程度的弹塑性变形来减少疲劳源头数量,提高螺纹疲劳寿命,但会导致螺纹零件抗疲劳性能不稳定,普通滚轮滚挤压螺纹技术普遍存在砂轮体积大、加工工具强度低以及挤压区域狭窄等问题。此外,喷丸强化、激光强化等方式会破坏螺纹表面完整性,抵消残余压应力对疲劳寿命的增益。在实际加工过程中通常需要经过多道工序如切削-强化甚至切削-强化-再切削工序才能使螺纹符合精度与强度要求,严重影响螺纹零件加工效率。
因此,亟需提供一种能够提升刀具耐用度、提高钛合金、高温合金以及高强刚等航空难加工材料内外螺纹加工表面质量的螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足,本发明提供一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法,可提高螺纹的精度,同时提高螺纹铣刀的耐用度,并且无需附加强化工序,在对工件进行螺纹切削加工的同时即可对工件表面的螺纹进行挤压强化,使得加工出的螺纹满足工业要求。
(二)技术方案
为了达到上述目的,本发明采用的主要技术方案包括:
本发明实施例提供一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法,包括:按照预设的制造强化螺纹的策略对机床进行配置,机床按照策略控制螺纹铣刀一体化切挤加工螺纹;
所述螺纹铣刀的刃口钝圆,且在螺纹加工过程中,借助于超声椭圆振动实现螺纹铣刀的切挤操作,且使螺纹铣刀的侧刃后刀面产生负后角熨压区域,用以熨压强化已加工螺纹的螺纹表面;同时,螺纹铣刀的刃口钝圆对材料产生高应变率冲压实现冲击强化。
所述制造强化螺纹的策略包括:用于使螺纹铣刀主切削刃断续切削、降低切削力及提高加工精度的相位差用于在螺纹加工过程中使螺纹铣刀的侧刃后刀面产生负后角熨压区域的超声椭圆振动的长边振幅A、短边振幅B和频率f;
其中,所述机床上设置有超声椭圆振动设备,所述超声椭圆振动设备包括超声振动电源与超声振动刀柄,所述超声振动电源与所述超声振动刀柄电连接,所述螺纹铣刀安装在所述超声振动刀柄上;
在制造强化螺纹的策略中,所述相位差可由公式(1)得出:
式中f为超声椭圆振动的频率,n为螺纹铣刀回转速度,Z为螺纹铣刀齿数,fzt是切向每齿进给量,fza是轴向每齿进给量,Dt是铣刀直径,为相邻两次切削间隔的相位差;
所述制造强化螺纹的策略还包括:设定负后角熨压比率Pα大于0;
所述负后角熨压比率Pα,是指在一个波动切削周期内,后角熨压面积相对于一个波形面积所占的比例,所述负后角熨压比率Pα可由公式(2)得出:
式中Pα是负后角熨压比率,n为螺纹铣刀回转速度,Dt是铣刀直径,α0′是刀具后角,f为超声椭圆振动的频率,A是超声椭圆振动的长边振幅,B是超声椭圆振动的短边振幅。
可选地,所述相邻两次切削间隔的相位差的取值范围为120~240°。
可选地,所述制造强化螺纹的策略还包括:设定占空比η等于0.5;
所述占空比η,是指在一个波动切削周期内,切削时间相对于总时间所占的比例,在制造强化螺纹的策略中,所述占空比η可由公式(3)得出:
式中t为时间,t1为单齿刀尖切入时间,t2为单齿刀尖切出时间,T为一个波动切削周期,η为占空比,SN是螺纹铣刀的第N个刀尖的轨迹方程且螺纹铣刀回转速度为n的函数。
可选地,所述螺纹铣刀的第N个刀尖的轨迹方程且螺纹铣刀回转速度为n的函数为:
式中x、y、z分别是螺纹铣刀的第N个刀尖在X轴、Y轴、Z轴上的坐标方程,其中,t为时间,DH为螺纹直径,Dt为螺纹铣刀直径,nt为螺纹铣刀公转速度,n为螺纹铣刀回转速度,Z为螺纹铣刀齿数,fa为螺纹铣刀轴向进给速度,N为螺纹铣刀的刀尖的编号,f为超声椭圆振动的频率,A是超声椭圆振动的长边振幅,B是超声椭圆振动的短边振幅。
可选地,所述螺纹铣刀公转速度nt为40-80mm/min,所述螺纹铣刀的轴向进给速度fa为100-400mm/min。
可选地,所述超声椭圆振动的长边振幅A为2~20μm,所述超声椭圆振动的短边振幅B为2~20μm,所述超声椭圆振动的频率f为18KHz~22KHz。
可选地,所述超声椭圆振动为:对安装在机床上的螺纹铣刀分别施加两路互相垂直的弯曲振动;两路弯曲振动的运动轨迹又与螺纹铣刀中心线垂直,即振动轨迹位于螺纹铣刀中心线的垂直面上。
可选地,所述螺纹铣刀为单刃螺纹铣刀、多刃螺纹铣刀、整体直刃螺纹铣刀或整体螺旋刃螺纹铣刀。
(三)有益效果
