專利名稱：一種弱剛度零件高速斷續(xù)超聲振動切削加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對弱剛度零件利用超聲振動切削進行高速加工的方法，更特別地說，是指一種運用縱向超聲振動技術(shù)，對弱剛度零件進行斷續(xù)、高效、高質(zhì)量切削加工的方法。
背景技術(shù)：
在機械制造領(lǐng)域中，弱剛度零件加工大量存在，如大直徑深孔長軸(外徑D大于200mm,長度L大于1000mm,孔深h大于500mm)外圓車削加工、薄壁盤(外徑與最小壁厚之比大于200)端面車削加工、深孔軸(深徑比大于50)內(nèi)孔鏜削加工等，這些零件形狀復雜、余量大、材料難切削；精度與表面質(zhì)量要求高，而且切削過程中在切削力、切削熱作用下易發(fā)生變形和顫振，所以極大的影響了工件的加工精度和表面質(zhì)量。橢圓振動切削技術(shù)由于特殊的加工機理，雖然能減小切削力，降低切削溫度，提高極限切削能力和加工質(zhì)量，但由于切削線速度很小(一般4 6米/分)，尤其加工大直徑回轉(zhuǎn)件，效率很低，因此在實際應用中受到了很大限制。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高弱剛度零件的加工質(zhì)量和加工效率，本發(fā)明的目的是提出一種適用于對大直徑深孔長軸的高效加工弱剛度零件的高速斷續(xù)超聲振動切削方法，該加工方法僅用車削/鏜削方式實現(xiàn)整個弱剛度零件的加工，改變了傳統(tǒng)對弱剛度零件加工需要進行車削/鏜削一時效一磨削處理的步驟。本發(fā)明的加工方法極大地縮短了加工時間，提高了弱剛度零件的加工質(zhì)量。本發(fā)明加工方法尤其能夠?qū)崿F(xiàn)大直徑深孔長軸的高速、高效、高質(zhì)量加工。本發(fā)明的一種弱剛度零件高速斷續(xù)超聲振動切削加工方法，該加工方法是通過在現(xiàn)有車床上安裝超聲縱向振動切削裝置(30)，并由超聲縱向振動切削裝置(30)產(chǎn)生的刀尖沿橢圓軌跡振動，結(jié)合車床控制端設(shè)計的大直徑深孔長軸的弱剛度零件的幾何特征，利用裝夾和定位工藝實現(xiàn)；具體加工方式為內(nèi)孔鏜削條件線速度8 12米/分，進給量0. 08 0. I毫米/轉(zhuǎn)，切削深度0. 05 0. I暈米；內(nèi)孔鏜削過程裝夾已加工到所需余量的工件，夾緊要求距離卡盤位置IOmm的跳動不大于0. 002mm,右端面處的圓跳動不大于0. Olmm,中心架支撐大直徑深孔長軸中心偏左IOmm處，夾緊中心架(20)，夾緊后要求工件中心軸與鏜削刀具(70)鏜桿中心軸同軸度在0. 02毫米內(nèi)，頂緊尾頂尖(40);開始按照預先生成的刀具軌跡指令進行鏜削，直至加工到零件的規(guī)定尺寸；高速精車削條件線速度1000 1300米/分，進給量2 4毫米/秒，切削深度0. 025 0. 030 毫米；高速精車削過程換刀程序執(zhí)行，鏜削刀具(70)更換為超聲縱向振動切削裝置(30)，頂緊機床液壓尾頂尖(40)，準備進行外圓車削；頂緊后要求工件右端圓跳動不大于0. 005mm ;開始按照預先生成的刀具軌跡指令進行分步普通精車，當車削到加工余量剩余0. 05mm后，程序自動中斷；外圓車削條件線速度1000 1300米/分，進給量2 4毫米/秒，切削深度0. 008 0. 010毫米，振動頻率20KHz，電壓50伏，電流I安培，雙邊振幅20微米；外圓車削過程換刀程序執(zhí)行，應用超聲縱向振動切削裝置(30)準備進行外圓車削；頂緊后要求工件右端圓跳動不大于0. 005mm ;開始按照預先生成的刀具軌跡指令進行分步普通精車，當車到加工余量剩余0. 05mm后,程序自動中斷；改變支撐方式，然后進行第二刀、第三刀……外圓車削；調(diào)轉(zhuǎn)工件，進行另一側(cè)的外圓車削，直至達到加工尺寸要求； 修磨右端中心孔條件以中心孔磨床頂尖(50)頂緊工件左端中心孔，以中心孔磨床V型鐵(60)定位靠近右端中心孔的外圓表面，在中心孔磨床上修磨右端中心孔；修磨完成后著色檢驗，中心孔著色面積不小于95%且沿圓周不間斷；修磨左端中心孔條件以中心孔磨床頂尖(50)頂緊工件右端已修磨好的中心孔，以中心孔磨床V型鐵(60)定位靠近左端中心孔的外圓表面，在中心孔磨床上修磨左端中心孔；修磨完成后著色檢驗，中心孔著色面積不小于95%且沿圓周不間斷。