一種難加工航空材料高速軸向超聲振動(dòng)切削加工方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種難加工航空材料高速軸向超聲振動(dòng)切削加工方法，是利用軸向超聲振動(dòng)切削技術(shù)對難加工航空材料進(jìn)行切削加工的一種新型機(jī)械加工方法。該加工方法通過采用軸向超聲振動(dòng)切削裝置，輔以斷續(xù)切削的工藝原理，能夠極大地提高切削速度，縮短了加工時(shí)間、提高了加工效率和延長刀具壽命、降低加工成本。相比傳統(tǒng)振動(dòng)切削，極大地?cái)U(kuò)展了超聲振動(dòng)加工技術(shù)的應(yīng)用范圍。采用本發(fā)明加工方法更可以對難加工航空材料實(shí)現(xiàn)高速、高效、高質(zhì)量的加工。
【專利說明】
一種難加工航空材料高速軸向超聲振動(dòng)切削加工方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)計(jì)一種對難加工航空材料利用超聲振動(dòng)切削進(jìn)行高速加工的方法，更特 別地說，是指一種運(yùn)用軸向超聲振動(dòng)技術(shù)，對難加工航空材料，尤其是鈦合金與高溫合金進(jìn) 行斷續(xù)、高效、高質(zhì)量切削加工的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 難加工材料是指難以進(jìn)行切削加工的材料，即切削加工性差的材料。切削加工性 等級代號5級以上的材料均屬于難加工材料?！冬F(xiàn)代加工技術(shù)(第2版)》，第316頁，主編左敦 穩(wěn)，北京航空航天大學(xué)出版社，2009年8月。
[0003] 按照刀具（刀片）與工件的運(yùn)動(dòng)方式以及刀具的形狀可將切削加工劃分為：車削、 銑削、刨削、鉆削、鏜削、拉削、鉸削、攻絲、插齒、滾齒等。以上各種加工都有自已的刀具，所 以用于切削加工的刀具種類繁多。
[0004] 傳統(tǒng)振動(dòng)切削由于特殊的加工機(jī)理，雖然能夠減小切削力，降低切削溫度，提高極 限切削能力和加工質(zhì)量，但由于受到極限速度的制約，切削線速度很小(一般4~6m/min)， 尤其是對難加工材料制成的大直徑長軸或深孔等回轉(zhuǎn)件，效率顯得很低，在實(shí)際切削應(yīng)用 中受到了很大的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了提高難加工航空材料的加工質(zhì)量和加工效率，本發(fā)明的目的是提出一種適用 于對鈦合金或高溫合金等難加工航空材料的大直徑軸或深孔的高效加工方法，即高速軸向 超聲振動(dòng)切削方法。該加工方法使用車削與鏜削相結(jié)合實(shí)現(xiàn)難加工航空材料鈦合金大直徑 長軸或深孔的加工，可以極大地縮短了加工時(shí)間，提高了難加工航空材料的加工質(zhì)量。本發(fā) 明加工方法尤其能夠?qū)崿F(xiàn)大直徑長軸或孔的高速、高效、高質(zhì)量加工。
[0006] 本發(fā)明提出了一種難加工航空材料高速軸向超聲振動(dòng)切削加工方法，該加工方法 是通過在現(xiàn)有車床上安裝軸向超聲振動(dòng)切削裝置，并由軸向超聲振動(dòng)切削裝置中的高速軸 向超聲振動(dòng)切削刀具(2)產(chǎn)生的刀尖沿正弦軌跡振動(dòng)，結(jié)合車床控制端設(shè)計(jì)的大直徑長軸 或深孔的難加工航空材料的幾何特征，利用裝夾和定位工藝實(shí)現(xiàn);具體加工方式分為車削 大直徑長軸，以及鏜削大直徑長軸端部的深孔。
[0007] 車削大直徑長軸：
[0008] 第一刀外圓車削條件:線速度250~300米/分，進(jìn)給量0.005~0.015毫米/轉(zhuǎn)，切削 深度0.01~0.03毫米，振動(dòng)頻率約20KHZ，電壓50伏，電流1安培，雙邊振幅20微米；
[0009] 外圓車削過程:換刀程序執(zhí)行，應(yīng)用軸向超聲振動(dòng)切削裝置(8)準(zhǔn)備進(jìn)行外圓車 肖IJ;頂緊后要求工件右端圓跳動(dòng)不大于〇. 〇〇5_;
[0010] 移動(dòng)支撐點(diǎn)，順次進(jìn)行第二刀外圓車削，直到完成外圓車削；
[0011]鏜削大直徑長軸端部的深孔：
[0012]第一刀深孔鏜削條件:線速度150~250米/分，進(jìn)給量0.005~0.015毫米/轉(zhuǎn)，切削 深度0.005~0.02毫米；
[0013]深孔鏜削過程:裝夾已加工到所需余量的工件，夾緊要求距離卡盤位置IOmm的跳 動(dòng)不大于〇.〇〇2mm，右端面處的圓跳動(dòng)不大于0.01mm;開啟振動(dòng)裝置，開始按照預(yù)先生成的 刀具軌跡指令進(jìn)行鏜削，直至加工到零件的規(guī)定尺寸。