本发明的有益效果是:本发明的螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法,包括:按照预设的制造强化螺纹的策略对机床进行配置,机床按照策略控制螺纹铣刀一体化切挤加工螺纹;且在螺纹加工过程中,借助于超声椭圆振动实现螺纹铣刀的切挤操作,且使螺纹铣刀的侧刃后刀面产生负后角熨压区域,用以熨压强化已加工螺纹的螺纹表面,降低表面粗糙度,同时刃口钝圆对材料产生高应变率冲压,与现有技术相比,其能够实现断续切削加工螺纹,螺纹铣刀切削刃与工作表面分离时,打开切削区使切削液流入,切削液减磨润滑且能够带走切削热,降低螺纹铣刀的切削力和温度,并且在一次加工过程中兼顾螺纹精度、表面粗糙度与亚表层强化,在保证螺纹精度与表面粗糙度的前提下,在螺纹壁表面附加残余压应力,细化晶粒,产生纳米晶,提高螺纹表面显微硬度与疲劳寿命,一次加工即可使制备的螺纹满足工业要求,提升钛合金、高温合金以及高强刚等航空难加工材料内外螺纹加工效率。此外,在加工中小直径螺纹时,刀具细长弱刚性,容易发生颤振,而本文提出的螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法可以有效抑制颤振现象,进而提高表面质量。
附图说明
图1为本发明提供的一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法的实施例1的加工工艺流程图;
图2为本发明提供的一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法的实施例1的断续切削原理和波动加工示意图;
图3为本发明提供的一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法的实施例1的表面形貌形成示意图;
图4为本发明提供的一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法的实施例1的熨压原理示意图;
图5为本发明提供的一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法的实施例1的晶粒细化示意图;
图6a和图6b为本发明提供的一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法的实施例1的让刀原理示意图;
图7为本发明提供的一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法的实施例1的单刃螺纹铣刀波动加工内螺纹示意图。
图8为本发明提供的一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法的实施例1的单刃螺纹铣刀波动加工外螺纹示意图。
图9为本发明提供的一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法的实施例2的梳状螺纹铣刀波动加工内螺纹示意图。
图10为本发明提供的一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法的实施例2的梳状螺纹铣刀波动加工外螺纹示意图。
图11为本发明提供的一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法的实施例3的整体直刃螺纹铣刀波动加工内螺纹示意图。
图12为本发明提供的一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法的实施例3的整体直刃螺纹铣刀波动加工外螺纹示意图。
图13为本发明提供的一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法的实施例4的整体螺旋刃螺纹铣刀波动加工内螺纹示意图。
图14为本发明提供的一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法的实施例4的整体螺旋刃螺纹铣刀波动加工外螺纹示意图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明,以便于理解,下面结合附图,通过具体实施方式,对本发明作详细描述。
实施例1:
参照图1和图6,本实施例提供一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法,包括:按照预设的制造强化螺纹的策略对机床进行配置,机床按照策略控制螺纹铣刀一体化切挤加工螺纹。
所述螺纹铣刀的刃口钝圆,且在螺纹加工过程中,借助于超声椭圆振动实现螺纹铣刀的切挤操作,且使螺纹铣刀的侧刃后刀面产生负后角熨压区域,用以熨压强化已加工螺纹的螺纹表面。
所述制造强化螺纹的策略包括:用于使螺纹铣刀主切削刃断续切削、降低切削力及提高加工精度的相位差用于在螺纹加工过程中使螺纹铣刀的侧刃后刀面产生负后角熨压区域的超声椭圆振动的长边振幅A、短边振幅B和频率f。
其中,所述机床上设置有超声椭圆振动设备,超声椭圆振动设备包括超声振动电源与超声振动刀柄,超声振动电源与超声振动刀柄电连接,螺纹铣刀安装在超声振动刀柄上。
