CN114888620A - 利用液体介质抑制加工振动的工件加工装置及加工方法 - Google Patents

利用液体介质抑制加工振动的工件加工装置及加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用液体介质抑制加工振动的工件加工装置及加工方法，所述加工装置，包括刀具、工件夹具，其特征在于，还设有液体容器、液体介质以及外接的液体介质存储箱；所述工件夹具安装在液体容器的底板上，加工时通过夹持将工件的薄壁部分以竖直状态固定在所述液体容器中；所述液体容器上安装有喷射机头，并设有回流口，加工时所述喷射机头与铣削加工刀具分别位于工件薄壁部分的两侧，喷射机头的喷口朝向工件薄壁部分加工面的背面，喷射机头的进液口与液体介质存储箱的出液口连接，液体介质存储箱的进液口与所述回流口连接，形成循环回路，且连接喷射机头与液体介质存储箱出液口的管路上设有增压泵。在液体介质阻尼特性和液体冲击压力共同作用下，实施本发明的铣削加工过程其加工振动现象会有明显的抑制，本发明加工装置和加工方法能够有效的提高产品加工质量和加工精度，且易于实施，适合推广使用。

Description

利用液体介质抑制加工振动的工件加工装置及加工方法
技术领域
本发明涉及薄壁零件铣削加工的技术领域，具体为一种利用液体介质抑制加工振动的工件加工装置及加工方法。
背景技术
薄壁零件在铣削加工过程中极易产生加工振动现象，并导致工件表面产生振纹，会降低工件的表面质量，制约加工效率。选用合理的加工振动抑制方法能够提高工件的加工效率和表面质量，是机械加工领域亟待解决的问题之一。
国内外许多学者对薄壁零件的加工振动抑制方法进行了研究。其中，效果最为明显并且应用率较高的是通过降低切削用量抑制加工振动和添加主动阻尼器抑制加工振动。但降低切削用量的方法会极大程度的降低切削效率，添加主动阻尼器的方法对不同工件的添加位置难以选择，所以实施难度都很大，不能很好的解决薄壁零件的加工振动抑制问题。分析加工动力学方程
Figure DEST_PATH_IMAGE001
可知，增大系统的刚度和阻尼都能够一定程度上抑制加工振动，其中，
Figure 697761DEST_PATH_IMAGE002
为质量，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为阻尼，
Figure 336553DEST_PATH_IMAGE004
为刚度，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为切削加工中的切削力，
Figure 808728DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 419837DEST_PATH_IMAGE008
分别代表加速度，速度和位移。
发明内容
为了解决背景技术中提及的问题，本发明提出了一种将薄壁工件放置于装有液体介质的容器内，通过液体介质的黏性阻尼提高工件的等效阻尼，抑制加工振动，同时，在薄壁工件一侧施加液体喷射压力，通过喷射压力提高工件的等效刚度并抵消一部分切削力。在液体介质等效阻尼和喷射压力提高等效刚度的共同作用下，使加工过程中工件的响应位移降低，而达到抑制加工振动的目的。
为实现上述目的，本发明设计了以下技术方案：
一种利用液体介质抑制加工振动的加工装置，用于工件薄壁部分的铣削加工，包括刀具、工件夹具，其特征在于，还设有液体容器、液体介质以及外接的液体介质存储箱；
所述工件夹具安装在液体容器的底板上，加工时通过夹持将工件的薄壁部分以竖直状态固定在所述液体容器中；
所述液体容器上安装有喷射机头，并设有回流口，加工时所述喷射机头与铣削加工刀具分别位于工件薄壁部分的两侧，喷射机头的喷口朝向工件薄壁部分加工面的背面，喷射机头的进液口与液体介质存储箱的出液口连接，液体介质存储箱的进液口与所述回流口连接，形成循环回路，且连接喷射机头与液体介质存储箱出液口的管路上设有增压泵。
在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：
进一步的，所述增压泵驱动电路的控制信号输入端、刀具驱动电路的控制信号输入端分别与控制单元连接，控制单元控制增压泵向工件薄壁部分的背面施加恒定的冲击力，或耦合于刀具切削力的反向冲击力。
进一步的，所述工件薄壁部分的各个面与所述液体容器侧壁的最小距离不小于200mm。
进一步的，所述述液体介质为黏性液体介质，如乳化型切削液，或添加有阻燃剂的油液等。
一种基于上述加工装置的利用液体介质抑制加工振动的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将工件固定在液体容器内的夹具上，使其薄壁部分竖立在液体容器中，且加工面的背面朝向所述喷射机头的喷口；
S2.向液体容器中注入没过工件的液体介质，增加工件的等效阻尼，抑制加工振动；
