專利名稱：一種高速連續(xù)超聲徑向振動切削方法及其實(shí)現(xiàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高速連續(xù)徑向超聲振動切削方法及其實(shí)現(xiàn)裝置，利用本方法及相 關(guān)實(shí)現(xiàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)高速狀態(tài)下的超聲徑向振動加工，極大地?cái)U(kuò)展了超聲振動加工技術(shù)的 應(yīng)用范圍。
背景技術(shù)：
機(jī)械加工過程中，優(yōu)異的加工質(zhì)量是人們追求的最終目標(biāo)，而這就要求加工技術(shù) 產(chǎn)生的干擾加工質(zhì)量的因素盡可能少。比如要求切削力盡可能小，從而降低因切削力產(chǎn)生 的工藝系統(tǒng)變形，從而提高加工質(zhì)量；要求切削溫度盡可能低，從而減小溫度對加工質(zhì)量的影響。超聲振動加工技術(shù)是給刀具施加超聲頻率的低振幅超聲振動，從而使得加工過程 處于斷續(xù)的狀態(tài)，從而可以獲得切削力降低、加工表面質(zhì)量提高、切削溫度降低等一系列的 優(yōu)點(diǎn)?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，超聲振動加工技術(shù)廣泛地應(yīng)用于難加工結(jié)構(gòu)(弱剛度結(jié)構(gòu))、難加工 材料(高切削力、高切削溫度)等的加工中，取得了良好的效果。但由于超聲振動加工的切 削機(jī)理最根本的是基于工件刀具的斷續(xù)接觸-分離，從而使得工件的加工速度不能高于超 聲振動加工的臨界速度，在工件的回轉(zhuǎn)直徑比較小時，工件的轉(zhuǎn)速基本和普通切削轉(zhuǎn)速差 不多，但當(dāng)工件的回轉(zhuǎn)直徑增大后，工件的轉(zhuǎn)速將會遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通切削加工的轉(zhuǎn)速，這就極 大地限制了加工的效率，從而也影響了超聲振動加工技術(shù)的推廣應(yīng)用。自動超聲振動加工技術(shù)出現(xiàn)以來，人們一直著力于提高超聲振動切削技術(shù)的加工 效率問題，但目前還沒有相關(guān)的裝置或技術(shù)手段出現(xiàn)，所進(jìn)行的研究和應(yīng)用全部是在超聲 振動切削的臨界速度之下進(jìn)行的，而由于徑向超聲振動對于刀具的沖擊破壞及表面加工質(zhì) 量的惡化，很少采用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高速連續(xù)徑向超聲振動切削方法及其實(shí)現(xiàn)裝置，以突 破超聲振動加工技術(shù)的速度限制、實(shí)現(xiàn)徑向超聲振動的切削加工應(yīng)用、使得超聲振動加工 技術(shù)可以應(yīng)用于大回轉(zhuǎn)直徑工件的高速切削領(lǐng)域，本發(fā)明設(shè)計(jì)出一種能夠應(yīng)用于高速切削 的超聲徑向切削方法及一套相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)裝置。該高速連續(xù)徑向超聲振動切削方法是基于單 向超聲振動、刀具與工件位置及刀具振動方向與工件的合理布置、對加工參數(shù)的合理設(shè)定， 以及使用相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)裝置，從而突破超聲振動加工必須在較低速度下進(jìn)行的限制、實(shí)現(xiàn)對 大回轉(zhuǎn)直徑工件的高速連續(xù)徑向超聲振動切削加工。高速連續(xù)徑向超聲振動切削方法步驟如下在機(jī)床卡盤內(nèi)裝夾待加工的大直徑工 件，在機(jī)床刀架上裝夾高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具、調(diào)整好高速連續(xù)徑向超聲振動切 削刀具相對于大直徑工件的位置，使得高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具所切方向正好為大 直徑工件的水平直徑剖面方向；高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具的振動方向?yàn)檠毓ぜ膹?向方向。
高速連續(xù)徑向超聲振動切削方法的具體實(shí)現(xiàn)方法參見圖1-1所示。令高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具的頻率為f、振幅為a、刀具后角為θ、工件的 速度為V、切削時間為t。由圖1所建立的坐標(biāo)系來確定坐標(biāo)系以切削深度方向?yàn)閥軸、正方向?yàn)榍猩钤龃?方向，主切削力方向?yàn)閄軸、正方向?yàn)榍邢鏖L度增加方向，以初始切削點(diǎn)為原點(diǎn)，則高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具刀尖的振動方程為y = as in (2 31 ft)工件的運(yùn)動方程為x = vt建立y (χ)為y = asm{2nf-)ν求得關(guān)于χ的導(dǎo)數(shù)y = cos(2^- / -)νV滿足切削過程無負(fù)后角的條件為Inafο圖1-1所示即為此種無后角切削狀態(tài)下的表面剖面圖。