本实施例中所述超声椭圆振动为:对安装在机床上的螺纹铣刀分别施加两路互相垂直的弯曲振动;两路弯曲振动的运动轨迹又与螺纹铣刀中心线垂直,即振动轨迹位于螺纹铣刀中心线的垂直面上。需要进一步说明的是,所述超声椭圆振动的轨迹由所述两路弯曲振动轨迹耦合而成,形状为椭圆。所述两路相互垂直的弯曲振动频率f保持一致,从而形成稳定封闭的图形。通过所述超声椭圆振动,可保证在整个螺纹加工过程中均存在垂直于螺纹壁的振动分量,增强螺纹表面的强化效果,螺纹铣刀每一齿切削状态均等效,可增强切削与强化的均匀性和螺纹表面形貌的规律性。
在本实施例中,所述“螺纹铣刀回转速度n、铣刀公转速度nt使切削过程中存在合适的相位差”,具体为:在螺纹切削加工过程中,若相令两次切削轨迹存在高频分离,则切削形式为高频断续分离切削,可有效降低切削力,可显著提高制螺纹精度,同时切削空间打开,方便切削液进入,可降低加工区域温度,减小由切削热产生的残余拉应力。以波动加工螺纹为例,产生高频分离的条件为相邻两齿螺纹铣刀切削轨迹存在相位差/>使前后刀尖轨迹交叠,相位差/>可由公式(1)计算得出:
式中f为超声椭圆振动的频率,n为螺纹铣刀回转速度,Z为螺纹铣刀齿数,fzt是切向每齿进给量,fza是轴向每齿进给量,Dt是铣刀直径,为相邻两次切削间隔的相位差,INT()为向下取整运算。其中,螺纹铣刀回转速度n是相位差/>的主要影响因素,而相邻两次切削间隔的相位差/>取值在120~240°时,所述螺纹铣刀的相邻刀尖交叠效果较好,因此可以反求得螺纹铣刀回转速度n的范围。
进一步地,所述制造强化螺纹的策略还包括:设定负后角熨压比率Pα大于0;
所述负后角熨压比率Pα,是指在一个波动切削周期内,后角熨压面积占一个波形面积的比例,所述负后角熨压比率Pα可由公式(2)得出:
式中Pα是负后角熨压比率,n为螺纹铣刀回转速度,Dt是铣刀直径,α0′是刀具后角,f为超声椭圆振动的频率,A是超声椭圆振动的长边振幅,B是超声椭圆振动的短边振幅。负后角熨压比率Pα大于0,可以保证螺纹铣刀后刀面对螺纹加工表面有熨压作用。熨压率越大,波动式加工的效果越好,即螺纹表面残余应力大,硬度高。
进一步地,所述制造强化螺纹的策略还包括:设定占空比η等于0.5。所述占空比η,是指在一个波动切削周期内,切削时间相对于总时间所占的比例。在螺纹实际切挤加工时,当所述螺纹铣刀的前后刀齿相互交叠使占空比η=0.5时,切削时间与分离时间相等,在兼顾切削效率的同时,有效降低螺纹铣刀的切削力和温度,延长刀具的使用寿命。
具体地,在制造强化螺纹的策略中,所述占空比η可由公式(3)得出:
式中t为时间,t1为单齿刀尖切入时间,t2为单齿刀尖切出时间,T为一个波动切削周期,η为占空比,SN是螺纹铣刀的第N个刀尖的轨迹方程且螺纹铣刀回转速度为n的函数。
由公式(3)可进一步确定合适的螺纹铣刀回转速度n的数值大小,从而在螺纹铣刀主切削刃在断续切削时,更好地降低螺纹铣刀的切削力与切削温度,从而延长螺纹铣刀的使用寿命,并提高螺纹的加工精度。
再进一步地,所述螺纹铣刀的第N个刀尖的轨迹方程且螺纹铣刀回转速度为n的函数为:
式中x、y、z分别是螺纹铣刀的第N个刀尖在X轴、Y轴、Z轴上的坐标方程,其中,t为时间,DH为螺纹直径,Dt为螺纹铣刀直径,nt为螺纹铣刀公转速离,n为螺纹铣刀回转速度,Z为螺纹铣刀齿数,fa为螺纹铣刀轴向进给速度,N为螺纹铣刀的刀尖的编号,f为超声椭圆振动的频率,A是超声椭圆振动的长边振幅,B是超声椭圆振动的短边振幅。
进一步地,所述超声椭圆振动的长边振幅A为2~20μm,所述超声椭圆振动的短边振幅B为2~20μm,所述超声椭圆振动的频率f为18KHz~22KHz。
图2为本发明提供的一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法的实施例1的断续切削原理和波动加工示意图。如图2所示,螺纹铣刀的刀齿相邻两次切削轨迹存在交点,实现波动加工钛合金、高温合金以及高强刚等航空难加工材料的内外螺纹,可产生高频分离断续切削,降低切削温度,螺纹牙形轮廓受到的切削力低,提高螺纹的加工精度,延长螺纹铣刀的使用寿命。
图3为本发明提供的一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法的实施例1的表面形貌示意图。如图3所示,通过调试超声椭圆振动设备可使超声椭圆振动的两路振幅相等,则加工过程中螺纹铣刀每一齿切削均等效,可增强螺纹表面形貌的规律性,形成不同于普通切削制螺纹的鱼鳞状微观表面形貌。在提高加工精度的基础上,还可通过改变切削参数和振动参数调整微观表面织构,实现不同的表面功能。
图4为本发明提供的一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法的实施例1的强化原理示意图。如图4所示,在螺纹铣刀瞬时切削过程中出现后刀面熨压区域,即螺纹铣刀侧刃后刀面与工件已加工表面在图中挤压区域发生干涉,对工件的螺纹表面起到强化的作用。同时,刃口钝圆对材料产生高应变率冲压,在超声冲击的作用下,表面塑性变形层发生变化,有利于提高螺纹的疲劳寿命。
