CN117020287A - 一种减小tc4钛合金最小切削厚度的设备及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钛合金加工技术领域，具体涉及一种减小TC4钛合金最小切削厚度的设备及工艺，包括箱体，还包括控制器、冷却机构和切割机构，箱体的内部固定设有床台，切割机构包括切刀、横向滑动组件、纵向滑动组件、升降组件、角度调节组件、驱动组件和两个永磁体夹具，冷却机构包括喷油头、冷却罐、卷绕筒和输送组件，横向滑动组件、纵向滑动组件、升降组件、角度调节组件、驱动组件和输送组件与控制器均为电性连接。本发明的一种减小TC4钛合金最小切削厚度的设备及工艺，能够使得钛合金的最小切削厚度降低至1微米，降低率达到50％。较低的MCT值意味着在较小的切削深度下进行加工的可行性，从而提高了超精密加工中制造的部件的现有精度水平。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金加工技术领域，具体涉及一种减小TC4钛合金最小切削厚度的设备及工艺。
背景技术
切削工艺是TC4钛合金轧制过程中必要的工艺流程之一，切削工具和切削工艺的参数对切削效果影响很大。其中，超精密金刚石切割(UPDC)是一种很有前途的加工技术，可以生产具有光学级表面的精密零件。
然而，当UPDC期间刀具半径显著大于切削深度时，刀具前角变为负值。由此产生的犁削运动，即尺寸效应，导致未变形和未切割的材料残留在加工表面上，从而影响最终部件的表面完整性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减小TC4钛合金最小切削厚度的设备及工艺，用来解决现有钛合金切屑工艺存在尺寸效应的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
提供一种减小TC4钛合金最小切削厚度的设备，包括箱体，箱体的外壁上铰接设置有两个防护门，
还包括控制器、冷却机构和切割机构，
控制器固定设在箱体的外壁上，
切割机构设在箱体的内部，箱体的内部固定设有床台，切割机构包括切刀、横向滑动组件、纵向滑动组件、升降组件、角度调节组件、驱动组件和两个永磁体夹具，横向滑动组件设在床台的顶部，纵向滑动组件设在横向滑动组件上，升降组件设在箱体的内壁上，两个永磁铁夹具均设在纵向滑动组件上，角度调节组件和驱动组件均设在升降组件上，切刀固定设在驱动组件上，
冷却机构设在箱体的内壁上，冷却机构包括喷油头、冷却罐、卷绕筒和输送组件，冷却罐固定设在箱体的内壁上，卷绕筒通过第一转轴转动设置在箱体的内壁上，输送组件设在收喷油头和冷却罐之间，喷油头固定设在输送组件上，横向滑动组件、纵向滑动组件、升降组件、角度调节组件、驱动组件和输送组件与控制器均为电性连接。
进一步的，横向滑动组件包括第一丝杆、第一电机和第一滑板，床台的顶部固定设有两个安装块和两个第一导轨，第一丝杆转动设置在两个安装块之间，第一滑板滑动设在两个第一导轨之间，第一电机固定设在其中一个安装块的外壁上，其输出端与第一丝杆的一端固定连接，第一滑板的底部与第一丝杆螺纹连接，第一电机与控制器电连接。
进一步的，纵向滑动组件包括第二丝杆、第二电机和装夹板，第一滑板的顶部固定设有两个第二导轨，装夹板滑动设在两个第二导轨的顶部，第一滑板的顶部固定设有两个支撑块，第二丝杆转动设置在两个支撑块之间，第二电机固定设在其中一个支撑块的外壁上，其输出端与第二丝杆的一端固定连接，装夹板的底部与第二丝杆螺纹连接，第二电机与控制器电连接。
进一步的，升降组件包括第三丝杆、第三电机和升降板，箱体的内壁上固定设有两个第一滑轨，升降板滑动设置在两个第一滑轨的外壁上，箱体的内壁上固定设有两个限位板，第三丝杆转动设置在两个限位板之间，第三电机固定设在其中一个限位板的外壁上，其输出端与第三丝杆的一端固定连接，升降板的外壁与第三丝杆螺纹连接，第三电机与控制器电连接。
进一步的，角度调节组件包括第四电机、第一齿轮和第二齿轮，升降板的外壁上固定设有安装板，第四电机插设在安装板上，第一齿轮固定设在其输出端上，安装板的外壁上插设有第二转轴，第二齿轮固定设在第二转轴上，第一齿轮与第二齿轮啮合连接，第一齿轮小于第二齿轮，第四电机与控制器电连接。
进一步的，驱动组件包括第五电机、同步带和两个同步轮，第二转轴的底端固定设有异形板，第五电机固定设在异形板的底部，异形板的底部固定设有第二滑轨，第二滑轨的内部滑动设有滑块，滑块的顶部与第二滑轨的内壁之间设有力传感器，滑块的外壁上插设有第三转轴，两个同步轮分别固定设在第五电机的输出端和第三转轴上，同步带套设有中两个同步轮之间，切刀与第三转轴远离滑块的一端固定连接，第五电机与控制器电连接。
进一步的，装夹板的顶部固定设有四个滑槽，每个永磁铁夹具的底部均与两个滑槽滑动连接，每个永磁铁夹具的顶部均固定设有第一电磁铁，装夹板的顶部呈对称设有丝杆滑台，每个丝杆滑台上均滑动设有第二电磁铁，装夹板的顶部固定设有双向电动推杆，两个永磁铁夹具分别与双向电动推杆的两个输出端固定连接，双向电动推杆、每个第一电磁铁和每个第二电磁铁均与控制器电连接。
进一步的，输送组件包括吸油泵、抽油管和输油管，吸油泵固定设在箱体的外壁上，抽油管固定设在冷却罐与吸油泵的输入端之间，输油管卷设在卷绕筒的外壁上，吸油泵的输出端与输油管的一端固定连接，输油管的另一端与喷油头固定连接，吸油泵与控制器电连接。
进一步的，第一转轴的外壁上固定设有第三齿轮，箱体的内壁上，箱体的内壁上固定设有第三滑轨，第三滑轨的内部滑动设有齿条，第三齿轮与齿条啮合连接，齿条远离升降板的一端与第三滑轨的内壁之间固定设有复位弹簧。
一种减小TC4钛合金最小切削厚度的设备的工艺，包括以下步骤：
S1：钛合金工件的三向切割：
