CN117754029A - 具有均匀温度场的高频感应热铣削数控加工装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种具有均匀温度场的高频感应热铣削数控加工装置及方法，主要包括铣床主体，高频感应加热装置和计算机控制系统。本发明为解决现有热铣削加工方法存在的难以同时兼顾加工质量和加工效率的问题，采用直径较大的面铣刀，可增加加工区的面积，提高加工效率；采用新型带状感应线圈，模拟研究与实验研究相结合，保证工件待加工区域温度场的均匀性；面铣刀直径略大于感应线圈宽度，且结合温度场分布形态的研究，可实现热影响区材料的完全去除，消除感应热对加工表面的影响，提高加工质量。
Description
技术领域
本发明涉及热铣削加工技术领域，具体为可解决现有热铣削加工方法难以兼顾加工质量和加工效率的问题，实现均匀温度场及热影响区完全去除的高频感应热铣削数控加工装置。
背景技术
现有的热铣削加工方法包括：火焰热铣削、激光热铣削、等离子热铣削、电磁感应热铣削和激光复合感应热铣削等。
目前，热铣削加工的方法虽可用于提高金属基难加工材料的加工质量和加工效率，但均有其不足之处。火焰热铣削温度难以控制、加热效率低，加工过程中，碳颗粒在已加工表面的沉积会影响工件的加工质量，此外，还需根据工件材料的不同选用合适的可燃气体，应用场合有限；激光热铣削成本高、占用空间大，且由于激光束投射的光斑较小，加工效率较低，此外，由于金属对激光的反射率高，加工金属材料时，激光热铣削能量转化效率低，造成加工效率进一步降低；等离子热铣削对加工环境要求高、设备成本较高，此外，由于等离子体发生器需与工件保持一定的角度，这会降低加热效率，影响材料的去除效率；电磁感应热铣削加热区较小、加工效率低，且感应线圈加热区温度场分布不均匀，这会导致材料软化不均匀，影响工件的加工质量。感应复合激光热铣削设备复杂、操作难度大，虽可改善激光加热区小的缺陷，但感应线圈仍然普遍较小，加工效率低，此外，具有较大感应线圈的感应复合激光热铣削设备虽可解决单一激光加热源带来的温度集中、加工效率低的问题，但并未考虑热影响区与刀具切削范围的匹配性，热影响区小于刀具的切削范围，无法完全发挥热软化效应，热影响区大于刀具的切削范围，则会影响加工后材料的性能，对所加工工件的使用产生不利影响，这些都会影响被加工材料的加工质量和加工效率。
发明内容
本发明为解决现有热铣削加工方法存在的难以同时兼顾加工质量和加工效率的问题，结合高频感应加热技术和数控铣削技术，设计带有带状感应线圈的数控机床，此外，为实现温度场均匀化和消除感应热对材料的影响，构建新的高频感应热铣削方法。
一种具有均匀温度场的高频感应热铣削数控加工装置，包括数控铣床、数控铣床包括铣床床身，安装在铣床床身上的铣床主轴，铣床主轴上安装有面铣刀，铣床床身上设置有横向工作台和纵向工作台；铣床床身还通过线圈工作距离控制机构安装有带状感应线圈，带状感应线圈配有高频感应加热机以控制带状感应线圈的感应功率和感应频率；带状感应线圈为方螺旋结构，线圈通过方形螺旋绕成矩形结构；数控铣床配有计算机控制系统，计算机控制系统内设数控铣床的基本控制程序，同时搭载整合有控制线圈工作距离控制机构的程序，以及高频感应加热机的控制程序，实现对所述数控加工装置的全面控制。
一种具有均匀温度场的高频感应热铣削数控加工方法，包括以下步骤：1) 根据待加工金属基难加工材料的材料属性，借助有限元模拟软件，模拟研究感应功率、感应频率、感应线圈长度A、感应线圈宽度B、线圈移动速度v、工作距离C这些感应因素对工件温度场分布形态的影响规律，获取均匀的温度场，以保证待加工材料的加工质量，初步确定感应因素；并根据均匀温度场的分布形态，获取横向最大热影响宽度和纵向最大热影响深度，以保证加工过程中热影响区材料的完全去除，消除感应热对加工表面的影响，初步确定热铣削用量，当温度场均匀时，进给量为线圈移动速度，背吃刀量为纵向最大热影响深度，侧吃刀量为横向最大热影响宽度；2) 利用双光舱室热像仪和高频感应热铣削装置对金属基难加工材料进行温度场测试，实验研究感应因素和热铣削用量对材料温度场分布状态的影响规律，以获得均匀温度场、横向最大热影响宽度和纵向热影响深度，进一步优化各感应因素和热铣削用量，最终确定热铣削金属基难加工材料所需的感应因素和铣削用量；3) 依据最终确定的感应因素和铣削用量，设计带状感应线圈的长度A，宽度B，工作距离C，将其固定在线圈工作距离控制机构上，将待加工工件安装固定在横向工作台台面上，同时调整带状感应线圈与数控铣床程序，位于横向工作台待加热区的工件达到设定温度时，横向工作台、纵向工作台及面铣刀按照设定程序对工件加工，实现金属基难加工材料的高质高效热铣削。