[0014] 在本發(fā)明提出的一種難加工航空材料高速軸向超聲振動(dòng)切削加工方法中，開啟預(yù) 先調(diào)試好的振動(dòng)車削裝置，在工件軸向上給刀具施加振幅為8μπι的超聲頻率大振幅振動(dòng)，通 過調(diào)節(jié)振動(dòng)驅(qū)動(dòng)源的相位，使刀具的振動(dòng)成為一個(gè)正弦軌跡的振動(dòng)，使得此后的切削過程 中刀具處于軸向振動(dòng)狀態(tài)。
[0015] 本發(fā)明對大直徑長軸或孔的高速軸向超聲振動(dòng)切削方法的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0016] ①通過高速斷續(xù)振動(dòng)的切削原理，突破了振動(dòng)切削的速度限制，對于鈦合金車削 可以達(dá)到最高300m/min，相比普通車削提高了 2到3倍;對于高溫合金也可以相應(yīng)提高2到3 倍車削速度，從而實(shí)現(xiàn)高效加工的目的。在傳統(tǒng)常規(guī)車削過程中，鈦合金的切削速度范圍約 為80~150m/min，而高溫合金的切削速度范圍約為70~80m/min。因此切削加工效率受到了 極大的限制。
[0017] ②在高速軸向超聲振動(dòng)切削加工過程中，采用大振幅（單邊10微米）、微切深aP (0.008~0.010毫米）、超聲頻振動(dòng)（20千赫茲左右）、相位控制進(jìn)行加工，降低了工件的表面 粗糙度，提高了工件的尺寸精度。
[0018] ③在高速切削狀態(tài)下，刀具與工件、切肩會(huì)出現(xiàn)周期性分離或局部分離特性，切削 力下降(為普通切削的50%~70%)，切削溫度降低(下降1個(gè)數(shù)量級），有效抑制了應(yīng)力變形 和熱變形對工件質(zhì)量的惡化。
[0019] ④本發(fā)明的加工方法，在數(shù)控車床上安裝了與之相匹配的超聲振動(dòng)切削裝置，提 升了數(shù)控車床的加工能力，使得難加工航空材料的加工成本得以降低。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明設(shè)計(jì)的軸向超聲振動(dòng)切削裝置的外部結(jié)構(gòu)圖。
[0021] 圖IA是本發(fā)明設(shè)計(jì)的軸向超聲振動(dòng)切削裝置的另一視角外部結(jié)構(gòu)圖。
[0022] 圖IB是本發(fā)明設(shè)計(jì)的軸向超聲振動(dòng)切削裝置的剖面結(jié)構(gòu)圖。
[0023]圖IC是本發(fā)明設(shè)計(jì)的軸向超聲振動(dòng)切削裝置的分解圖。
[0024]圖2是采用三維軟件繪制得到的工件等軸示意圖。
[0025]圖2A是采用三維軟件繪制工件時(shí)的尺寸設(shè)定示意圖。
[0026] 圖3是本發(fā)明外圓車削加工過程示意圖。
[0027] 圖4是本發(fā)明深孔鏜削加工過程示意圖。
[0028I圖5A是本發(fā)明的振動(dòng)形式示意圖。
[0029]圖5B是本發(fā)明的刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖。
[0030]圖6是本發(fā)明的微觀加工過程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面以加工TC4鈦合金大直徑長軸或深孔為例結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì) 說明。
[0033] 參見圖1、圖1A、圖1B、圖IC所示，本發(fā)明是在數(shù)控加工中心上安裝與之相匹配的高 速軸向超聲振動(dòng)切削裝置，然后通過計(jì)算機(jī)以及安裝在該計(jì)算機(jī)中的三維繪圖軟件和控制 軟件，對需要加工的零件(或稱工件)進(jìn)行切削控制加工。
[0034] 本發(fā)明是一種基于軸向超聲振動(dòng)對大直徑長軸或孔類的難加工航空材料進(jìn)行高 效、高質(zhì)量加工的方法，該加工方法包括有加工前準(zhǔn)備和零件加工的步驟，對于零件加工分 為車削大直徑長軸，以及鏜削大直徑長軸端部的深孔。
[0035] 工件加工前準(zhǔn)備
[0036] 步驟1一 1:數(shù)字化零件構(gòu)形，采用三維繪圖軟件（如CATIA/Autocad/Proe等）進(jìn)行 所需加工零件(TC4鈦合金大直徑長軸或孔)的三維構(gòu)形;構(gòu)形的圖如圖2所示。