通过人工将钛合金工件水平放到两个永磁铁夹具之间，然后通过控制器启动两个双向电动推杆，从而使其两个输出端收缩，由于两个永磁铁夹具分别与双向电动推杆的两个输出端固定连接，进而带动两个永磁铁夹具相互靠近，对钛合金工件进行夹持固定，需要说明的是，可通过调节第一电磁铁和第二电磁铁的数量来调节磁场大小，进而获取不同磁场情况下，观察刀具于工件界面处的摩擦系数的大小，以精确实现最小化UPDC中的尺寸效应并减小最小切削厚度(MCT)。
钛合金工件夹持固定后，通过控制器启动第二电机，由于装夹板与两个第二导轨滑动连接，第二丝杆与两个支撑块转动连接，第二电机的输出端与第二丝杆的一端固定连接，装夹板的底部与第二丝杆螺纹连接，进而带动装夹板及其顶部的钛合金工件向靠近切刀下方的一端滑动，再通过控制器启动第五电机，从而使其输出端上的其中一个同步轮旋转，由于另一个同步轮与第三转轴固定连接，两个同步轮通过同步带套接，切刀与其中一个靠近滑块的铰接轴的一端固定连接，进而带动切刀旋转。
切刀旋转后，通过控制器启动第三电机，升降板与两个一滑轨滑动连接，第三丝杆与两个限位板转动连接，第三电机的输出端与第三丝杆的一端固定连接，升降板的外壁与第三丝杆螺纹连接，进而带动升降板及其上的切刀下降，对钛合金工件进行纵向切割。
对钛合金进行横向切割时，通过控制器启动第四电机，从而带动第一齿轮逆时针旋转九十度，由于第二齿轮与第一齿轮啮合连接，安装架通过第二转轴与安装板转动连接，切刀设在安装架上，进而带动切刀跟随第二齿轮顺时针旋转九十度，即将切刀调节为与钛合金工件为平行状态。
切刀调节为与钛合金工件为平行状态时，通过控制器启动第一电机，从而使其输出端旋转，由于其输出端与第一丝杆的一端固定连接，第一丝杆与两个安装块转动连接，第一滑板与两个第一导轨滑动连接，第一电机的输出端与第一丝杆的一端固定连接，第一滑板的底部与第一丝杆螺纹连接，进而带动钛合金工件于床台的顶部水平滑动，实现横切。
S2：切割过程中磁场的叠加及切屑力的监测：
纵向切割时，第一电磁铁通电，产生与切刀垂直的磁场，从而将磁场叠加到钛合金中，进而增加刀具于工件界面处的摩擦系数，从而最小化UPDC中的尺寸效应并减小最小切削厚度(MCT)，在横切时，通过控制器启动第二电磁铁，同时通过丝杆滑台带动第二电磁铁跟随切刀一起横向滑动，将磁场精准叠加到钛合金的切割位置，进而增加刀具于工件界面处的摩擦系数，从而最小化UPDC中的尺寸效应并减小最小切削厚度(MCT)，需要说明的是，提供的磁场强度为0.02T，切割实验中的切割深度设置为1微米-7微米，间隔值为1微米，切割了14个样品(MFS为7个，NMFS为7个)；切割速度设定为150mm/min。
在切割过程中，由于滑块与第二滑轨滑动连接，切刀通过第三转轴设在滑块上，因而切刀在对钛合金工件切割时，钛合金工件作用于铰接轴的力，即三个方向上的切屑力均能够被力传感器检测到。
S3：切割过程中的冷却措施：
切割过程中，通过吸油泵将冷却罐内的油性冷却剂通过抽油管和输油管输送至喷油头的内部，由于喷油头的喷口朝向切刀，从而使得喷出的油性冷却剂对切刀与钛合金工件接触位置降温，降低切刀的工作温度，同时有利于降低其磨损，提升切割效率及工件的表面质量，减小尺寸效应，进而起到辅助减小最小切削厚度的效果。
在升降板带动切刀下降的同时，喷油头跟随切刀一起下降，由于输油管与卷绕筒套接，第三齿轮与第一转轴固定连接，卷绕筒与第一转轴固定连接，在输油管的牵引作用下，从而使得第三齿轮顺时针旋转，由于第三齿轮与齿条啮合连接，从而带动齿条于第三滑轨的内部向远离升降板的一端滑动并带动复位弹簧转变为紧绷状态，实现卷绕筒的放卷，而在切割结束升降板上升复位时，复位弹簧恢复至初始状态，从而带动齿条于第三滑轨的内部向靠近升降板的一端滑动，从而带动第三齿轮逆时针旋转，进而带动卷绕筒逆时针旋转，对松弛的输油管收卷，进而在切割过程中，同步实现输油管的收卷和放卷，防止输油管缠绕或堆积在工作台上。
本发明的有益效果：
1.本发明通过设计切割机构，即切刀、横向滑动组件、纵向滑动组件、升降组件、角度调节组件和驱动组件，通过调节切刀的切割方向，能够完成对钛合金工件的三向切割，其中，包括对钛合金工件的径向和轴向切割，同时通过设计力传感器，可以对三向切割时产生的切屑力大小进行实时监测。
2.本发明通过设计两个第一电磁铁和两个第二电磁铁，能够在钛合金工件切割时，对其施加与工件切屑方向垂直的磁场，即将磁场叠加到钛合金中，增加刀具于工件界面处的摩擦系数，从而最小化UPDC中的尺寸效应并减小最小切削厚度(MCT)，在磁场影响下，刀具/工件界面处的摩擦系数增加，并且在磁场存在下获得了更好的表面质量，需要说明的是，可通过增减第一电磁铁和第二电磁铁的数量来调节磁场大小，进而获取不同磁场情况下，观察刀具于工件界面处的摩擦系数的大小，以精确实现最小化UPDC中的尺寸效应并减小最小切削厚度。
3.本发明通过设计力传感器和升降组件，可以带动切刀精准升降，并通过力传感器获取切屑力数值，数值可通过控制器上的显示面板呈现，实现切屑深度和切屑力大小的调结，通过设计角度调节组件和增减第一电磁铁和第二电磁铁的数量，能够完成切屑力方向和磁场大小的调节，进而满足不同的测试需求。
4.本发明通过设计冷却机构，即喷油头、冷却罐、卷绕筒和输送组件，在切割过程中，通过吸油泵将冷却罐内的油性冷却剂通过抽油管和输油管输送至喷油头的内部，由于喷油头的喷口朝向切刀，从而使得喷出的油性冷却剂对切刀与钛合金工件接触位置降温，降低切刀的工作温度，同时有利于降低其磨损，提升切割效率及工件的表面质量，减小尺寸效应，进而起到辅助减小最小切削厚度的效果。