S3：将刀具安装到位，开展铣削加工过程，在铣削加工的过程中，利用喷射机头持续向工件薄壁部分加工面的背面喷射所述液体介质，通过向薄壁部分背面施加水平方向的冲击力，使其产生提高刚度的预应力，以抑制加工振动。
在上述方案的基础上，对喷射机头的控制有以下两种方案：
其一，在铣削加工过程中，向工件薄壁部分背面施加恒定的冲击力。
其二，在喷射机头的喷射方向上，分析刀具施加在工件薄壁部分加工面的切削力，调整所述增压泵的功率，使喷射机头作用在工件薄壁部分背面上的冲击力与所述切削力大小相等，方向相反。
进一步的，本发明方法还包括在正式加工开始前，确定喷射机头冲击力或刀具切削力的测试步骤：
在测试阶段，对完成加工的测试工件测量其薄壁部分的表面轮廓尺寸，以工件表面任意处的变形误差小于0.02mm为准，调试所述喷射机头冲击力和/或刀具的切削力。
本发明的有益效果是：
本发明加工装置及加工方法利用了液体介质具的黏性阻尼的特性，将工件放置其中并进行加工时，黏性阻尼液体会增加工件的等效阻尼，对加工工件的振动产生抑制作用；同时，本发明加工装置及加工方法通过增压泵和喷射机头的共同作用对工件的非加工侧施加冲击压力，能够提高工件的等效刚度，抑制加工振动。在液体介质阻尼特性和液体冲击压力共同作用下，实施本发明的铣削加工过程其加工振动现象会有明显的抑制，本发明能够有效的提高产品加工质量和加工精度。
附图说明
图1是本发明加工方法具体实施例的流程图；
图2为本发明加工装置的俯视图；
图3为本发明加工装置的侧视内部结构示意图；
图4为图3局部结构的放大视图；
图中标记名称：液体容器1、进流口2、夹具3、工件4、铣刀5、液体介质6、喷射机头7、回流口8、增压泵9、液体介质存储箱10。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图2至图4所示的一种利用液体介质抑制加工振动的加工装置，用于工件薄壁部分的铣削加工，包括液体容器1、工件夹具3、刀具5、液体介质6、喷射机头7、增压泵9以及外接的液体介质存储箱10等组成部分。
如图3所示，所述液体容器1的左侧壁上安装有均匀分布的多个喷射机头7（喷嘴），并在底部设有回流口8，右侧壁的顶部设有进流口2。喷射机头7的进液口与外接的液体介质存储箱10的第一出液口连接，液体介质存储箱10的进液口与所述回流口8连接，形成加工时的循环回路，液体介质存储箱10的第二出液口与所述进流口2连接，用于在加工开始前对液体容器1内注入液体介质。所述增压泵9则设置在连接喷射机头7与液体介质存储箱10出液口的管路上。
如图4所示，所述工件4呈T型，包括用于夹持连接的底座和与底座垂直的薄壁部分，所述工件夹具3固定安装在液体容器1中部的底板上，其夹口朝上，加工时通过夹持底座将工件4的薄壁部分以竖立状态固定在所述液体容器1中。一般情况下，所述工件4的薄壁部分的各个面与所述液体容器1侧壁的最小距离可控制在不小于200mm的范围内，以减少折流液体对工件的影响。
加工时所述喷射机头7与铣削加工刀具分别位于工件薄壁部分的两侧，喷射机头7的喷口水平设置，朝向工件4薄壁部分加工面的背面，
所述增压泵9驱动电路的控制信号输入端、刀具驱动电路的控制信号输入端分别与控制单元连接，控制单元可控制增压泵8向工件薄壁部分的背面施加恒定的冲击力，或耦合于刀具切削力水平分量的反向冲击力。
所述液体介质优选采用黏性液体介质，如乳化型切削液，或添加有阻燃剂的切削油（以防止在加工时温度过高导致液体介质6燃烧）等。
一种基于如上所述加工装置的利用液体介质抑制加工振动的加工方法，包括以下步骤：
步骤一、将待加工工件4固定在液体容器1内的夹具上，使其薄壁部分竖立在液体容器1中，且加工面的背面朝向所述喷射机头7的喷口；
步骤二、通过切削力测量试验确定加工过程中铣刀5的切削力峰值，具体实施时，可通过测力仪和测量软件配合，获取切削力峰值，例如kistler9257B测力仪等；
步骤三、通过模态试验测量并求解得到目前加工装置动力学系统模型的质量、刚度和阻尼，具体实施时，可通过力锤、加速度传感器和动态信号分析仪开展锤击试验，获取其频率响应曲线，并通过模态分析软件获取系统的质量、刚度和阻尼。
步骤四、通过阻尼测量试验得到各种液体介质的阻尼，并选择阻尼较大的液体作为黏性液体介质；
步骤五、打开所述进流口2，利用泵机从所述液体介质存储箱10中抽取液体介质注入液体容器1，并将刀具安装到位，此过程中增压泵8和回流口8处于关闭状态；当注入的液体介质6足够淹没工件4、所有的喷射机头7和铣刀5后，停止注入液体介质，关闭进流口2；
注入液体介质后系统的动力学方程变为
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，其中
Figure 976721DEST_PATH_IMAGE010
为由系统原有阻尼和液体阻尼共同形成的系统等效阻尼；