[0037]參見圖2A所示，在本發(fā)明中，根據(jù)所需加工零件尺寸采用1:1的比例尺寸在三維繪 圖軟件中進(jìn)行零件構(gòu)形，并將該尺寸信息輸入給數(shù)控加工中心;在本發(fā)明中，零件尺寸包括 有工件總長度L、外徑D、孔長度h、深孔直徑d。
[0038]步驟1 一2:調(diào)整數(shù)控機(jī)床，要求數(shù)控機(jī)床調(diào)整后主軸回轉(zhuǎn)精度在0.02毫米內(nèi)，尾頂 尖回轉(zhuǎn)中心線與數(shù)控加工中心主軸回轉(zhuǎn)中心同軸度在0.05毫米內(nèi)，尾頂尖壓力在0.5Bar (巴)。
[0039] 步驟1 一3:將高速軸向超聲振動(dòng)切削裝置裝夾在調(diào)整好的數(shù)控機(jī)床上，微調(diào)車削 用刀片5于數(shù)控機(jī)床中心高相平。
[0040] 步驟1 一4:調(diào)節(jié)高速軸向超聲振動(dòng)切削裝置中高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具2在加 工時(shí)的振動(dòng)參數(shù)為:振動(dòng)頻率為20千赫茲左右，刀片5的刀尖單邊振幅為1 Ομπι。
[0041] 步驟1 一5:毛坯件在加工前應(yīng)進(jìn)行粗車去皮，精車直軸找正，為防止在粗車過程中 工件產(chǎn)生過大的殘余應(yīng)力，粗車吃刀量控制在〇.5_內(nèi)，粗車后要求工件對于中心孔的圓跳 動(dòng)不大于〇. 〇3mm。此后，進(jìn)行孔鉆削加工，直至加工余量0.1mm。
[0042] 參見圖1、圖1A、圖1B、圖IC所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)的軸向超聲振動(dòng)切削裝置，該裝置包 括有刀座1、高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具2、刀座前蓋3、刀座后蓋4、刀片5和航空插頭6;高速 軸向超聲振動(dòng)切削刀具2安裝在刀座1內(nèi)，靠螺釘支撐固定，且高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具2 的前端蓋及變幅桿205從刀座前蓋3中間圓孔伸出，高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具2中的激勵(lì) 源203與航空插頭6-端用導(dǎo)線聯(lián)結(jié)；刀座前蓋3安裝在刀座1的前端，刀座后蓋4安裝在刀座 1的后端;航空插頭6安裝在刀座后蓋4的中心孔上，另一端與外部的超聲振動(dòng)激勵(lì)電源連 接，接受外部產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)信號，傳給高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具2。
[0043] 刀座1用于固定高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具的高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具2,其一 側(cè)有突出的夾持結(jié)構(gòu)，用于機(jī)床夾緊裝置夾緊。
[0044] 高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具2用于產(chǎn)生加工時(shí)所需的軸向超聲振動(dòng)。
[0045] 高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具2包括有壓緊螺釘201、后端蓋202、激振源203、絕緣套 204、前端蓋及變幅桿205。
[0046] 壓緊螺釘201的螺紋端順次穿過后端蓋202、激振源203內(nèi)孔和絕緣套204后，螺紋 連接在前端蓋及變幅桿205的螺紋內(nèi)孔，從而實(shí)現(xiàn)將后端蓋202、激振源203以及前端蓋及變 幅桿205的緊固在一起。
[0047]激振源203用于產(chǎn)生加工時(shí)所需的超聲振動(dòng)。
[0048] 絕緣套204為于激振源203內(nèi)孔和壓緊螺釘201中間。
[0049]前端蓋及變幅桿205為一體加工成型帶圓角過渡階梯軸結(jié)構(gòu)，前端蓋及變幅桿205 一端設(shè)有用于安裝刀片5的刀槽，前端蓋及變幅桿205的另一端為平板面，且平板面中心設(shè) 有供壓緊螺釘201擰緊用的螺紋孔。
[0050] 在本發(fā)明中，選用一個(gè)激振源203能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)方向的振動(dòng)。在圖3中，激烈源203 產(chǎn)生一個(gè)彎曲振動(dòng)，在圖4中，激勵(lì)源203產(chǎn)生沿著激烈源的縱向振動(dòng)。