5.本发明通过设计第一转轴、齿条、第三齿轮和复位弹簧，在升降板带动切刀下降的同时，喷油头跟随切刀一起下降，由于输油管与卷绕筒套接，第三齿轮与固定连接，卷绕筒与固定连接，在输油管的牵引作用下，从而使得第三齿轮顺时针旋转，由于第三齿轮与齿条啮合连接，从而带动齿条于第三滑轨的内部向远离升降板的一端滑动并带动复位弹簧转变为紧绷状态，实现卷绕筒的放卷，确保喷油头匀速跟随切刀下移喷油，对工件与切刀接触位置喷油型冷却剂降温，不会造成输油管的快速拉扯，防止损坏输油管，而在切割结束升降板上升复位时，复位弹簧恢复至初始状态，从而带动齿条于第三滑轨的内部向靠近升降板的一端滑动，从而带动第三齿轮逆时针旋转，进而带动卷绕筒逆时针旋转，对松弛的输油管匀速收卷，防止输油管弯折，确保下一次的输油运作，进而在切割过程中，同步实现输油管的收卷和放卷，防止输油管缠绕或堆积在工作台上，造成对切屑工作的影响。
6.通过设计本技术方案，钛合金的最小切削厚度降低至1微米，降低率达到50％。较低的MCT值意味着在较小的切削深度下进行加工的可行性，从而提高了超精密加工中制造的部件的现有精度水平。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对本发明实施例中的附图作简单地介绍。
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明箱体的切面图一；
图3为图2中的A处放大图；
图4为本发明箱体的切面图二；
图5为图4中的B处放大图；
图6为图4中的C处放大图；
图7为本发明箱体的切面图三；
图8为图7中的D处放大图；
图中：
箱体1，
床台10，
控制器2，
冷却机构3，
喷油头30，
冷却罐31，
卷绕筒32，第三齿轮320，齿条321，复位弹簧322，
输送组件33，吸油泵330，抽油管331，输油管332，
切割机构4，
切刀40，
横向滑动组件41，第一丝杆410，第一电机411，第一滑板412，
纵向滑动组件42，第二丝杆420，第二电机421，装夹板422，第一电磁铁423，丝杆滑台424，第二电磁铁425，双向电动推杆426，
升降组件43，第三丝杆430，第三电机431，升降板432，
角度调节组件44，第四电机440，第一齿轮441，第二齿轮442，
驱动组件45，第五电机450，同步带451，同步轮452，滑块453，力传感器454，
永磁体夹具46。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸。
参照图1至图8所示，本发明提供一种一种减小TC4钛合金最小切削厚度的设备，包括箱体1，箱体1的外壁上铰接设置有两个防护门，优选的，本设备为4轴超精密机器摩尔纳米技术350FG，来进行UPDC超精密金刚石切割，切屑方向包括径向和轴向，钛合金铸造工件的预设长度为30mm-50mm，所述钛合金铸造工件的预设直径为10-25mm，还包括控制器2、冷却机构3和切割机构4。
具体地，控制器2固定设在箱体1的外壁上。切割机构4设在箱体1的内部，箱体1的内部固定设有床台10，切割机构4包括切刀40、横向滑动组件41、纵向滑动组件42、升降组件43、角度调节组件44、驱动组件45和两个永磁体夹具46，横向滑动组件41设在床台10的顶部，纵向滑动组件42设在横向滑动组件41上，升降组件43设在箱体1的内壁上，两个永磁铁夹具均设在纵向滑动组件42上，角度调节组件44和驱动组件45均设在升降组件43上，切刀40固定设在驱动组件45上。
冷却机构3设在箱体1的内壁上，冷却机构3包括喷油头30、冷却罐31、卷绕筒32和输送组件33，冷却罐31固定设在箱体1的内壁上，卷绕筒32通过第一转轴转动设置在箱体1的内壁上，输送组件33设在收喷油头30和冷却罐31之间，喷油头30固定设在输送组件33上，横向滑动组件41、纵向滑动组件42、升降组件43、角度调节组件44、驱动组件45和输送组件33与控制器2均为电性连接。
参照图3所示，横向滑动组件41包括第一丝杆410、第一电机411和第一滑板412，床台10的顶部固定设有两个安装块和两个第一导轨，第一丝杆410转动设置在两个安装块之间，第一滑板412滑动设在两个第一导轨之间，第一电机411固定设在其中一个安装块的外壁上，其输出端与第一丝杆410的一端固定连接，第一滑板412的底部与第一丝杆410螺纹连接，第一电机411与控制器2电连接，当切刀40调节为与钛合金工件为平行状态时，通过控制器2启动第一电机411，从而使其输出端旋转。由于其输出端与第一丝杆410的一端固定连接，第一丝杆410与两个安装块转动连接，第一滑板412与两个第一导轨滑动连接，第一电机411的输出端与第一丝杆410的一端固定连接，第一滑板412的底部与第一丝杆410螺纹连接，进而带动钛合金工件于床台10的顶部水平滑动，实现横切，在横切时，通过控制器2启动第二电磁铁425，同时通过丝杆滑台424带动第二电磁铁425跟随切刀40一起横向滑动，将磁场精准叠加到钛合金的切割位置，进而增加刀具于工件界面处的摩擦系数，从而最小化UPDC中的尺寸效应并减小最小切削厚度，需要说明的是，提供的磁场强度为0.02T，切割实验中的切割深度设置为1微米-7微米，间隔值为1微米，切割了14个样品MFS为7个，NMFS为7个；切割速度设定为150mm/min。
参照图3所示，纵向滑动组件42包括第二丝杆420、第二电机421和装夹板422，第一滑板412的顶部固定设有两个第二导轨，装夹板422滑动设在两个第二导轨的顶部，第一滑板412的顶部固定设有两个支撑块，第二丝杆420转动设置在两个支撑块之间，第二电机421固定设在其中一个支撑块的外壁上，其输出端与第二丝杆420的一端固定连接，装夹板422的底部与第二丝杆420螺纹连接，第二电机421与控制器2电连接，当钛合金工件夹持固定后，通过控制器2启动第二电机421，由于装夹板422与两个第二导轨滑动连接，第二丝杆420与两个支撑块转动连接，第二电机421的输出端与第二丝杆420的一端固定连接，装夹板422的底部与第二丝杆420螺纹连接，进而带动装夹板422及其顶部的钛合金工件向靠近切刀40下方的一端滑动。