步骤3)中，依据最终确定的感应因素定制感应线圈的长度和宽度，并将其固定在数控铣床的线圈工作距离控制机构上，将待加工工件安装固定在横向工作台台面上，启动计算机控制系统后，进入控制页面，依据确定的感应因素，设置并调整感应线圈的工作距离，然后，启动高频感应加热机，开始对待加工工件的表面进行加热，然后，调节面铣刀与待加工工件的距离，并控制数控铣床的各轴进行机床回零及对刀，依据最终确定的铣削用量，输入数控装置程序，待加热区工件达到设定温度时，横纵向工作台及面铣刀按照设定程序对工件加工，实现金属基难加工材料的高质高效热铣削。
与现有技术相比，以上技术方案可以带来如下有益效果：
本发明采用新型的带状感应线圈，提出新的高频感应热铣削加工方法，模拟与实验相结合，可保证工件待加工区域温度场的均匀性，避免待加工工件待加工区受热不均匀，提高感应加热与面铣刀加工的同步性，进而提高加工效率；本发明采用较大直径的面铣刀，可增加加工区的面积，提高材料的去除效率；本发明面铣刀直径略大于感应线圈宽度，且结合温度场分布形态的研究，可实现热影响区材料的完全去除，消除感应热对加工表面的影响，提高加工质量。因此，本发明可大幅度提高金属基难加工材料的加工质量和加工效率。
附图说明
图1为热铣削数控装置示意图。
图中：1-主轴、2-面铣刀、3-横向工作台、4-纵向工作台、5-高频感应加热机、6-工件、7-带状感应线圈、8-线圈工作距离控制机构、9-计算机控制系统。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
一种具有均匀温度场的高频感应热铣削数控加工装置，除数控铣床床身外，包括铣床主轴1，其上安装有面铣刀2，面铣刀2采用较大直径来提高加工效率，床身上设置有横向工作台3、纵向工作台4，在横向工作台3上还装夹有工件6，特别设计的带状感应线圈7固定在感应线圈的线圈工作距离控制机构8上，且根据工件6温度场的分布形态模拟与实验，以及加工要求，设计带状感应线圈7的长度A，宽度B，工作距离C，高频感应加热机5用于控制感应线圈的感应功率和感应频率，计算机控制系统9除有数控铣床的基本控制程序外，还搭载整合有线圈工作距离控制机构程序，以及高频感应机的控制程序，实现对所设计数控装置的全面控制。
如图1中所示，带状感应线圈7为方螺旋结构，线圈每条边基本为直边，通过方形螺旋绕成矩形结构。面铣刀2的直径略大于带状感应线圈7的宽度，可增加加工区的面积，提高加工效率，且结合温度场分布形态的研究，可实现热影响区材料的完全去除，消除感应热对加工表面的影响，提高加工质量。
所述的具有均匀温度场的高频感应热铣削数控加工方法，包括以下步骤：
根据待加工金属基难加工材料即工件6的材料属性，借助有限元模拟软件，模拟研究感应功率、感应频率、感应线圈长度A、感应线圈宽度B、线圈移动速度v、工作距离C等感应因素对工件6温度场分布形态的影响规律，获取均匀的温度场，以保证待加工材料的加工质量，初步确定感应因素；并根据均匀温度场的分布形态，获取横向最大热影响宽度和纵向最大热影响深度，以保证加工过程中热影响区材料的完全去除，消除感应热对加工表面的影响，初步确定热铣削用量，当温度场均匀时，进给量为线圈移动速度，背吃刀量为纵向最大热影响深度，侧吃刀量为横向最大热影响宽度。
利用双光舱室热像仪和设计的数控高频感应热铣削装置对金属基难加工材料即工件6进行温度场测试，实验研究感应因素和热铣削用量对材料温度场分布状态的影响规律，以获得均匀温度场、横向最大热影响宽度和纵向热影响深度，进一步优化各感应因素和热铣削用量，最终确定热铣削金属基难加工材料所需的感应因素和铣削用量。