[0051] 在本發(fā)明中，鏜削時(shí)，如圖1所示刀片5的位置是側(cè)向的，車削時(shí)，如圖IB所示刀片5 的位置是在前端蓋及變幅桿205前端，綜合激烈源203不同的振動(dòng)形式，其刀尖的振動(dòng)均為 沿著工件的軸向方向產(chǎn)生。它們都能夠突破常規(guī)振動(dòng)切削存在的速度極限。因此可以提高 加工速度。
[0052] 實(shí)施例1 [0053]車削大直徑長軸
[0054]本發(fā)明采用車削工藝對大直徑長軸進(jìn)行基于軸向超聲振動(dòng)進(jìn)行高效、高質(zhì)量加工 的方法，難加工航空材料選用TC4鈦合金，該加工方法包括有加工前準(zhǔn)備和零件加工的步 驟：
[0055]( - )加工前準(zhǔn)備
[0056] 步驟1一 1:數(shù)字化零件構(gòu)形，采用三維繪圖軟件（如CATIA/Autocad/Proe等）進(jìn)行 所需加工大直徑長軸零件的三維構(gòu)形;構(gòu)形的圖如圖2所示。
[0057]參見圖2A所示，在本發(fā)明中，根據(jù)所需加工零件尺寸采用1:1的比例尺寸在三維繪 圖軟件中進(jìn)行零件構(gòu)形，并將該尺寸信息輸入給數(shù)控加工中心;在本發(fā)明中，零件尺寸包括 有工件總長度L、外徑D、孔長度h、深孔直徑d。
[0058]步驟1 一2:調(diào)整數(shù)控機(jī)床，要求數(shù)控機(jī)床調(diào)整后主軸回轉(zhuǎn)精度在0.02毫米內(nèi)，尾頂 尖回轉(zhuǎn)中心線與數(shù)控加工中心主軸回轉(zhuǎn)中心同軸度在0.05毫米內(nèi)，尾頂尖壓力在0.5Bar (巴)。
[0059] 步驟1 一3:將高速軸向超聲振動(dòng)切削裝置裝夾在調(diào)整好的數(shù)控機(jī)床上，微調(diào)車削 用刀片5于數(shù)控機(jī)床中心高相平。
[0060] 步驟1 一4:調(diào)節(jié)高速軸向超聲振動(dòng)切削裝置中的高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具2在 加工時(shí)的振動(dòng)參數(shù)為:振動(dòng)頻率為20千赫茲左右，刀片5的刀尖單邊振幅為ΙΟμπι。
[0061] 步驟1 一5:毛坯件在加工前應(yīng)進(jìn)行粗車去皮，精車直軸找正，為防止在粗車過程中 工件產(chǎn)生過大的殘余應(yīng)力，粗車吃刀量控制在〇.5_內(nèi)，粗車后要求工件對于中心孔的圓跳 動(dòng)不大于〇. 〇3mm。此后，進(jìn)行孔鉆削加工，直至加工余量0.1mm。
[0062] (二)大直徑長軸零件加工
[0063] 第一刀外圓車削條件:線速度250~300米/分，進(jìn)給量0.005~0.015毫米/轉(zhuǎn)，切削 深度0.01~0.03毫米，振動(dòng)頻率約20KHZ，電壓50伏，電流1安培，雙邊振幅20微米；
[0064]參見圖3所示，外圓車削過程:換刀程序執(zhí)行，應(yīng)用高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具2準(zhǔn) 備進(jìn)行外圓車削。頂緊后要求工件右端圓跳動(dòng)不大于〇.〇〇5mm。
[0065] 參見圖5A、圖5B所示，開啟預(yù)先調(diào)試好的振動(dòng)車削裝置，在軸向上給刀片5施加一 個(gè)超聲頻率的大振幅振動(dòng)，所述超聲頻率的大振幅振動(dòng)是由高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具2 提供的，其單邊振幅為1〇μπι;通過調(diào)節(jié)振動(dòng)驅(qū)動(dòng)源的相位，使刀具的振動(dòng)成為一個(gè)正弦軌跡 的振動(dòng)，使得此后的切削過程中刀具處于軸向振動(dòng)狀態(tài)，開始按照預(yù)先生成的刀具軌跡指 令進(jìn)行車削，直至加工到零件的規(guī)定尺寸。在高速斷續(xù)軸向超聲振動(dòng)切削加工過程中，采用 大振幅(單邊10微米）、微切深a P(0.01~0.03毫米）、超聲頻振動(dòng)(20千赫茲）、相位控制進(jìn)行 加工，降低了工件的表面粗糙度，提高了工件的尺寸精度。
[0066] 切削微觀過程如圖6所示，其為圖5B所示刀具在進(jìn)給平面中A-Y的剖面圖，一個(gè)振 動(dòng)周期(從a點(diǎn)至e點(diǎn)）中高速超聲振動(dòng)切削過程可以分為三個(gè)階段:a點(diǎn)-b點(diǎn)為切入階段，b 點(diǎn)-c點(diǎn)為切出階段，c點(diǎn)-e點(diǎn)為空切階段。在高速超聲振動(dòng)切削過程中，刀具以振動(dòng)平衡 線為平衡位置做超聲頻率的振動(dòng)。