图5为本发明提供的一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法的实施例1的晶粒细化示意图。如图5所示,在波动式加工作用下,晶格内晶面发生滑移,沿着滑移方向发生剪切变形导致晶粒发生变化。对钛合金、高温合金以及高强刚等航空难加工材料来说,晶粒细化通常会提升材料的抗疲劳性能。
图6a和图6b为本发明提供的一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法的实施例1的让刀原理示意图。在加工中小直径螺纹时,刀具细长弱刚性,容易发生让刀,而本文提出的螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法可以有效抑制让刀现象,进而提高表面质量。图6a为微孔加工过程中刀具形变量示意图,如图6a所示,δs1、δs2分别为刀杆的变形量,Φs1、Φs2分别是刀杆的变形角度,δf为刀刃部分的让刀量,在中小直径螺纹加工过程中,刀具可以等效为弱刚性悬臂梁,在加工过程中刀具挠曲变形不断地改变方向,使刀具中心偏离了原来的理想中心产生让刀现象。而在波动式切挤螺纹加工过程中,刀具吃刀量是从零开始逐渐增大至定值,波动式加工振幅的变化可以最大限度地减少刀具的让刀现象,有效保证孔尺寸的一致性。图6b为让刀原理示意图,如图6b所示,将实验中采集的工件坐标系内的切削力(Fx、Fy)转换为刀具坐标内的切削力(Fn、Ft),即刀具径向和切向切削力,径向切削力Fn决定了刀具径向变形,使得刀具在切削过程中有一定的径向让刀量,由于波动式加工的断屑特性,切削力降低,从而也很好地减少了让刀现象。
本实施例的螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法,在机床上安装加工需要的螺纹铣刀及超声椭圆振动设备;设置合适的超声椭圆振动参数;设定螺纹铣刀回转速度n使切削过程中存在合适的相位差和占空比η,使螺纹铣刀主切削刃断续切削,从而降低切削力与切削温度,减少刀具崩刃,提高刀具的使用寿命;开启超声振动电源,对固定在机床上的螺纹铣刀施加超声椭圆振动,同时在机床主轴带动下,所述螺纹铣刀绕自身中心轴做自转运动,同时绕待加工螺纹的中心轴做公转运动。所述螺纹铣刀在垂直于加工表面的超声椭圆振动辅助下,一方面对工件表面的材料进行去除,完成螺纹结构的切削加工,另一方面在切削过程中螺纹铣刀同时对加工的螺纹表面进行高频熨压和高频冲击,改善螺纹的表面质量,使得螺纹的加工亚表层产生很大的塑性变形层和一定深度的残余压应力层,加工表面晶粒细化,提升钛合金、高温合金以及高强刚等航空难加工材料的抗疲劳性能。所述加工方法可实现切削和强化一体化加工,进而实现螺纹结构的精强一体化加工,极大提升制螺纹效率,在提高制螺纹精度、降低螺纹表面粗糙度的同时在螺纹表面附加残余压应力,细化晶粒,提高表面显微硬度与疲劳寿命,使制备的螺纹满足工业要求。
结合图7所示,本实施例的螺纹铣刀为单刃螺纹铣刀,采用本实施例的螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法在工件上断续加工内螺纹的工艺流程为:
步骤S1:在机床上安装超声椭圆振动设备,将单刃螺纹铣刀安装在超声椭圆振动设备的超声振动刀柄上,将待加工的工件安装在机床上;
步骤S2:设定超声椭圆振动的长边振幅A为10μm,超声椭圆振动的短边振幅B为10μm,超声椭圆振动的频率f为20KHz,使螺纹铣刀在螺纹切削加工过程中出现负后角熨压区域,用以熨压强化螺纹表面;
步骤S3:设定螺纹铣刀回转速度n为2000r/min,螺纹铣刀公转速度nt为80mm/min,螺纹铣刀的轴向进给速度fa为200mm/min,使切削过程中存在合适的负后角熨压比率Pα、相位差和占空比η,从而使螺纹铣刀主切削刃断续切削、降低切削力及提高加工精度;
步骤S4:开启机床和超声椭圆振动设备,在机床的主轴的带动下,所述单刃螺纹铣刀绕自身中心轴做自转运动,同时绕螺纹中心轴做公转运动,超声椭圆振动设备在所述单刃螺纹铣刀上附加超声椭圆振动;
步骤S5:单刃螺纹铣刀在切削过程中,对已加工螺纹的表面产生熨压,使螺纹的表面晶粒细化,使螺纹实现切削和强化一体化加工,进而实现螺纹结构的精强一体化加工。结合图8所示,采用本实施例的螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法断续加工外螺纹的工艺流程为:
步骤S1:在机床上安装超声椭圆振动设备,将单刃螺纹铣刀安装在超声椭圆振动设备的超声振动刀柄上,将待加工的工件安装在机床上;