参照图8所示，升降组件43包括第三丝杆430、第三电机431和升降板432，箱体1的内壁上固定设有两个第一滑轨，升降板432滑动设置在两个第一滑轨的外壁上，箱体1的内壁上固定设有两个限位板，第三丝杆430转动设置在两个限位板之间，第三电机431固定设在其中一个限位板的外壁上，其输出端与第三丝杆430的一端固定连接，升降板432的外壁与第三丝杆430螺纹连接，第三电机431与控制器2电连接，当切刀40旋转后，通过控制器2启动第三电机431，升降板432与两个一滑轨滑动连接，第三丝杆430与两个限位板转动连接，第三电机431的输出端与第三丝杆430的一端固定连接，升降板432的外壁与第三丝杆430螺纹连接，进而带动升降板432及其上的切刀40下降，对钛合金工件进行纵向切割，第一电磁铁423通电，产生与切刀40垂直的磁场，从而将磁场叠加到钛合金中，进而增加刀具于工件界面处的摩擦系数，从而最小化UPDC中的尺寸效应并减小最小切削厚度。
参照图5所示，角度调节组件44包括第四电机440、第一齿轮441和第二齿轮442，升降板432的外壁上固定设有安装板，第四电机440插设在安装板上，第一齿轮441固定设在其输出端上，安装板的外壁上插设有第二转轴，第二齿轮442固定设在第二转轴上，第一齿轮441与第二齿轮442啮合连接，第一齿轮441小于第二齿轮442，第四电机440与控制器2电连接，当对钛合金进行横向切割时，通过控制器2启动第四电机440，从而带动第一齿轮441逆时针旋转九十度，由于第二齿轮442与第一齿轮441啮合连接，安装架通过第二转轴与安装板转动连接，切刀40设在安装架上，进而带动切刀40跟随第二齿轮442顺时针旋转九十度，即将切刀40调节为与钛合金工件为平行状态。
参照图5所示，驱动组件45包括第五电机450、同步带451和两个同步轮452，第二转轴的底端固定设有异形板，第五电机450固定设在异形板的底部，异形板的底部固定设有第二滑轨，第二滑轨的内部滑动设有滑块453，滑块453的顶部与第二滑轨的内壁之间设有力传感器454，滑块453的外壁上插设有第三转轴，两个同步轮452分别固定设在第五电机450的输出端和第三转轴上，同步带451套设有中两个同步轮452之间，切刀40与第三转轴远离滑块453的一端固定连接，第五电机450与控制器2电连接，当钛合金工件滑动至靠近切刀40下方的一端时，通过控制器2启动第五电机450，从而使其输出端上的其中一个同步轮452旋转，由于另一个同步轮452与第三转轴固定连接，两个同步轮452通过同步带451套接，切刀40与其中一个靠近滑块453的铰接轴的一端固定连接，进而带动切刀40旋转，需要说明的是，由于滑块453与第二滑轨滑动连接，切刀40通过第三转轴设在滑块453上，因而切刀40在对钛合金工件切割时，钛合金工件作用于铰接轴的力，即三个方向上的切屑力均能够被力传感器454检测到。
参照图3所示，装夹板422的顶部固定设有四个滑槽，每个永磁铁夹具的底部均与两个滑槽滑动连接，每个永磁铁夹具的顶部均固定设有第一电磁铁423，装夹板422的顶部呈对称设有丝杆滑台424，每个丝杆滑台424上均滑动设有第二电磁铁425，装夹板422的顶部固定设有双向电动推杆426，两个永磁铁夹具分别与双向电动推杆426的两个输出端固定连接，双向电动推杆426、每个第一电磁铁423和每个第二电磁铁425均与控制器2电连接，当对钛合金进行纵向切割时，通过人工将钛合金工件水平放到两个永磁铁夹具之间，然后通过控制器2启动两个双向电动推杆426，从而使其两个输出端收缩，由于两个永磁铁夹具分别与双向电动推杆426的两个输出端固定连接，进而带动两个永磁铁夹具相互靠近，对钛合金工件进行夹持固定，需要说明的是，可通过调节第一电磁铁423和第二电磁铁425的数量来调节磁场大小，进而获取不同磁场情况下，观察刀具于工件界面处的摩擦系数的大小，以精确实现最小化UPDC中的尺寸效应并减小最小切削厚度。
参照图6所示，输送组件33包括吸油泵330、抽油管331和输油管332，吸油泵330固定设在箱体1的外壁上，抽油管331固定设在冷却罐31与吸油泵330的输入端之间，输油管332卷设在卷绕筒32的外壁上，吸油泵330的输出端与输油管332的一端固定连接，输油管332的另一端与喷油头30固定连接，吸油泵330与控制器2电连接，在切割过程中，通过吸油泵330将冷却罐31内的油性冷却剂通过抽油管331和输油管332输送至喷油头30的内部，由于喷油头30的喷口朝向切刀40，从而使得喷出的油性冷却剂对切刀40与钛合金工件接触位置降温，降低切刀40的工作温度，同时有利于降低其磨损，提升切割效率及工件的表面质量，减小尺寸效应，进而起到辅助减小最小切削厚度的效果。
参照图6所示，第一转轴的外壁上固定设有第三齿轮320，箱体1的内壁上，箱体1的内壁上固定设有第三滑轨，第三滑轨的内部滑动设有齿条321，第三齿轮320与齿条321啮合连接，齿条321远离升降板432的一端与第三滑轨的内壁之间固定设有复位弹簧322，在升降板432带动切刀40下降的同时，喷油头30跟随切刀40一起下降，由于输油管332与卷绕筒32套接，第三齿轮320与第一转轴固定连接，卷绕筒32与第一转轴固定连接，在输油管332的牵引作用下，从而使得第三齿轮320顺时针旋转，由于第三齿轮320与齿条321啮合连接，从而带动齿条321于第三滑轨的内部向远离升降板432的一端滑动并带动复位弹簧322转变为紧绷状态，实现卷绕筒32的放卷，而在切割结束升降板432上升复位时，复位弹簧322恢复至初始状态，从而带动齿条321于第三滑轨的内部向靠近升降板432的一端滑动，从而带动第三齿轮320逆时针旋转，进而带动卷绕筒32逆时针旋转，对松弛的输油管332收卷，进而在切割过程中，同步实现输油管332的收卷和放卷，防止输油管332缠绕或堆积在工作台上。