[0067] 在每個(gè)切削周期中，刀片5從a點(diǎn)開始切入工件，切肩寬度Ir逐漸增加，到b點(diǎn)時(shí)整 個(gè)切削過程的切肩寬度最大，b點(diǎn)時(shí)工件加工表面上的位置最低點(diǎn)，在所述切入階段的刀片 的動(dòng)態(tài)前角扮呈現(xiàn)一個(gè)由小變大再變小的過程，且都要大于刀片的理論前角說，動(dòng)態(tài)后角^ 則與之相反，都要小于刀片的理論后角α 2;當(dāng)?shù)镀?處于切削周期的切出階段時(shí)，從b點(diǎn)開始 切肩寬度逐漸減小，到c點(diǎn)時(shí)整個(gè)切削周期對加工表面的影響結(jié)束，在所述切出階段的刀片 的動(dòng)態(tài)前角扮要小于刀片的理論前角此，動(dòng)態(tài)后角<^同樣與之相反，要大于刀片的理論后角 α2。同時(shí)，在b點(diǎn)-c點(diǎn)的切出階段刀片回拉，切削進(jìn)給寬度fr減小，且刀片在切肩寬度I r方向 上的速度逐漸加快，切肩與前刀面產(chǎn)生的摩擦力方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，這對于吃刀抗力的減小有 利；c點(diǎn)-e點(diǎn)是整個(gè)切削周期的空切階段，從c點(diǎn)開始刀片與工件及切肩分離，實(shí)現(xiàn)了斷續(xù) 切削，整個(gè)階段內(nèi)刀片與工件已加工表面完全不接觸，切削力降低為〇,刀片對工件的表面 形貌不產(chǎn)生任何影響；當(dāng)?shù)镀竭_(dá)e點(diǎn)時(shí)一個(gè)切削周期過程結(jié)束，因此a點(diǎn)-e點(diǎn)是一個(gè)完整 的切削周期，此后刀片開始下一次與工件接觸，開始下一個(gè)切削周期。這樣就是刀片、工件、 切肩之間周期性分離的斷續(xù)切削過程。
[0068] 在圖6中，動(dòng)態(tài)前角扮是指刀片5的前刀面與刀尖圓弧切線之間的夾角。動(dòng)態(tài)后角Ct1 是指刀片5的后刀面與刀尖圓弧切線之間的夾角。
[0069] 進(jìn)給量fr是指工件外輪廓線與振動(dòng)平衡線之間和間距。
[0070] 切肩寬度Ir是指刀片5的前刀面與工件的待加工面之間的間距。
[0071] 在本發(fā)明中，移動(dòng)支撐點(diǎn)，然后進(jìn)行第二刀車削、第三刀車削、……，直到完成大直 徑長軸的外圓車削。
[0072] 采用本發(fā)明的外圓車削加工方法在加工過程中應(yīng)重點(diǎn)注意以下方面：
[0073] (1)每轉(zhuǎn)進(jìn)給量不大于單邊振幅0.01毫米，防止由于進(jìn)給量過大而變斷續(xù)切削為 連續(xù)切削。
[0074] (2)實(shí)時(shí)監(jiān)控刀片5的磨損狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)刀片5磨損狀態(tài)出現(xiàn)，即更換刀片5;
[0075] (3)主軸轉(zhuǎn)速(記為η)要根據(jù)切削用具、切削條件
（其中A為振 幅，D為工件外徑，ω為超聲振動(dòng)角頻率，α2為刀片理論后角，jt = 3.14)條件下，合理選擇避 免刀具磨損。
[0076] (4)尾頂尖部位應(yīng)保證充分的潤滑油潤滑，且不能有切肩等雜物干擾；
[0077] (5)切削過程中，間斷放松尾頂尖釋放應(yīng)力，保證工件內(nèi)不存在長時(shí)間的殘余應(yīng) 力。
[0078] 實(shí)施例2 [0079] 鏜削深孔
[0080]本發(fā)明采用鏜削工藝對大直徑長軸端部的深孔進(jìn)行高效、高質(zhì)量加工的方法，難 加工航空材料選用TC4鈦合金，該加工方法包括有加工前準(zhǔn)備和零件加工的步驟：
[0081]( - )加工前準(zhǔn)備
[0082] 步驟1一 1:數(shù)字化零件構(gòu)形，采用三維繪圖軟件（如CATIA/Autocad/Proe等）進(jìn)行 所需加工大直徑長軸零件的三維構(gòu)形;構(gòu)形的圖如圖2所示。
[0083]參見圖2A所示，在本發(fā)明中，根據(jù)所需加工零件尺寸采用1:1的比例尺寸在三維繪 圖軟件中進(jìn)行零件構(gòu)形，并將該尺寸信息輸入給數(shù)控加工中心;在本發(fā)明中，零件尺寸包括 有工件總長度L、外徑D、孔長度h、深孔直徑d。