步骤S2:设定超声椭圆振动的长边振幅A为10μm,超声椭圆振动的短边振幅B为10μm,超声椭圆振动的频率f为20KHz,使单刃螺纹铣刀在螺纹切削加工过程中出现负后角熨压区域,用以熨压强化螺纹表面;
步骤S3:设定螺纹铣刀回转速度n为2000r/min,螺纹铣刀公转速度nt为80mm/min,螺纹铣刀的轴向进给速度fa为200mm/min,使切削过程中存在合适的负后角熨压比率Pα、相位差和占空比η,从而使单刃螺纹铣刀主切削刃断续切削、降低切削力及提高加工精度;
步骤S4:开启机床和超声椭圆振动设备,在机床的主轴的带动下,所述单刃螺纹铣刀绕自身中心轴做自转运动,同时绕螺纹中心轴做公转运动,超声椭圆振动设备在所述单刃螺纹铣刀上附加超声椭圆振动;
步骤S5:单刃螺纹铣刀在切削过程中,对已加工螺纹的表面产生熨压,使螺纹的表面晶粒细化,使螺纹实现切削和强化一体化加工,进而实现螺纹结构的精强一体化加工。
实施例2:
参照图9,本实施例提供另一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法,与实施例1相比不同的是,本实施例的螺纹铣刀为多刃螺纹铣刀,采用本实施例的螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法断续加工内螺纹的工艺流程为:
步骤S1:在机床上安装超声椭圆振动设备,将多刃螺纹铣刀安装在超声椭圆振动设备的超声振动刀柄上,将待加工的工件安装在机床上;
步骤S2:设定超声椭圆振动的长边振幅A为10μm,超声椭圆振动的短边振幅B为10μm,超声椭圆振动的频率f为20KHz,使多刃螺纹铣刀在螺纹切削加工过程中出现负后角熨压区域,用以熨压强化螺纹表面;
步骤S3:设定螺纹铣刀回转速度n为2000r/min,螺纹铣刀公转速度nt为80mm/min,螺纹铣刀的轴向进给速度fa为200mm/min,使切削过程中存在合适的负后角熨压比率Pα、相位差和占空比η,从而使多刃螺纹铣刀主切削刃断续切削、降低切削力及提高加工精度;
步骤S4:开启机床和超声椭圆振动设备,在机床的主轴的带动下,所述多刃螺纹铣刀绕自身中心轴做自转运动,同时绕螺纹中心轴做公转运动,超声椭圆振动设备在所述多刃螺纹铣刀上附加超声椭圆振动;
步骤S5:多刃螺纹铣刀在切削过程中,对已加工螺纹的表面产生熨压,使螺纹的表面晶粒细化,使螺纹实现切削和强化一体化加工,进而实现螺纹结构的精强一体化加工。
参照图10,采用本实施例的螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法断续加工外螺纹的工艺流程为:
步骤S1:在机床上安装超声椭圆振动设备,将多刃螺纹铣刀安装在超声椭圆振动设备的超声振动刀柄上,将待加工的工件安装在机床上;
步骤S2:设定超声椭圆振动的长边振幅A为10μm,超声椭圆振动的短边振幅B为10μm,超声椭圆振动的频率f为20KHz,使多刃螺纹铣刀在螺纹切削加工过程中出现负后角熨压区域,用以熨压强化螺纹表面;
步骤S3:设定螺纹铣刀回转速度n为2000r/min,螺纹铣刀公转速度nt为80mm/min,螺纹铣刀的轴向进给速度fa为200mm/min,使切削过程中存在合适的负后角熨压比率Pα、相位差和占空比η,从而使多刃螺纹铣刀主切削刃断续切削、降低切削力及提高加工精度;
步骤S4:开启机床和超声椭圆振动设备,在机床的主轴的带动下,所述多刃螺纹铣刀绕自身中心轴做自转运动,同时绕螺纹中心轴做公转运动,超声椭圆振动设备在所述多刃螺纹铣刀上附加超声椭圆振动;
步骤S5:多刃螺纹铣刀在切削过程中,对已加工螺纹的表面产生熨压,使螺纹的表面晶粒细化,使螺纹实现切削和强化一体化加工,进而实现螺纹结构的精强一体化加工。
实施例3:
参照图11,本实施例提供另一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法,与实施例1相比不同的是,本实施例的螺纹铣刀为整体直刃螺纹铣刀,采用本实施例的螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法断续加工内螺纹的工艺流程为:
步骤S1:在机床上安装超声椭圆振动设备,将整体直刃螺纹铣刀安装在超声椭圆振动设备的超声振动刀柄上,将待加工的工件安装在机床上;
步骤S2:设定超声椭圆振动的长边振幅A为10μm,超声椭圆振动的短边振幅B为10μm,超声椭圆振动的频率f为20KHz,使整体直刃螺纹铣刀在螺纹切削加工过程中出现负后角熨压区域,用以熨压强化螺纹表面;
步骤S3:设定螺纹铣刀回转速度n为2000r/min,螺纹铣刀公转速度nt为80mm/min,螺纹铣刀的轴向进给速度fa为200mm/min,使切削过程中存在合适的负后角熨压比率Pα、相位差和占空比η,从而使整体直刃螺纹铣刀主切削刃断续切削、降低切削力及提高加工精度;