依据最终确定的感应因素定制带状感应线圈7的长度和宽度，并将其固定在数控铣床的感应线圈的线圈工作距离控制机构8上，将待加工工件6安装固定在横向工作台3台面上，启动计算机控制系统后，进入控制页面，依据确定的感应因素，设置并调整带状感应线圈7的工作距离，然后，启动高频感应加热机5，开始对待加工工件6的表面进行加热，然后，调节面铣刀2与待加工工件6的距离，并控制数控铣床的各轴进行机床回零及对刀，依据最终确定的铣削用量，输入数控装置程序，待加热区工件6达到设定温度时，横向工作台3、纵向工作台4及面铣刀2按照设定程序对工件加工，实现金属基难加工材料的高质高效热铣削。
如图1中所示，横向工作台和纵向工作台可分别沿着左右方向以及垂直纸面的方向移动，以调整工件的位置；铣床主轴则通过上下移动调整面铣刀与工件的距离；线圈工作距离控制机构通过导线与带状感应线圈供电，同时可以上下移动以及纵向移动（垂直纸面方向），从而调整线圈与工件间的距离。
Claims (6)
1.一种具有均匀温度场的高频感应热铣削数控加工装置，包括数控铣床、数控铣床包括铣床床身，安装在铣床床身上的铣床主轴（1），铣床主轴（1）上安装有面铣刀（2），铣床床身上设置有横向工作台（3）和纵向工作台（4），其特征在于：铣床床身还通过线圈工作距离控制机构（8）安装有带状感应线圈（7），带状感应线圈（7）配有高频感应加热机（5）以控制带状感应线圈（7）的感应功率和感应频率；带状感应线圈（7）为方螺旋结构，线圈通过方形螺旋绕成矩形结构；数控铣床配有计算机控制系统（9），计算机控制系统（9）内设数控铣床的基本控制程序，同时搭载整合有控制线圈工作距离控制机构（8）的程序，以及高频感应加热机（5）的控制程序，实现对所述数控加工装置的全面控制。
2.根据权利要求1所述的具有均匀温度场的高频感应热铣削数控加工装置，其特征在于，面铣刀（2）直径大于带状感应线圈（7）宽度。
3.根据权利要求2所述的具有均匀温度场的高频感应热铣削数控加工装置及方法，其特征在于：面铣刀（2）直径大于带状感应线圈（7）宽度，且结合温度场分布形态的研究，可实现热影响区材料的完全去除，消除感应热对加工表面的影响，提高加工质量。
4.根据权利要求2或3所述的具有均匀温度场的高频感应热铣削数控加工装置及方法，其特征在于：采用直径较大的面铣刀（2），可增加加工区的面积，提高加工效率。
5.根据权利要求1-3任一项所述的具有均匀温度场的高频感应热铣削数控加工装置，其特征在于：采用带状感应线圈（7），模拟研究与实验研究相结合，可保证工件待加工区域温度场的均匀性。
6.一种具有均匀温度场的高频感应热铣削数控加工方法，其特征在于：包括以下步骤：1)根据待加工金属基难加工材料的材料属性，借助有限元模拟软件，模拟研究感应功率、感应频率、感应线圈长度A、感应线圈宽度B、线圈移动速度v、工作距离C这些感应因素对工件温度场分布形态的影响规律，获取均匀的温度场，初步确定感应因素；根据均匀温度场的分布形态，获取横向最大热影响宽度和纵向最大热影响深度，以保证加工时完全去除热影响区材料，消除感应热对加工表面的影响，初步确定热铣削用量，当温度场均匀时，进给量为线圈移动速度，背吃刀量为纵向最大热影响深度，侧吃刀量为横向最大热影响宽度；2) 利用双光舱室热像仪和高频感应热铣削装置对金属基难加工材料进行温度场测试，实验研究感应因素和热铣削用量对材料温度场分布状态的影响规律，获取均匀温度场、横向最大热影响宽度和纵向热影响深度，进一步优化各感应因素和热铣削用量，最终确定感应因素和铣削用量；3)依据最终确定的感应因素和铣削用量，设计带状感应线圈（7）的长度A，宽度B，工作距离C，将其固定在线圈工作距离控制机构（8）上，将待加工工件（6）安装固定在横向工作台（3）台面上，同时调整带状感应线圈（7）与数控铣床程序，位于横向工作台（3）待加热区的工件（6）达到设定温度时，横向工作台（3）、纵向工作台（4）及面铣刀（2）按照设定程序对工件（6）加工，实现金属基难加工材料的高质高效热铣削。
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