一种减小TC4钛合金最小切削厚度的设备的工艺，包括以下步骤：
S1：钛合金工件的三向切割：
通过人工将钛合金工件水平放到两个永磁铁夹具之间，然后通过控制器2启动两个双向电动推杆426，从而使其两个输出端收缩，由于两个永磁铁夹具分别与双向电动推杆426的两个输出端固定连接，进而带动两个永磁铁夹具相互靠近，对钛合金工件进行夹持固定，需要说明的是，可通过调节第一电磁铁423和第二电磁铁425的数量来调节磁场大小，进而获取不同磁场情况下，观察刀具于工件界面处的摩擦系数的大小，以精确实现最小化UPDC中的尺寸效应并减小最小切削厚度。
钛合金工件夹持固定后，通过控制器2启动第二电机421，由于装夹板422与两个第二导轨滑动连接，第二丝杆420与两个支撑块转动连接，第二电机421的输出端与第二丝杆420的一端固定连接，装夹板422的底部与第二丝杆420螺纹连接，进而带动装夹板422及其顶部的钛合金工件向靠近切刀40下方的一端滑动，再通过控制器2启动第五电机450，从而使其输出端上的其中一个同步轮452旋转，由于另一个同步轮452与第三转轴固定连接，两个同步轮452通过同步带451套接，切刀40与其中一个靠近滑块453的铰接轴的一端固定连接，进而带动切刀40旋转。
切刀40旋转后，通过控制器2启动第三电机431，升降板432与两个一滑轨滑动连接，第三丝杆430与两个限位板转动连接，第三电机431的输出端与第三丝杆430的一端固定连接，升降板432的外壁与第三丝杆430螺纹连接，进而带动升降板432及其上的切刀40下降，对钛合金工件进行纵向切割。
对钛合金进行横向切割时，通过控制器2启动第四电机440，从而带动第一齿轮441逆时针旋转九十度，由于第二齿轮442与第一齿轮441啮合连接，安装架通过第二转轴与安装板转动连接，切刀40设在安装架上，进而带动切刀40跟随第二齿轮442顺时针旋转九十度，即将切刀40调节为与钛合金工件为平行状态。
切刀40调节为与钛合金工件为平行状态时，通过控制器2启动第一电机411，从而使其输出端旋转，由于其输出端与第一丝杆410的一端固定连接，第一丝杆410与两个安装块转动连接，第一滑板412与两个第一导轨滑动连接，第一电机411的输出端与第一丝杆410的一端固定连接，第一滑板412的底部与第一丝杆410螺纹连接，进而带动钛合金工件于床台10的顶部水平滑动，实现横切。
S2：切割过程中磁场的叠加及切屑力的监测：
纵向切割时，第一电磁铁423通电，产生与切刀40垂直的磁场，从而将磁场叠加到钛合金中，进而增加刀具于工件界面处的摩擦系数，从而最小化UPDC中的尺寸效应并减小最小切削厚度，在横切时，通过控制器2启动第二电磁铁425，同时通过丝杆滑台424带动第二电磁铁425跟随切刀40一起横向滑动，将磁场精准叠加到钛合金的切割位置，进而增加刀具于工件界面处的摩擦系数，从而最小化UPDC中的尺寸效应并减小最小切削厚度，需要说明的是，提供的磁场强度为0.02T，切割实验中的切割深度设置为1微米-7微米，间隔值为1微米，切割了14个样品MFS为7个，NMFS为7个；切割速度设定为150mm/min。
在切割过程中，由于滑块453与第二滑轨滑动连接，切刀40通过第三转轴设在滑块453上，因而切刀40在对钛合金工件切割时，钛合金工件作用于铰接轴的力，即三个方向上的切屑力均能够被力传感器454检测到。
S3：切割过程中的冷却措施：
切割过程中，通过吸油泵330将冷却罐31内的油性冷却剂通过抽油管331和输油管332输送至喷油头30的内部，由于喷油头30的喷口朝向切刀40，从而使得喷出的油性冷却剂对切刀40与钛合金工件接触位置降温，降低切刀40的工作温度，同时有利于降低其磨损，提升切割效率及工件的表面质量，减小尺寸效应，进而起到辅助减小最小切削厚度的效果。
在升降板432带动切刀40下降的同时，喷油头30跟随切刀40一起下降，由于输油管332与卷绕筒32套接，第三齿轮320与第一转轴固定连接，卷绕筒32与第一转轴固定连接，在输油管332的牵引作用下，从而使得第三齿轮320顺时针旋转，由于第三齿轮320与齿条321啮合连接，从而带动齿条321于第三滑轨的内部向远离升降板432的一端滑动并带动复位弹簧322转变为紧绷状态，实现卷绕筒32的放卷，而在切割结束升降板432上升复位时，复位弹簧322恢复至初始状态，从而带动齿条321于第三滑轨的内部向靠近升降板432的一端滑动，从而带动第三齿轮320逆时针旋转，进而带动卷绕筒32逆时针旋转，对松弛的输油管332收卷，进而在切割过程中，同步实现输油管332的收卷和放卷，防止输油管332缠绕或堆积在工作台上。
本发明的工作原理：当对钛合金进行纵向切割时，通过人工将钛合金工件水平放到两个永磁铁夹具之间，然后通过控制器2启动两个双向电动推杆426，从而使其两个输出端收缩，由于两个永磁铁夹具分别与双向电动推杆426的两个输出端固定连接，进而带动两个永磁铁夹具相互靠近，对钛合金工件进行夹持固定，需要说明的是，可通过调节第一电磁铁423和第二电磁铁425的数量来调节磁场大小，进而获取不同磁场情况下，观察刀具于工件界面处的摩擦系数的大小，以精确实现最小化UPDC中的尺寸效应并减小最小切削厚度。
当钛合金工件夹持固定后，通过控制器2启动第二电机421，由于装夹板422与两个第二导轨滑动连接，第二丝杆420与两个支撑块转动连接，第二电机421的输出端与第二丝杆420的一端固定连接，装夹板422的底部与第二丝杆420螺纹连接，进而带动装夹板422及其顶部的钛合金工件向靠近切刀40下方的一端滑动。