[0084]步驟1 一2:調(diào)整數(shù)控機(jī)床，要求數(shù)控機(jī)床調(diào)整后主軸回轉(zhuǎn)精度在0.02毫米內(nèi)。
[0085] 步驟1 一3:將高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具2裝夾在調(diào)整好的數(shù)控機(jī)床上，微調(diào)車削 用刀片5于數(shù)控機(jī)床中心高相平。
[0086] 步驟1 一 4:調(diào)節(jié)高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具2在加工時(shí)的振動(dòng)參數(shù)為:振動(dòng)頻率為 20千赫茲左右，刀片5的刀尖單邊振幅為8ym。
[0087] 步驟1 一5:毛坯件在加工前應(yīng)進(jìn)行粗車去皮，精車直軸找正，為防止在粗車過程中 工件產(chǎn)生過大的殘余應(yīng)力，粗車吃刀量控制在〇.5_內(nèi)，粗車后要求工件對于中心孔的圓跳 動(dòng)不大于〇. 〇3mm。此后，進(jìn)行孔鉆削加工，直至加工余量0.1mm。
[0088] (二)深孔零件加工
[0089]第一刀深孔鏜削條件:線速度150~250米/分，進(jìn)給量0.005~0.015毫米/轉(zhuǎn)，切削 深度0.005~0.02毫米；
[0090]參見圖4所示，內(nèi)孔鏜削過程:裝夾已加工到所需余量的工件，夾緊要求距離機(jī)床 三爪卡盤7位置IOmm的跳動(dòng)不大于0.002mm，右端面處的圓跳動(dòng)不大于0.01mm，開啟振動(dòng)裝 置，開始按照預(yù)先生成的刀具軌跡指令進(jìn)行鏜削，直至加工到零件的規(guī)定尺寸。
[0091]參見圖5A、圖5B所示，開啟預(yù)先調(diào)試好的振動(dòng)車削裝置，在軸向上給刀片5施加一 個(gè)超聲頻率的大振幅振動(dòng)，所述超聲頻率的大振幅振動(dòng)是由高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具2 提供的，其單邊振幅為8μπι;通過調(diào)節(jié)振動(dòng)驅(qū)動(dòng)源的相位，使刀具的振動(dòng)成為一個(gè)正弦軌跡 的振動(dòng)，使得此后的切削過程中刀具處于軸向振動(dòng)狀態(tài)，開始按照預(yù)先生成的刀具軌跡指 令進(jìn)行車削，直至加工到零件的規(guī)定尺寸。在高速斷續(xù)軸向超聲振動(dòng)切削加工過程中，采用 大振幅(單邊8微米）、微切深a P(0.005~0.02毫米）、超聲頻振動(dòng)(20千赫茲）、相位控制進(jìn)行 加工，降低了工件的表面粗糙度，提高了工件的尺寸精度。
[0092]切削微觀過程如圖6所示，其為圖5B所示刀具在進(jìn)給平面中A-Y的剖面圖，一個(gè)振 動(dòng)周期(從a點(diǎn)至e點(diǎn)）中高速超聲振動(dòng)切削過程可以分為三個(gè)階段:a點(diǎn)-b點(diǎn)為切入階段，b 點(diǎn)-c點(diǎn)為切出階段，c點(diǎn)-e點(diǎn)為空切階段。在高速超聲振動(dòng)切削過程中，刀具以振動(dòng)平衡 線為平衡位置做超聲頻率的振動(dòng)。
[0093]在每個(gè)切削周期中，刀片5從a點(diǎn)開始切入工件，切肩寬度Ir逐漸增加，到b點(diǎn)時(shí)整 個(gè)切削過程的切肩寬度最大，b點(diǎn)時(shí)工件加工表面上的位置最低點(diǎn)，在所述切入階段的刀片 的動(dòng)態(tài)前角扮呈現(xiàn)一個(gè)由小變大再變小的過程，且都要大于刀片的理論前角說，動(dòng)態(tài)后角^ 則與之相反，都要小于刀片的理論后角α 2;當(dāng)?shù)镀?處于切削周期的切出階段時(shí)，從b點(diǎn)開始 切肩寬度逐漸減小，到c點(diǎn)時(shí)整個(gè)切削周期對加工表面的影響結(jié)束，在所述切出階段的刀片 的動(dòng)態(tài)前角扮要小于刀片的理論前角此，動(dòng)態(tài)后角<^同樣與之相反，要大于刀片的理論后角 α2。同時(shí)，在b點(diǎn)-c點(diǎn)的切出階段刀片回拉，切削進(jìn)給寬度f減小，且刀片在切肩寬度Ir方向 上的速度逐漸加快，切肩與前刀面產(chǎn)生的摩擦力方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，這對于吃刀抗力的減小有 利；c點(diǎn)-e點(diǎn)是整個(gè)切削周期的空切階段，從c點(diǎn)開始刀片與工件及切肩分離，實(shí)現(xiàn)了斷續(xù) 切削，整個(gè)階段內(nèi)刀片與工件已加工表面完全不接觸，切削力降低為〇,刀片對工件的表面 形貌不產(chǎn)生任何影響；當(dāng)?shù)镀竭_(dá)e點(diǎn)時(shí)一個(gè)切削周期過程結(jié)束，因此a點(diǎn)-e點(diǎn)是一個(gè)完整 的切削周期，此后刀片開始再次與工件接觸，開始下一個(gè)切削周期。這樣就是刀片、工件、切 肩之間周期性分離的斷續(xù)切削過程。