在本發(fā)明的一種弱剛度零件高速斷續(xù)超聲振動切削加工方法中，開啟預先調(diào)試好的振動車削裝置，在縱向上采用超聲縱向振動切削裝置(30)給刀具施加振幅為10 ii m的超聲頻率大振幅振動，通過調(diào)節(jié)振動驅(qū)動源的相位,使刀具的振動成為一個正弦軌跡的振動，使得此后的切削過程中刀具處于縱向振動狀態(tài)。本發(fā)明對大直徑深孔長軸的高速斷續(xù)超聲振動切削方法的優(yōu)點在于①通過高速斷續(xù)振動的切削原理，突破了振動切削的速度限制，達到高速(1000 1300米/分)、高效加工的目的。②在高速斷續(xù)超聲縱向振動切削加工過程中，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(20千赫茲)、相位控制進行加工，降低了工件的表面粗糙度，提高了工件的尺寸精度。③在高速切削狀態(tài)下，刀具與工件、切屑周期性分離，切削力大幅下降(僅為普通切削的30%)，切削溫度急劇降低(下降I個數(shù)量級)，有效抑制了應力變形和熱變形對工件質(zhì)量的惡化。④整個加工過程中僅采用了車削，從而實現(xiàn)了弱剛度零件的直接車削加工，省去后續(xù)相應的應力釋放，磨削加工等工序，可提高加工效率。⑤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切削裝置，提升了數(shù)控車床的加工能力，使得弱剛度零件的加工成本得以降低。


圖I是本發(fā)明對大直徑深孔長軸的弱剛度零件的加工過程的示意圖。圖2是本發(fā)明應用的超聲縱向振動裝置的外部結(jié)構(gòu)圖。圖2A是本發(fā)明應用的超聲縱向振動裝置的分解圖。圖3是采用三維軟件繪制的工件模型示意圖。
圖3A是采用三維軟件繪制得到的工件等軸示意圖。圖3B是采用三維軟件繪制得到的工件正視及尺寸示意圖。圖4A是本發(fā)明的振動形式示意圖。圖4B是本發(fā)明的刀尖運動軌跡示意圖。圖5是本發(fā)明的微觀加工過程圖。
權(quán)利要求
1.一種弱剛度零件高速斷續(xù)超聲振動切削加工方法，其特征在于該加工方法是通過在現(xiàn)有車床上安裝超聲縱向振動切削裝置(30)，并由超聲縱向振動切削裝置(30 )產(chǎn)生的刀尖沿橢圓軌跡振動，結(jié)合車床控制端設(shè)計的大直徑深孔長軸的弱剛度零件的幾何特征，利用裝夾和定位工藝實現(xiàn)；具體加工方式為 內(nèi)孔鏜削條件線速度8 12米/分，進給量0. 08 0. I毫米/轉(zhuǎn)，切削深度0. 05 0. I毫米； 內(nèi)孔鏜削過程裝夾已加工到所需余量的工件，夾緊要求距離卡盤位置IOmm的跳動不大于0. 002mm,右端面處的圓跳動不大于0. Olmm,中心架支撐大直徑深孔長軸中心偏左IOmm處，夾緊中心架(20)，夾緊后要求工件中心軸與鏜削刀具(70)鏜桿中心軸同軸度在0. 02毫米內(nèi)，頂緊尾頂尖(40);開始按照預先生成的刀具軌跡指令進行鏜削，直至加工到零件的規(guī)定尺寸； 高速精車削條件線速度1000 1300米/分，進給量2 4毫米/秒，切削深度0. 025 0. 030 毫米； 高速精車削過程換刀程序執(zhí)行，鏜削刀具(70)更換為超聲縱向振動切削裝置(30)，頂緊機床液壓尾頂尖(40)，準備進行外圓車削；頂緊后要求工件右端圓跳動不大于0. 005mm ;開始按照預先生成的刀具軌跡指令進行分步普通精車，當車削到加工余量剩余0. 05mm后，程序自動中斷； 外圓車削條件線速度1000 1300米/分，進給量2 4毫米/秒，切削深度0. 008 0. 010毫米，振動頻率20KHZ，電壓50伏，電流I安培，雙邊振幅20微米； 外圓車削過程換刀程序執(zhí)行，應用超聲縱向振動切削裝置(30)準備進行外圓車削；頂緊后要求工件右端圓跳動不大于0. 005mm ;開始按照預先生成的刀具軌跡指令進行分步普通精車，當車到加工余量剩余0. 