当钛合金工件滑动至靠近切刀40下方的一端时，通过控制器2启动第五电机450，从而使其输出端上的其中一个同步轮452旋转，由于另一个同步轮452与第三转轴固定连接，两个同步轮452通过同步带451套接，切刀40与其中一个靠近滑块453的铰接轴的一端固定连接，进而带动切刀40旋转。
当切刀40旋转后，通过控制器2启动第三电机431，升降板432与两个一滑轨滑动连接，第三丝杆430与两个限位板转动连接，第三电机431的输出端与第三丝杆430的一端固定连接，升降板432的外壁与第三丝杆430螺纹连接，进而带动升降板432及其上的切刀40下降，对钛合金工件进行纵向切割。
当对钛合金进行横向切割时，通过控制器2启动第四电机440，从而带动第一齿轮441逆时针旋转九十度，由于第二齿轮442与第一齿轮441啮合连接，安装架通过第二转轴与安装板转动连接，切刀40设在安装架上，进而带动切刀40跟随第二齿轮442顺时针旋转九十度，即将切刀40调节为与钛合金工件为平行状态。
当切刀40调节为与钛合金工件为平行状态时，通过控制器2启动第一电机411，从而使其输出端旋转，由于其输出端与第一丝杆410的一端固定连接，第一丝杆410与两个安装块转动连接，第一滑板412与两个第一导轨滑动连接，第一电机411的输出端与第一丝杆410的一端固定连接，第一滑板412的底部与第一丝杆410螺纹连接，进而带动钛合金工件于床台10的顶部水平滑动，实现横切。
纵向切割时，第一电磁铁423通电，产生与切刀40垂直的磁场，从而将磁场叠加到钛合金中，进而增加刀具于工件界面处的摩擦系数，从而最小化UPDC中的尺寸效应并减小最小切削厚度，在横切时，通过控制器2启动第二电磁铁425，同时通过丝杆滑台424带动第二电磁铁425跟随切刀40一起横向滑动，将磁场精准叠加到钛合金的切割位置，进而增加刀具于工件界面处的摩擦系数，从而最小化UPDC中的尺寸效应并减小最小切削厚度，需要说明的是，提供的磁场强度为0.02T，切割实验中的切割深度设置为1微米-7微米，间隔值为1微米，切割了14个样品MFS为7个，NMFS为7个；切割速度设定为150mm/min。
在切割过程中，由于滑块453与第二滑轨滑动连接，切刀40通过第三转轴设在滑块453上，因而切刀40在对钛合金工件切割时，钛合金工件作用于铰接轴的力，即三个方向上的切屑力均能够被力传感器454检测到。
切割过程中，通过吸油泵330将冷却罐31内的油性冷却剂通过抽油管331和输油管332输送至喷油头30的内部，由于喷油头30的喷口朝向切刀40，从而使得喷出的油性冷却剂对切刀40与钛合金工件接触位置降温，降低切刀40的工作温度，同时有利于降低其磨损，提升切割效率及工件的表面质量，减小尺寸效应，进而起到辅助减小最小切削厚度的效果。
在升降板432带动切刀40下降的同时，喷油头30跟随切刀40一起下降，由于输油管332与卷绕筒32套接，第三齿轮320与第一转轴固定连接，卷绕筒32与第一转轴固定连接，在输油管332的牵引作用下，从而使得第三齿轮320顺时针旋转，由于第三齿轮320与齿条321啮合连接，从而带动齿条321于第三滑轨的内部向远离升降板432的一端滑动并带动复位弹簧322转变为紧绷状态，实现卷绕筒32的放卷，而在切割结束升降板432上升复位时，复位弹簧322恢复至初始状态，从而带动齿条321于第三滑轨的内部向靠近升降板432的一端滑动，从而带动第三齿轮320逆时针旋转，进而带动卷绕筒32逆时针旋转，对松弛的输油管332收卷，进而在切割过程中，同步实现输油管332的收卷和放卷，防止输油管332缠绕或堆积在工作台上。
需要说明的是，研究中，Wyko NT8000光学轮廓系统用于测量表面粗糙度和表面拓扑，用来观察TC4钛合金使用本工艺是否达到减小了最小切削厚度的效果。
Claims (10)
1.一种减小TC4钛合金最小切削厚度的设备，包括箱体(1)，箱体(1)的外壁上铰接设置有两个防护门，其特征在于：
还包括控制器(2)、冷却机构(3)和切割机构(4)，
控制器(2)固定设在箱体(1)的外壁上，
切割机构(4)设在箱体(1)的内部，箱体(1)的内部固定设有床台(10)，切割机构(4)包括切刀(40)、横向滑动组件(41)、纵向滑动组件(42)、升降组件(43)、角度调节组件(44)、驱动组件(45)和两个永磁体夹具(46)，横向滑动组件(41)设在床台(10)的顶部，纵向滑动组件(42)设在横向滑动组件(41)上，升降组件(43)设在箱体(1)的内壁上，两个永磁铁夹具均设在纵向滑动组件(42)上，角度调节组件(44)和驱动组件(45)均设在升降组件(43)上，切刀(40)固定设在驱动组件(45)上，
冷却机构(3)设在箱体(1)的内壁上，冷却机构(3)包括喷油头(30)、冷却罐(31)、卷绕筒(32)和输送组件(33)，冷却罐(31)固定设在箱体(1)的内壁上，卷绕筒(32)通过第一转轴转动设置在箱体(1)的内壁上，输送组件(33)设在收喷油头(30)和冷却罐(31)之间，喷油头(30)固定设在输送组件(33)上，横向滑动组件(41)、纵向滑动组件(42)、升降组件(43)、角度调节组件(44)、驱动组件(45)和输送组件(33)与控制器(2)均为电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种减小TC4钛合金最小切削厚度的设备，其特征在于：横向滑动组件(41)包括第一丝杆(410)、第一电机(411)和第一滑板(412)，床台(10)的顶部固定设有两个安装块和两个第一导轨，第一丝杆(410)转动设置在两个安装块之间，第一滑板(412)滑动设在两个第一导轨之间，第一电机(411)固定设在其中一个安装块的外壁上，其输出端与第一丝杆(410)的一端固定连接，第一滑板(412)的底部与第一丝杆(410)螺纹连接，第一电机(411)与控制器(2)电连接。