[0094] 在圖6中，動(dòng)態(tài)前角扮是指刀片5的前刀面與刀尖圓弧切線之間的夾角。動(dòng)態(tài)后角Ct1 是指刀片5的后刀面與刀尖圓弧切線之間的夾角。
[0095] 進(jìn)給量fr是指工件外輪廓線與振動(dòng)平衡線之間和間距。
[0096] 切肩寬度Ir是指刀片5的前刀面與工件的待加工面之間的間距。
[0097] 在本發(fā)明中，然后進(jìn)行第二刀車削、第三刀車削、……，直到完成深孔的鏜削。
[0098] 采用本發(fā)明的鏜削加工方法在加工過程中應(yīng)重點(diǎn)注意以下方面：
[0099] (1)每轉(zhuǎn)進(jìn)給量不大于單邊振幅0.008毫米，防止由于進(jìn)給量過大而變斷續(xù)切削為 連續(xù)切削。
[0100] (2)實(shí)時(shí)監(jiān)控刀片5的磨損狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)刀片5磨損狀態(tài)出現(xiàn)，即更換刀片5;
[0101] (3)主軸轉(zhuǎn)速(η)要根據(jù)切削用具、切削條件，
_(其中A為振幅，D 為工件外徑，ω為超聲振動(dòng)角頻率，(^為刀片理論后角)條件下，合理選擇避免刀片磨損。
[0102] (4)實(shí)時(shí)的觀察工件的振動(dòng)情況，合理控制切削速度，防止顫振，以免造成深孔劃 傷和表面質(zhì)量變差。
[0103 ]本發(fā)明提出的一種難加工航空材料的高速斷續(xù)超聲振動(dòng)車(鏜)削加工方法，是利 用軸向超聲振動(dòng)切削技術(shù)，對大直徑長軸或孔等難加工航空材料件，進(jìn)行切削加工的一種 新型機(jī)械加工方法。該加工方法通過采用軸向超聲振動(dòng)切削裝置，輔以斷續(xù)切削的工藝原 理，極大提高了切削速度，縮短了加工時(shí)間、提高了加工效率，延長刀具壽命、降級加工成 本，優(yōu)化表面質(zhì)量、抑制顫振、提高加工質(zhì)量。采用本發(fā)明加工方法更可以對鈦合金，高溫合 金等難加工航空材料工件實(shí)現(xiàn)高速、高效、高質(zhì)量的加工。高速軸向超聲振動(dòng)切削由于其特 有的運(yùn)動(dòng)軌跡和切削原理，使得其既具有大幅度降低切削抗力（約為普通切削抗力的50%-70%左右），降低切削溫度，提高極限切削能力，振動(dòng)不靈敏特性，加工表面質(zhì)量優(yōu)異等一系 列顯著的特點(diǎn)，同時(shí)又突破了難加工材料切削極限速度(大于100米/分），切削效率有效提 高。可見，高速軸向超聲振動(dòng)切削是一種加工難加工航空材料有效且高效的方法。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種難加工航空材料高速軸向超聲振動(dòng)切削加工方法，其特征在于:該加工方法是 通過在現(xiàn)有車床上安裝高速軸向超聲振動(dòng)切削裝置，并由高速軸向超聲振動(dòng)切削裝置產(chǎn)生 的刀尖沿正弦軌跡振動(dòng)，結(jié)合車床控制端設(shè)計(jì)的大直徑長軸或深孔的難加工航空材料的幾 何特征，利用裝夾和定位工藝實(shí)現(xiàn);具體加工方式分為車削大直徑長軸，以及鏜削大直徑長 軸端部的深孔； 車削大直徑長軸： 第一刀外圓車削條件:線速度250~300米/分，進(jìn)給量0.005~0.015毫米/轉(zhuǎn)，切削深度 0.01~0.03毫米，振動(dòng)頻率約20KHz，電壓50伏，電流1安培，雙邊振幅20微米； 外圓車削過程:換刀程序執(zhí)行，應(yīng)用軸向超聲振動(dòng)切削裝置(8)準(zhǔn)備進(jìn)行外圓車削；頂 緊后要求工件右端圓跳動(dòng)不大于〇. 〇〇5mm; 移動(dòng)支撐點(diǎn)，順次進(jìn)行第二刀外圓車削，直到完成外圓車削； 鏜削大直徑長軸端部的深孔 第一刀深孔鏜削條件:線速度150~250米/分，進(jìn)給量0.005~0.015毫米/轉(zhuǎn)，切削深度 0.005 ~0.02 毫米； 深孔鏜削過程:裝夾已加工到所需余量的工件，夾緊要求距離卡盤位置IOmm的跳動(dòng)不 大于0.002mm，右端面處的圓跳動(dòng)不大于0.01mm;開啟振動(dòng)裝置，開始按照預(yù)先生成的刀具 軌跡指令進(jìn)行鏜削，直至加工到零件的規(guī)定尺寸。