步骤S4:开启机床和超声椭圆振动设备,在机床的主轴的带动下,所述整体直刃螺纹铣刀绕自身中心轴做自转运动,同时绕螺纹中心轴做公转运动,超声椭圆振动设备在所述整体直刃螺纹铣刀上附加超声椭圆振动;
步骤S5:整体直刃螺纹铣刀在切削过程中,对已加工螺纹的表面产生熨压,使螺纹的表面晶粒细化,使螺纹实现切削和强化一体化加工,进而实现螺纹结构的精强一体化加工。
参照图12,采用本实施例的螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法断续加工外螺纹的工艺流程为:
步骤S1:在机床上安装超声椭圆振动设备,将整体直刃螺纹铣刀安装在超声椭圆振动设备的超声振动刀柄上,将待加工的工件安装在机床上;
步骤S2:设定超声椭圆振动的长边振幅A为10μm,超声椭圆振动的短边振幅B为10μm,超声椭圆振动的频率f为20KHz,使整体直刃螺纹铣刀在螺纹切削加工过程中出现负后角熨压区域,用以熨压强化螺纹表面;
步骤S3:设定螺纹铣刀回转速度n为2000r/min,螺纹铣刀公转速度nt为80mm/min,螺纹铣刀的轴向进给速度fa为200mm/min,使切削过程中存在合适的负后角熨压比率Pα、相位差和占空比η,从而使整体直刃螺纹铣刀切削刃断续切削、降低切削力及提高加工精度;
步骤S4:开启机床和超声椭圆振动设备,在机床的主轴的带动下,所述整体直刃螺纹铣刀绕自身中心轴做自转运动,同时绕螺纹中心轴做公转运动,超声椭圆振动设备在所述整体直刃螺纹铣刀上附加超声椭圆振动;
步骤S5:整体直刃螺纹铣刀在切削过程中,对已加工螺纹的表面产生熨压,使螺纹的表面晶粒细化,使螺纹实现切削和强化一体化加工,进而实现螺纹结构的精强一体化加工。
实施例4:
参照图13,本实施例提供另一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法,与实施例1相比不同的是,本实施例的螺纹铣刀为整体螺旋刃螺纹铣刀,采用本实施例的螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法断续加工内螺纹的工艺流程为:
步骤S1:在机床上安装超声椭圆振动设备,将整体螺旋刃螺纹铣刀安装在超声椭圆振动设备的超声振动刀柄上,将待加工的工件安装在机床上;
步骤S2:设定超声椭圆振动的长边振幅A为10μm,超声椭圆振动的短边振幅B为10μm,超声椭圆振动的频率f为20KHz,使整体螺旋刃螺纹铣刀在螺纹切削加工过程中出现负后角熨压区域,用以熨压强化螺纹表面;
步骤S3:设定螺纹铣刀回转速度n为2000r/min,螺纹铣刀公转速度nt为80mm/min,螺纹铣刀的轴向进给速度fa为200mm/min,使切削过程中存在合适的负后角熨压比率Pα、相位差和占空比η,从而使整体螺旋刃螺纹铣刀主切削刃断续切削、降低切削力及提高加工精度;
步骤S4:开启机床和超声椭圆振动设备,在机床的主轴的带动下,所述螺旋刃螺纹铣刀绕自身中心轴做自转运动,同时绕螺纹中心轴做公转运动,超声椭圆振动设备在所述整体螺旋刃螺纹铣刀上附加超声椭圆振动;
步骤S5:整体螺旋刃螺纹铣刀在切削过程中,对已加工螺纹的表面产生熨压,使螺纹的表面晶粒细化,使螺纹实现切削和强化一体化加工,进而实现螺纹结构的精强一体化加工。
参照图14,采用本实施例的螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法断续加工外螺纹的工艺流程为:
步骤S1:在机床上安装超声椭圆振动设备,将整体螺旋刃螺纹铣刀安装在超声椭圆振动设备的超声振动刀柄上,将待加工的工件安装在机床上;
步骤S2:设定超声椭圆振动的长边振幅A为10μm,超声椭圆振动的短边振幅B为10μm,超声椭圆振动的频率f为20KHz,使整体螺旋刃螺纹铣刀在螺纹切削加工过程中出现负后角熨压区域,用以熨压强化螺纹表面;
步骤S3:设定螺纹铣刀回转速度n为2000r/min,螺纹铣刀公转速度nt为80mm/min,螺纹铣刀的轴向进给速度fa为200mm/min,使切削过程中存在合适的负后角熨压比率Pα、相位差和占空比η,从而使整体螺旋刃螺纹铣刀主切削刃断续切削、降低切削力及提高加工精度;
步骤S4:开启机床和超声椭圆振动设备,在机床的主轴的带动下,所述螺旋刃螺纹铣刀绕自身中心轴做自转运动,同时绕螺纹中心轴做公转运动,超声椭圆振动设备在所述整体螺旋刃螺纹铣刀上附加超声椭圆振动;
步骤S5:整体螺旋刃螺纹铣刀在切削过程中,对已加工螺纹的表面产生熨压,使螺纹的表面晶粒细化,使螺纹实现切削和强化一体化加工,进而实现螺纹结构的精强一体化加工。
实施例5:
在实施例1的基础上,本实施例提供另一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法,该螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法包括如下步骤:
步骤S1:在机床上安装超声椭圆振动设备,将螺纹铣刀安装在超声椭圆振动设备的超声振动刀柄上,将待加工的工件安装在机床上。
步骤S2:设定超声椭圆振动的长边振幅A为10μm,超声椭圆振动的短边振幅B为10μm,超声椭圆振动的频率f为20KHz,设定螺纹铣刀回转速度n为4000r/min,螺纹铣刀公转速度nt为80mm/min,螺纹铣刀的轴向进给速度fa为200mm/min,使切削过程中存在合适的负后角熨压比率Pα、相位差和占空比η,从而使螺纹铣刀主切削刃断续切削、降低切削力及提高加工精度。
步骤S4:开启机床和超声椭圆振动设备,在机床的主轴的带动下,所述螺纹铣刀绕自身中心轴做自转运动,同时绕螺纹中心轴做公转运动,超声椭圆振动设备在所述螺纹铣刀上附加超声椭圆振动。
步骤S5:所述螺纹铣刀在待加工的工件表面切削加工螺纹,且留有0.01mm的加工余量。不同直径的螺纹的加工量是不一样的,比如当待加工螺纹的加工量为1mm时,所述螺纹铣刀在步骤S5中加工0.99mm,留有0.01mm未加工。步骤S5为粗加工工序,重点在提高螺纹螺刀的铣削效率,并通过调整相位差、占空比,减少切削力,提高刀具寿命。调整负后角熨压比率0≤Pα≤0.2,减小刀具因后刀面熨压产生的刀具磨损,提高刀具寿命。
步骤S6:调整螺纹铣刀回转速度n为400r/min,其余参数保持不变,使得负后角熨压比率Pα>0.8。参见公式(2),螺纹铣刀回转速度n变小,负后角熨压比率Pα则变大,即后角熨压面积占一个波形面积的比例变大。
步骤S7:所述螺纹铣刀切挤加工剩余的0.01mm的加工余量。由于负后角熨压比率Pα变大,螺纹铣刀熨压的效果更好,加工出的螺纹表面的疲劳寿命更长。步骤S7的重点在提高负后角熨压比率Pα,提高螺纹的疲劳寿命。
步骤S8:关闭超声椭圆振动设备和机床,将加工完毕的工件上从机床上取下。
本实施例的螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法,由于螺纹铣刀分两次切挤加工螺纹,且第二次切挤加工时,螺纹铣刀回转速度n变小,相对于实施例1而言,增大了负后角熨压比率Pα,其更有利于晶粒细化以及螺纹加工表面强化,达到了提高螺纹疲劳寿命的效果。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法,其特征在于:包括:按照预设的制造强化螺纹的策略对机床进行配置,机床按照策略控制螺纹铣刀一体化切挤加工螺纹;
所述螺纹铣刀的刃口钝圆,且在螺纹加工过程中,借助于超声椭圆振动实现螺纹铣刀的切挤操作,且使螺纹铣刀的侧刃后刀面产生负后角熨压区域,用以熨压强化已加工螺纹的螺纹表面;
所述制造强化螺纹的策略包括:用于使螺纹铣刀主切削刃断续切削、降低切削力及提高加工精度的相位差用于在螺纹加工过程中使螺纹铣刀的侧刃后刀面产生负后角熨压区域的超声椭圆振动的长边振幅A、短边振幅B和频率f;
其中,所述机床上设置有超声椭圆振动设备,所述超声椭圆振动设备包括超声振动电源与超声振动刀柄,所述超声振动电源与所述超声振动刀柄电连接,所述螺纹铣刀安装在所述超声振动刀柄上;
在制造强化螺纹的策略中,所述相位差可由公式(1)得出:
式中f为超声椭圆振动的频率,n为螺纹铣刀回转速度,Z为螺纹铣刀齿数,fzt是切向每齿进给量,fza是轴向每齿进给量,Dt是铣刀直径,为相邻两次切削间隔的相位差;
所述制造强化螺纹的策略还包括:设定负后角熨压比率Pα大于0;
所述负后角熨压比率Pα,是指在一个波动式切削周期内,后角熨压面积占一个波形面积的比例,所述负后角熨压比率Pα可由公式(2)得出:
式中Pα是负后角熨压比率,n为螺纹铣刀回转速度,Dt是铣刀直径,α0′是刀具后角,f为超声椭圆振动的频率,A是超声椭圆振动的长边振幅,B是超声椭圆振动的短边振幅。
2.如权利要求1所述的螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法,其特征在于:所述相邻两次切削间隔的相位差的取值范围为120~240°。
3.如权利要求2所述的螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法,其特征在于:所述制造强化螺纹的策略还包括:设定占空比η等于0.5;
所述占空比η,是指在一个波动切削周期内,切削时间相对于总时间所占的比例,所述占空比η可由公式(3)得出:
式中t为时间,t1为单齿刀尖切入时间,t2为单齿刀尖切出时间,T为一个波动切削周期,η为占空比,SN是螺纹铣刀的第N个刀尖的轨迹方程且螺纹铣刀回转速度为n的函数。