3.根据权利要求2所述的一种减小TC4钛合金最小切削厚度的设备，其特征在于：纵向滑动组件(42)包括第二丝杆(420)、第二电机(421)和装夹板(422)，第一滑板(412)的顶部固定设有两个第二导轨，装夹板(422)滑动设在两个第二导轨的顶部，第一滑板(412)的顶部固定设有两个支撑块，第二丝杆(420)转动设置在两个支撑块之间，第二电机(421)固定设在其中一个支撑块的外壁上，其输出端与第二丝杆(420)的一端固定连接，装夹板(422)的底部与第二丝杆(420)螺纹连接，第二电机(421)与控制器(2)电连接。
4.根据权利要求3所述的一种减小TC4钛合金最小切削厚度的设备，其特征在于：升降组件(43)包括第三丝杆(430)、第三电机(431)和升降板(432)，箱体(1)的内壁上固定设有两个第一滑轨，升降板(432)滑动设置在两个第一滑轨的外壁上，箱体(1)的内壁上固定设有两个限位板，第三丝杆(430)转动设置在两个限位板之间，第三电机(431)固定设在其中一个限位板的外壁上，其输出端与第三丝杆(430)的一端固定连接，升降板(432)的外壁与第三丝杆(430)螺纹连接，第三电机(431)与控制器(2)电连接。
5.根据权利要求4所述的一种减小TC4钛合金最小切削厚度的设备，其特征在于：角度调节组件(44)包括第四电机(440)、第一齿轮(441)和第二齿轮(442)，升降板(432)的外壁上固定设有安装板，第四电机(440)插设在安装板上，第一齿轮(441)固定设在其输出端上，安装板的外壁上插设有第二转轴，第二齿轮(442)固定设在第二转轴上，第一齿轮(441)与第二齿轮(442)啮合连接，第一齿轮(441)小于第二齿轮(442)，第四电机(440)与控制器(2)电连接。
6.根据权利要求5所述的一种减小TC4钛合金最小切削厚度的设备，其特征在于：驱动组件(45)包括第五电机(450)、同步带(451)和两个同步轮(452)，第二转轴的底端固定设有异形板，第五电机(450)固定设在异形板的底部，异形板的底部固定设有第二滑轨，第二滑轨的内部滑动设有滑块(453)，滑块(453)的顶部与第二滑轨的内壁之间设有力传感器(454)，滑块(453)的外壁上插设有第三转轴，两个同步轮(452)分别固定设在第五电机(450)的输出端和第三转轴上，同步带(451)套设有中两个同步轮(452)之间，切刀(40)与第三转轴远离滑块(453)的一端固定连接，第五电机(450)与控制器(2)电连接。
7.根据权利要求6所述的一种减小TC4钛合金最小切削厚度的设备，其特征在于：装夹板(422)的顶部固定设有四个滑槽，每个永磁铁夹具的底部均与两个滑槽滑动连接，每个永磁铁夹具的顶部均固定设有第一电磁铁(423)，装夹板(422)的顶部呈对称设有丝杆滑台(424)，每个丝杆滑台(424)上均滑动设有第二电磁铁(425)，装夹板(422)的顶部固定设有双向电动推杆(426)，两个永磁铁夹具分别与双向电动推杆(426)的两个输出端固定连接，双向电动推杆(426)、每个第一电磁铁(423)和每个第二电磁铁(425)均与控制器(2)电连接。
8.根据权利要求7所述的一种减小TC4钛合金最小切削厚度的设备，其特征在于：输送组件(33)包括吸油泵(330)、抽油管(331)和输油管(332)，吸油泵(330)固定设在箱体(1)的外壁上，抽油管(331)固定设在冷却罐(31)与吸油泵(330)的输入端之间，输油管(332)卷设在卷绕筒(32)的外壁上，吸油泵(330)的输出端与输油管(332)的一端固定连接，输油管(332)的另一端与喷油头(30)固定连接，吸油泵(330)与控制器(2)电连接。
9.根据权利要求8所述的一种减小TC4钛合金最小切削厚度的设备，其特征在于：第一转轴的外壁上固定设有第三齿轮(320)，箱体(1)的内壁上，箱体(1)的内壁上固定设有第三滑轨，第三滑轨的内部滑动设有齿条(321)，第三齿轮(320)与齿条(321)啮合连接，齿条(321)远离升降板(432)的一端与第三滑轨的内壁之间固定设有复位弹簧(322)。
10.根据权利要求9所述的一种减小TC4钛合金最小切削厚度的设备制备钛合金的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：钛合金工件的三向切割：
通过人工将钛合金工件水平放到两个永磁铁夹具之间，然后通过控制器(2)启动两个双向电动推杆(426)，从而使其两个输出端收缩，由于两个永磁铁夹具分别与双向电动推杆(426)的两个输出端固定连接，进而带动两个永磁铁夹具相互靠近，对钛合金工件进行夹持固定，需要说明的是，可通过调节第一电磁铁(423)和第二电磁铁(425)的数量来调节磁场大小，进而获取不同磁场情况下，观察刀具于工件界面处的摩擦系数的大小；
钛合金工件夹持固定后，通过控制器(2)启动第二电机(421)，由于装夹板(422)与两个第二导轨滑动连接，第二丝杆(420)与两个支撑块转动连接，第二电机(421)的输出端与第二丝杆(420)的一端固定连接，装夹板(422)的底部与第二丝杆(420)螺纹连接，进而带动装夹板(422)及其顶部的钛合金工件向靠近切刀(40)下方的一端滑动，再通过控制器(2)启动第五电机(450)，从而使其输出端上的其中一个同步轮(452)旋转，由于另一个同步轮(452)与第三转轴固定连接，两个同步轮(452)通过同步带(451)套接，切刀(40)与其中一个靠近滑块(453)的铰接轴的一端固定连接，进而带动切刀(40)旋转；