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種難加工航空材料高速軸向超聲振動(dòng)切削加工方法，其特 征在于:開啟預(yù)先調(diào)試好的振動(dòng)車削裝置，在軸向上給刀具施加單邊振幅為8μπι的超聲頻率 大振幅振動(dòng)，通過調(diào)節(jié)振動(dòng)驅(qū)動(dòng)源的相位，使刀具的振動(dòng)成為一個(gè)正弦軌跡的振動(dòng)，使得此 后的切削過程中刀具處于軸向振動(dòng)狀態(tài)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種難加工航空材料高速軸向超聲振動(dòng)切削加工方法，其特 征在于:該方法在一個(gè)從a點(diǎn)至e點(diǎn)的振動(dòng)周期中，高速超聲振動(dòng)切削過程分為三個(gè)階段:a 點(diǎn)-b點(diǎn)為切入階段，b點(diǎn)-c點(diǎn)為切出階段，c點(diǎn)-e點(diǎn)為空切階段;在高速超聲振動(dòng)切削過 程中，刀具以振動(dòng)平衡線為平衡位置做超聲頻率的振動(dòng)。4. 一種高速軸向超聲振動(dòng)切削裝置，該裝置用于實(shí)現(xiàn)難加工航空材料高速軸向超聲振 動(dòng)切削加工，其特征在于:高速軸向超聲振動(dòng)切削裝置包括有刀座（1)、高速軸向超聲振動(dòng) 切削刀具(2)、刀座前蓋(3)、刀座后蓋(4)、刀片（5)和航空插頭(6);高速軸向超聲振動(dòng)切削 刀具(2)安裝在刀座（1)內(nèi)，靠螺釘支撐固定，且高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具(2)的前端蓋及 變幅桿（205)從刀座前蓋（3)中間圓孔伸出，高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具（2)中的激勵(lì)源 (203)與航空插頭(6)-端用導(dǎo)線聯(lián)結(jié)；刀座前蓋(3)安裝在刀座（1)的前端，刀座后蓋(4)安 裝在刀座（1)的后端;航空插頭(6)安裝在刀座后蓋(4)的中心孔上，另一端與外部的超聲振 動(dòng)激勵(lì)電源連接，接受外部產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)信號，傳給高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具(2); 刀座（1)用于固定高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具的高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具(2)，其一 側(cè)有突出的夾持結(jié)構(gòu)，用于機(jī)床夾緊裝置夾緊； 高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具(2)用于產(chǎn)生加工時(shí)所需的軸向超聲振動(dòng)； 高速軸向超聲振動(dòng)切削刀具(2)包括有壓緊螺釘(201)、后端蓋(202)、激振源(203)、絕 緣套(204)、前端蓋及變幅桿(205); 壓緊螺釘（201)的螺紋端順次穿過后端蓋(202)、激振源（203)內(nèi)孔和絕緣套（204)后， 螺紋連接在前端蓋及變幅桿(205)的螺紋內(nèi)孔，從而實(shí)現(xiàn)將后端蓋(202)、激振源(203)以及 前端蓋及變幅桿(205)的緊固在一起； 激振源(203)用于產(chǎn)生加工時(shí)所需的超聲振動(dòng)； 絕緣套(204)為于激振源203內(nèi)孔和壓緊螺釘201中間； 前端蓋及變幅桿(205)為一體加工成型帶圓角過渡階梯軸結(jié)構(gòu)，前端蓋及變幅桿(205) 一端設(shè)有用于安裝刀片（5)的刀槽，前端蓋及變幅桿(205)的另一端為平板面，且平板面中 心設(shè)有供壓緊螺釘(201)擰緊用的螺紋孔。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高速軸向超聲振動(dòng)切削裝置，其特征在于:是在數(shù)控車床 上安裝了與之相匹配的超聲振動(dòng)切削裝置。
【文檔編號】B06B3/02GK105921769SQ201610457707
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月22日
【發(fā)明人】張德遠(yuǎn), 張翔宇, 隋翯, 姜興剛
【申請人】北京航空航天大學(xué)