步骤六、根据步骤二、三、四的测试结果，确定好相应的加工参数后，采用铣削加工刀具5开展铣削加工，在铣削加工的过程中，打开增加泵9和回流口8，通过增压泵9吸收液体介质存储箱10内的液体介质，并利用喷射机头7持续向工件4薄壁部分加工面的背面喷射所述液体介质，通过向薄壁部分背面施加水平方向的冲击力，使工件产生预应力，该预应力可使得工件的等效刚度得以提高，从而达到抑制工件加工颤振的作用；
液体介质6冲击工件4后，工件4的等效刚度会在冲击力的作用下提高为
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，其中
Figure 40492DEST_PATH_IMAGE011
为由系统原有刚度和冲击力提高的刚度共同形成的系统等效刚度。
在步骤六的实施过程中，对喷射机头的控制有以下两种方案：
一种是向工件4薄壁部分加工面的背面施加恒定的冲击力；另一种是分析在喷射机头7的喷射方向上，刀具5施加在工件薄壁部分加工面上的切削力，调整所述增压泵9的功率，使喷射机头7作用在工件薄壁部分背面上的冲击力与所述切削力大小相等，方向相反，自适应的增大或减小，以抵消或者减弱切削力，例如所述切削力是一个正弦力F切=F0sinα，冲击力则应设置为与其大小相等施加力方向相反的一个力F冲=-F0sinα，则 F切+F冲=0。
需要注意的是：
液体介质6冲击薄壁工件4表面使其产生预应力的同时，可能会使薄壁工件4产生变形。为保证零件的加工精度，在加工之前，需要通过测量由于预应力导致的工件变形量，使其小于0.02mm。该变形数据可用于对所述喷射机头7冲击力和/或刀具5切削力调试的指导。
本发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用液体介质抑制加工振动的加工装置，用于工件薄壁部分的铣削加工，包括刀具、工件夹具（3），其特征在于，还设有液体容器（1）、液体介质（6）以及外接的液体介质存储箱（10）；
所述工件夹具（3）安装在液体容器（1）的底板上，加工时通过夹持将工件的薄壁部分以竖直状态固定在所述液体容器（1）中；
所述液体容器（1）上安装有喷射机头（7），并设有回流口（8），加工时所述喷射机头（7）与铣削加工刀具分别位于工件薄壁部分的两侧，喷射机头（7）的喷口朝向工件薄壁部分加工面的背面，喷射机头（7）的进液口与液体介质存储箱（10）的出液口连接，液体介质存储箱（10）的进液口与所述回流口（8）连接，形成循环回路，且连接喷射机头（7）与液体介质存储箱（10）出液口的管路上设有增压泵（9）。
2.根据权利要求1所述的一种利用液体介质抑制加工振动的加工装置，其特征在于，所述增压泵（9）驱动电路的控制信号输入端、刀具驱动电路的控制信号输入端分别与控制单元连接，控制单元控制增压泵向工件薄壁部分的背面施加恒定的冲击力，或耦合于刀具切削力的反向冲击力。
3.根据权利要求1所述的一种利用液体介质抑制加工振动的加工装置，其特征在于，所述工件薄壁部分的各个面与所述液体容器（1）侧壁的最小距离不小于200mm。
4.根据权利要求1所述的一种利用液体介质抑制加工振动的加工装置，其特征在于，所述液体介质为黏性液体介质。
5.根据权利要求4所述的一种利用液体介质抑制加工振动的加工装置，其特征在于，所述黏性液体介质为乳化型切削液。
6.根据权利要求5所述的一种利用液体介质抑制加工振动的加工装置，其特征在于，所述黏性液体介质中添加有阻燃剂。
7.一种基于权利要求1-6中任一项所述加工装置的利用液体介质抑制加工振动的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将工件（4）固定在液体容器（1）内的夹具上，使其薄壁部分竖立在液体容器（1）中，且加工面的背面朝向所述喷射机头（7）的喷口；
S2.向液体容器（1）中注入没过工件的液体介质，增加工件的等效阻尼，抑制加工振动；
S3：将刀具（5）安装到位，开展铣削加工过程，在铣削加工的过程中，利用喷射机头（7）持续向工件薄壁部分加工面的背面喷射所述液体介质，通过向薄壁部分背面施加水平方向的冲击力，使其产生提高刚度的预应力，以抑制加工振动。
8.根据权利要求7所述的利用液体介质抑制加工振动的加工方法，其特征在于：
铣削加工过程中，向工件薄壁部分背面施加恒定的冲击力。
9.根据权利要求7所述的利用液体介质抑制加工振动的加工方法，其特征在于：
分析在喷射机头（7）的喷射方向上，刀具施加在工件薄壁部分加工面的切削力，调整所述增压泵（9）的功率，使喷射机头（7）作用在工件薄壁部分背面上的冲击力与所述切削力大小相等，方向相反。
10.根据权利要求8或9所述的利用液体介质抑制加工振动的加工方法，其特征在于，还包括确定喷射机头（7）冲击力和/或刀具切削力的测试步骤：
在测试阶段，对完成加工的测试工件测量其薄壁部分的表面轮廓尺寸，以工件表面任意处的变形误差小于0.02mm为准，调试所述喷射机头（7）冲击力和/或刀具的切削力。
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