05mm后,程序自動中斷； 改變支撐方式，然后進行第二刀、第三刀……外圓車削； 調(diào)轉(zhuǎn)工件，進行另一側(cè)的外圓車削，直至達到加工尺寸要求； 修磨右端中心孔條件以中心孔磨床頂尖(50)頂緊工件左端中心孔，以中心孔磨床V型鐵(60)定位靠近右端中心孔的外圓表面，在中心孔磨床上修磨右端中心孔；修磨完成后著色檢驗，中心孔著色面積不小于95%且沿圓周不間斷； 修磨左端中心孔條件以中心孔磨床頂尖(50)頂緊工件右端已修磨好的中心孔，以中心孔磨床V型鐵(60)定位靠近左端中心孔的外圓表面，在中心孔磨床上修磨左端中心孔；修磨完成后著色檢驗，中心孔著色面積不小于95%且沿圓周不間斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種弱剛度零件高速斷續(xù)超聲振動切削加工方法，其特征在于開啟預先調(diào)試好的振動車削裝置，在縱向上采用超聲縱向振動切削裝置(30)給刀具施加振幅為10 U m的超聲頻率大振幅振動，通過調(diào)節(jié)振動驅(qū)動源的相位，使刀具的振動成為一個正弦軌跡的振動，使得此后的切削過程中刀具處于縱向振動狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種弱剛度零件高速斷續(xù)超聲振動切削加工方法，其特征在于該方法在一個從a點至e點的振動周期中，高速超聲振動切削過程分為三個階段a點—b點為切入階段，b點一c點為切出階段，c點一e點為空切階段；在高速超聲振動切削過程中，刀具以振動平衡線為平衡位置做超聲頻率的振動。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種弱剛度零件高速斷續(xù)超聲振動切削加工方法，其特征在于超聲縱向振動切削裝置(30)包括有刀座(I)、超聲振動單元(2)、刀座前蓋(3)、前絕緣墊圈(4)、后絕緣墊圈(5)、刀座后蓋(6)和刀具(7)； 超聲振動單元(2)包括有壓緊螺釘(201)、后端蓋(202)、激勵源(203)、前端蓋及變幅桿(204)； 超聲振動單元(2)安裝在刀座(I)內(nèi)，且超聲振動單元(2)中的前端蓋及變幅桿(204)上的變幅桿伸出刀座前蓋(3);刀座前蓋(3)安裝在刀座(I)的前端，刀座后蓋(6)安裝在刀座(I)的后端；刀具(7)安裝在超聲振動單元(2)中的前端蓋及變幅桿(204)的刀槽中；超聲振動單元(2)中的前端蓋及變幅桿(204)為一體加工成型的階梯軸結(jié)構(gòu)，一端設(shè)有用于安裝刀具(7)的刀槽，另一端為平板面，且平板面的中心設(shè)有螺紋孔；激勵源(203)用于產(chǎn)生加工時的縱向方向的驅(qū)動力；壓緊螺釘(201)的螺紋段端順次穿過后端蓋(202)、激勵源(203)后，螺紋連接在前端蓋及變幅桿(204)的另一端的螺紋孔內(nèi)，從而實現(xiàn)將后端蓋(202)、激勵源(203)和前端蓋及變幅桿(204)的緊固在一起。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種弱剛度零件高速斷續(xù)超聲振動切削加工方法，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切削裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種弱剛度零件高速斷續(xù)超聲振動切削加工方法，是利用超聲縱向振動切削技術(shù)對弱剛度零件進行切削加工的一種新型機械加工方法。該加工方法通過采用超聲縱向振動切削裝置，輔以斷續(xù)切削的工藝原理，從而省去了傳統(tǒng)加工中車削/鏜削－時效處理－磨削中的后續(xù)工序，并且極大提高了切削速度，縮短了加工時間、提高了加工效率，采用本發(fā)明加工方法更可以對弱剛度難加工零件實現(xiàn)高速、高效、高質(zhì)量的加工。
文檔編號B23B37/00GK102717115SQ201210200679
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月14日
發(fā)明者張德遠, 李文, 隋翯 申請人:北京航空航天大學