CN202428012U - 沿进给方向施加超声振动辅助铣削表面微造型装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种沿进给方向施加超声振动辅助铣削表面微造型装置，包括设置于铣床工作台上的夹具，夹具上夹持有换能器，换能器分别与超声波发生器和变幅杆相连，变幅杆前端固定有工件，工件与铣刀相配合，铣刀与铣床主轴相连。本实用新型能有效实现切削过程中刀具与工件的分离，改善切削加工条件，形成的鳞片状加工网纹能够有效改善加工表面的摩擦学性能。

Description

沿进给方向施加超声振动辅助铣削表面微造型装置

技术领域

本实用新型涉及一种超声振动铣削装置，尤其是一种沿进给方向施加超声振动辅助铣削表面微造型装置。

背景技术

近年来，随着航空航天、国防、现代医学以及生物工程技术等领域的发展，对仪器、设备及材料的要求越来越高，同时对零件表面的摩擦性能要求也越来越高，对现有制造技术提出了更高的要求。日本学者隈部纯一郎在20世纪50-60年代发表了许多关于振动切削的研究论文，提出了振动切削理论，并成功实现了振动车削、振动镗削、振动刨削、振动磨削、振动攻丝等。其后，美国学者也开始着手振动切削的研究，至20世纪70年代中期，振动钻孔、光整加工以及振动拉管等技术均已达到实用阶段。它与传统机械加工的区别在于：加工过程中由于在工件或刀具上施加可控的振动，改变了传统切削加工机理，从而达到降低切削温度、改善润滑条件、提高加工质量、延长刀具寿命的目的。然而，由于铣削加工刀具-工件运动的相对复杂性，对于超声振动铣削加工的研究目前鲜有报道。皮钧等人在文章《纵扭共振超声铣削研究》中对纵扭共振超声铣削进行了相关实验研究，发现纵扭共振旋转超声切削不受材料的限制，可大幅提高加工效率，降低切削力，提高加工表面质量和刀具寿命，具有优良的加工工艺效果。但是上文只描述了轴向及扭转方向的复合超声振动对铣削的影响，并没有研究沿进给方向的超声振动对铣削的影响，同时，要实现纵扭共振超声铣削需要对机床主轴进行改进，需要耗费较大的人力物力。

实用新型内容

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种能有效实现切削过程中刀具与工件的分离，改善切削加工条件，形成的鳞片状加工网纹能够有效改善加工表面的摩擦学性能的沿进给方向施加超声振动辅助铣削表面微造型装置。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种沿进给方向施加超声振动辅助铣削表面微造型装置，包括设置于铣床工作台上的夹具，夹具上夹持有换能器，换能器分别与超声波发生器和变幅杆相连，变幅杆前端固定有工件，工件与铣刀相配合，铣刀与铣床主轴相连。

沿进给方向施加超声振动辅助铣削加工方法，步骤如下：1)将超声振子与超声波发生器相连；2).通过换能器将超声波发生器产生的高频电信号转换为同频率的机械振动，并借助变幅杆放大；3).通过调节超声波发生器来得到合适的超声振动幅度及频率；超声波发生器的超声振动频率与主轴回转频率的比值λ为奇数，且A＞fz/2，式中，A为超声振动幅度，fz为铣刀的每齿进给量。4).将工件用螺纹连接的方式安装于振子的顶端，并使用黄油进行密封，使超声振子能够带动工具头沿进给方向做同步高频振动；5).将振子通过夹具固定于铣床工作台上，调整工件的加工面至水平，并在进行加工前先铣出基准平面，铣床工作台作进给运动，同时铣床主轴带动刀具作旋转运动。

图2a、图2b为普通铣削与超声振动辅助铣削的加工表面SEM图片，很明显可以看出，普通铣削加工表面存在刀具与工件的黏连和鳞刺现象；超声振动辅助铣削加工表面上分布着规则的鳞片状加工网纹，纹理均匀、规则。

从摩擦特性来看，普通铣削加工表面的摩擦系数曲线，波动大，并且难以进入稳定状态；超声振动辅助铣削加工表面摩擦系数曲线，波动小，很快进入稳定状态，没有明显的过渡过程。实验结果表明，与普通铣削加工表面相比，超声振动辅助铣削加工表面的摩擦系数曲线波动明显减小，摩擦稳定性好。