切刀(40)旋转后，通过控制器(2)启动第三电机(431)，升降板(432)与两个一滑轨滑动连接，第三丝杆(430)与两个限位板转动连接，第三电机(431)的输出端与第三丝杆(430)的一端固定连接，升降板(432)的外壁与第三丝杆(430)螺纹连接，进而带动升降板(432)及其上的切刀(40)下降，对钛合金工件进行纵向切割；
对钛合金进行横向切割时，通过控制器(2)启动第四电机(440)，从而带动第一齿轮(441)逆时针旋转九十度，由于第二齿轮(442)与第一齿轮(441)啮合连接，安装架通过第二转轴与安装板转动连接，切刀(40)设在安装架上，进而带动切刀(40)跟随第二齿轮(442)顺时针旋转九十度，即将切刀(40)调节为与钛合金工件为平行状态；
切刀(40)调节为与钛合金工件为平行状态时，通过控制器(2)启动第一电机(411)，从而使其输出端旋转，由于其输出端与第一丝杆(410)的一端固定连接，第一丝杆(410)与两个安装块转动连接，第一滑板(412)与两个第一导轨滑动连接，第一电机(411)的输出端与第一丝杆(410)的一端固定连接，第一滑板(412)的底部与第一丝杆(410)螺纹连接，进而带动钛合金工件于床台(10)的顶部水平滑动，实现横切；
S2：切割过程中磁场的叠加及切屑力的监测：
纵向切割时，第一电磁铁(423)通电，产生与切刀(40)垂直的磁场，从而将磁场叠加到钛合金中，进而增加刀具于工件界面处的摩擦系数，从而最小化UPDC中的尺寸效应并减小最小切削厚度(MCT)，在横切时，通过控制器(2)启动第二电磁铁(425)，同时通过丝杆滑台(424)带动第二电磁铁(425)跟随切刀(40)一起横向滑动，将磁场精准叠加到钛合金的切割位置，进而增加刀具于工件界面处的摩擦系数，从而最小化UPDC中的尺寸效应并减小最小切削厚度(MCT)，需要说明的是，提供的磁场强度为0.02T，切割实验中的切割深度设置为1微米-7微米，间隔值为1微米，切割了14个样品(MFS为7个，NMFS为7个)；切割速度设定为150mm/min；
在切割过程中，由于滑块(453)与第二滑轨滑动连接，切刀(40)通过第三转轴设在滑块(453)上，因而切刀(40)在对钛合金工件切割时，钛合金工件作用于铰接轴的力，即三个方向上的切屑力均能够被力传感器(454)检测到；
S3：切割过程中的冷却措施：
切割过程中，通过吸油泵(330)将冷却罐(31)内的油性冷却剂通过抽油管(331)和输油管(332)输送至喷油头(30)的内部，由于喷油头(30)的喷口朝向切刀(40)，从而使得喷出的油性冷却剂对切刀(40)与钛合金工件接触位置降温，降低切刀(40)的工作温度；
在升降板(432)带动切刀(40)下降的同时，喷油头(30)跟随切刀(40)一起下降，由于输油管(332)与卷绕筒(32)套接，第三齿轮(320)与第一转轴固定连接，卷绕筒(32)与第一转轴固定连接，在输油管(332)的牵引作用下，从而使得第三齿轮(320)顺时针旋转，由于第三齿轮(320)与齿条(321)啮合连接，从而带动齿条(321)于第三滑轨的内部向远离升降板(432)的一端滑动并带动复位弹簧(322)转变为紧绷状态，实现卷绕筒(32)的放卷，而在切割结束升降板(432)上升复位时，复位弹簧(322)恢复至初始状态，从而带动齿条(321)于第三滑轨的内部向靠近升降板(432)的一端滑动，从而带动第三齿轮(320)逆时针旋转，进而带动卷绕筒(32)逆时针旋转，对松弛的输油管(332)收卷，进而在切割过程中，同步实现输油管(332)的收卷和放卷，防止输油管(332)缠绕或堆积在工作台上。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202311244815.XA CN117020287A (zh) | 2023-09-25 | 2023-09-25 | 一种减小tc4钛合金最小切削厚度的设备及工艺 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202311244815.XA CN117020287A (zh) | 2023-09-25 | 2023-09-25 | 一种减小tc4钛合金最小切削厚度的设备及工艺 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN (1) | CN117020287A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117620289A (zh) * | 2024-01-26 | 2024-03-01 | 山西东方资源发展集团东耀精密材料有限公司 | 一种锰铁合金加工用多角度切割装置 |
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2023
- 2023-09-25 CN CN202311244815.XA patent/CN117020287A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117620289A (zh) * | 2024-01-26 | 2024-03-01 | 山西东方资源发展集团东耀精密材料有限公司 | 一种锰铁合金加工用多角度切割装置 |
| CN117620289B (zh) * | 2024-01-26 | 2024-05-07 | 山西东方资源发展集团东耀精密材料有限公司 | 一种锰铁合金加工用多角度切割装置 |
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