4.如权利要求3所述的螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法,其特征在于:所述螺纹铣刀的第N个刀尖的轨迹方程SN且螺纹铣刀回转速度为n的函数为:
式中x、y、z分别是螺纹铣刀的第N个刀尖在X轴、Y轴、Z轴上的坐标方程,其中,t为时间,DH为螺纹直径,Dt为螺纹铣刀直径,nt为螺纹铣刀公转速度,n为螺纹铣刀回转速度,Z为螺纹铣刀齿数,fa为螺纹铣刀轴向进给速度,N为螺纹铣刀的刀尖的编号,f为超声椭圆振动的频率,A是超声椭圆振动的长边振幅,B是超声椭圆振动的短边振幅。
5.如权利要求4所述的螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法,其特征在于:所述螺纹铣刀公转速度nt为40-80mm/min,所述螺纹铣刀的轴向进给速度fa为100-400mm/min。
6.如权利要求4所述的螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法,其特征在于:所述超声椭圆振动的长边振幅A为2~20μm,所述超声椭圆振动的短边振幅B为2~20μm,所述超声椭圆振动的频率f为18KHz~22KHz。
7.如权利要求1所述的螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法,其特征在于:所述超声椭圆振动为:对安装在机床上的螺纹铣刀分别施加两路互相垂直的弯曲振动;两路弯曲振动的运动合成轨迹又与螺纹铣刀中心线垂直,即振动轨迹位于螺纹铣刀中心线的垂直面上。
8.如权利要求1-7任一项所述的螺纹结构精强一体化波动式超声铣削方法,其特征在于:所述螺纹铣刀为单刃螺纹铣刀、多刃螺纹铣刀、整体直刃螺纹铣刀或整体螺旋刃螺纹铣刀。
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Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11156601A (ja) * | 1997-09-09 | 1999-06-15 | Masao Murakawa | ステップ振動切削法および装置 |
EP2792443A1 (en) * | 2013-04-15 | 2014-10-22 | Techno s.r.l. | Thread mill |
CN204075422U (zh) * | 2014-09-19 | 2015-01-07 | 河南理工大学 | 用于硬脆材料加工的超声旋风铣机床 |
CN107442873A (zh) * | 2017-09-18 | 2017-12-08 | 清华大学 | 一种超声振动辅助螺旋铣磨螺纹方法 |
CN110076350A (zh) * | 2019-04-30 | 2019-08-02 | 北京航空航天大学 | 一种超声冲压式切削挤压一体化加工方法 |
CN112296459A (zh) * | 2019-08-02 | 2021-02-02 | 河南理工大学 | 基于椭圆振动的超声辅助线切割微织构成形方法与装置 |
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Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11156601A (ja) * | 1997-09-09 | 1999-06-15 | Masao Murakawa | ステップ振動切削法および装置 |
EP2792443A1 (en) * | 2013-04-15 | 2014-10-22 | Techno s.r.l. | Thread mill |
CN204075422U (zh) * | 2014-09-19 | 2015-01-07 | 河南理工大学 | 用于硬脆材料加工的超声旋风铣机床 |
CN107442873A (zh) * | 2017-09-18 | 2017-12-08 | 清华大学 | 一种超声振动辅助螺旋铣磨螺纹方法 |
CN110076350A (zh) * | 2019-04-30 | 2019-08-02 | 北京航空航天大学 | 一种超声冲压式切削挤压一体化加工方法 |
CN112296459A (zh) * | 2019-08-02 | 2021-02-02 | 河南理工大学 | 基于椭圆振动的超声辅助线切割微织构成形方法与装置 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
钛合金超声椭圆振动铣削参数对切削力的影响;张明亮;姜兴刚;刘佳佳;韩雄;张德远;;电加工与模具(06);全文 * |
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