由于超声振动辅助铣削得到的鳞片状加工表面具有储存润滑油及容纳磨屑的作用，如图3，这有助于降低其表面的摩擦系数，提高表面油膜的承载能力。

附图说明

图1a、图1b为超声振动辅助铣削刀尖轨迹局部放大图；

图2a、图2b分别为普通铣削加工与超声振动辅助铣削加工表面SEM图片；

图3为磨损后超声振动辅助铣削加工表面SEM图片；

图4为超声振动辅助铣削加工装置示意图；

图5a为普通铣削加工表面摩擦系数曲线，

图5b、图5c分别为A＝5um、A＝10um的超声振动辅助铣削加工表面摩擦系数曲线。

其中1.超声波发生器，2.换能器，3.变幅杆，4.工件，5.主轴，6.铣刀，7.夹具，8.铣床工作台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

对于沿进给方向超声振动辅助铣削，通过选择合理的工艺参数可以实现铣削过程的断续切削以及形成不同形状与密度的鳞片状加工网纹表面，这是能够提高加工工艺效果的重要原因之一。以双刃立铣刀为例建立铣刀刀尖运动轨迹方程如式(1)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=v_{f}t+r\sin (\frac{\mathrm{n\π}}{30}t+\mathrm{i\π})+A\sin (2\mathrm{\πft}+\mathrm{\ψ})\\ y_i=r\cos (\frac{\mathrm{n\π}}{30}t+\mathrm{i\π})\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，v_f为刀具进给速度，mm/s；r为刀具半径，mm；n为主轴转速，r/min；i为刀刃序号，i＝0，1，A为超声振幅，um；f为超声振动频率，hz；ψ为超声振动的初始相位角，rad。

图1a、图1b分别为当主轴转速n＝1000/5000r/min，每齿进给量fz＝8um/z，超声振动频率f＝19.58khz，振幅A＝10um时前后两切削刃的刀尖轨迹局部放大图。从图中可以看出，在进给方向施加超声振动后，相邻两刀尖轨迹出现交点，此时后一切削刃经过前一切削刃已加工过的区域，即切屑厚度为零，出现切削过程中刀具-工件的短暂分离现象，实现脉冲振动铣削，在加工表面形成规则的鳞片状加工网纹，且主轴转速越低，每齿进给量越小，形成的网纹密度越大。通过改变不同的切削和振动参数模拟刀尖轨迹进行对比发现，沿进给方向施加超声振动来实现刀具-工件的高频分离必须满足一定的条件，即前后两切削刃刀尖轨迹有交点，可得出实现断续铣削的必要条件：超声振动频率与主轴回转频率的比值λ为奇数，且A＞fz/2，其中A为超声振动幅度，fz为铣刀的每齿进给量。

沿进给方向超声振动辅助铣削的实质就是将传统铣削与超声振动复合的加工方法，通过控制切削加工参数来得到不同的加工表面。

其具体工艺过程如下：首先将超声振子(包括换能器和变幅杆)与超声波发生器相连，换能器将超声波发生器产生的高频电信号转换为同频率的机械振动，并借助变幅杆放大，通过调节超声波发生器来得到合适的振动幅度及频率，将工件用螺纹连接的方式安装于振子的顶端，使超声振子能够带动工具头沿进给方向做同步高频振动。将振子通过自制的夹具固定于铣床工作台上，调整工件的加工面至水平，铣床工作台作进给运动，同时铣床主轴带动刀具作旋转运动。

如图4所示，换能器2将超声波发生器1产生的高频振荡电信号转换为同频率的沿图5所示进给方向的机械振动，借助于与换能器2相连的变幅杆3将振幅放大，工件4利用螺纹连接的方式连接在变幅杆3的顶端，并通过变幅杆驱动作沿进给方向的超声振动，换能器2、变幅杆3及工件4通过夹具7固定于铣床工作台8上，工作台沿图示方向作进给运动，主轴5带动铣刀6作旋转运动。通过上述方式进行超声振动铣削加工，得到鳞片状的表面加工网纹，改善加工表面的摩擦学性能。

图2a、图2b分别为普通铣削与超声振动辅助铣削的加工表面SEM图片，很明显可以看出，普通铣削加工表面存在刀具与工件的黏连和鳞刺现象；超声振动辅助铣削加工表面上分布着规则的鳞片状加工网纹，纹理均匀、规则。

从摩擦特性来看，普通铣削加工表面的摩擦系数曲线，波动大，并且难以进入稳定状态；超声振动辅助铣削加工表面摩擦系数曲线，波动小，很快进入稳定状态，没有明显的过渡过程。实验结果表明，与普通铣削加工表面相比，超声振动辅助铣削加工表面的摩擦系数曲线波动明显减小，摩擦稳定性好。

Claims (1)

1.一种沿进给方向施加超声振动辅助铣削表面微造型装置，包括设置于铣床工作台上的夹具，夹具上夹持有换能器，换能器分别与超声波发生器和变幅杆相连，其特征在于：变幅杆前端固定有工件，工件与铣刀相配合，铣刀与铣床主轴相连。

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