本發(fā)明包括一種高速連續(xù)徑向超聲振動切削實(shí)現(xiàn)裝置，包括刀座、刀座前蓋、高速 連續(xù)徑向超聲振動切削刀具、刀座后蓋和航空插頭；高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具安裝 在刀座內(nèi)，靠螺釘支撐固定，高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具的前端蓋從刀座前蓋中間圓 孔處伸出，高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具的激勵源與航空插頭一端通過導(dǎo)線聯(lián)結(jié)；刀座 前蓋安裝在刀座的前端；刀座后蓋安裝在刀座的后端；航空插頭安裝在刀座后蓋的中心孔 上，另一端與外部的超聲振動激勵電源相連接，接受外部產(chǎn)生的振動激勵信號，傳給高速連 續(xù)徑向超聲振動切削刀具。其中，高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具的前端蓋為一體加工成型的階梯軸結(jié)構(gòu)， 前端蓋的一端設(shè)有用于安裝刀具的刀槽，前端蓋的另一端為平板面，且平板面的中心設(shè)有 供壓緊螺釘擰緊用的螺紋孔。其中，激勵源用于產(chǎn)生加工時所需的超聲振動。其中，壓緊螺釘?shù)穆菁y段端順次穿過后端蓋、激勵源后，螺紋連接在前端蓋的螺紋 孔內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)將后端蓋、激勵源以及前端蓋緊固在一起。其中，激勵源包括絕緣套、銅電極、壓電陶瓷；銅電極、壓電陶瓷間隔分布、通過粘 結(jié)壓緊固定，絕緣套依次穿過銅電極和壓電陶瓷中心孔，將整個激勵源貫穿，起到保持和絕 緣的作用；銅電極通過導(dǎo)線與航空插頭聯(lián)結(jié)，接受相應(yīng)的激勵信號。其中，銅電極的數(shù)量較壓電陶瓷多1片，且保證激勵源的兩端各為1片銅電極。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)①使得工件的加工速度大大提高，突破了超聲振動加工的速度限制。②由于高的工件切削速度，提高了工件的加工效率。③在高速的切削狀態(tài)下、超聲切削過程中的切削力大大降低，提高了工件的精度，提高了大直徑弱剛度工件(薄壁筒類零件)的加工質(zhì)量。④實(shí)現(xiàn)了超聲徑向振動切削的應(yīng)用。⑤擴(kuò)展了超聲振動切削加工的應(yīng)用范圍。


圖1-1、1-2是本發(fā)明的高速連續(xù)徑向超聲振動切削方法的原理圖。圖2是本發(fā)明對工件的加工過程的示意圖。圖3是本發(fā)明應(yīng)用的高速連續(xù)徑向超聲振動切削裝置的外部輪廓圖。圖4是本發(fā)明應(yīng)用的高速連續(xù)徑向超聲振動切削裝置的分解圖。圖5是本發(fā)明應(yīng)用的高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具的分解圖。圖6是本發(fā)明應(yīng)用的高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具激勵源的分解中具體標(biāo)號如下10.高速連續(xù)徑向超聲振動切削裝置1.刀座2.高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具21.壓緊螺釘22.前端蓋23.激勵源231.絕緣套 232.銅電極 233.壓電陶瓷24.后端蓋25.刀具3.刀座前蓋 4.刀座后蓋 5.航空插頭20.機(jī)床刀架30.機(jī)床卡盤40.大直徑工件
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明中的高速連續(xù)徑向超聲振動切削方法，參見圖2所示，在機(jī)床卡盤30內(nèi)裝 夾待加工的大直徑工件40，在機(jī)床刀架20上裝夾高速連續(xù)徑向超聲振動切削裝置10、調(diào)整 好高速連續(xù)徑向超聲振動切削裝置10中高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具2相對于大直徑 工件40的位置，使得高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具2所切方向正好為大直徑工件40的 水平直徑剖面方向。高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具2的振動方向?yàn)檠卮笾睆焦ぜ?0的 徑向方向。通過合理調(diào)節(jié)大直徑工件40的轉(zhuǎn)速、高速連續(xù)徑向超聲振動切削裝置10的振 動頻率、振幅，來實(shí)現(xiàn)高速超聲振動切削加工。令刀具振動的頻率為f、振幅為a、刀具后角為θ、工件的速度為V。由圖3所建立的坐標(biāo)系來確定坐標(biāo)系以切削深度方向?yàn)閥軸、正方向?yàn)榍猩罴哟?方向，主切削力方向?yàn)閄軸、正方向?yàn)榍邢鏖L度增加方向，以初始切削點(diǎn)為原點(diǎn)，則刀具的振動方程為y = as in (2 π ft)工件的運(yùn)動方程為χ = vt
建立y(x)為X少= asin(2;r/—)ν求得關(guān)于χ的導(dǎo)數(shù)y = 2na^ cos(2^/ -)νν滿足切削過程無負(fù)后角的條件為2πα/
如果切削速度不滿足上述公式，則會出現(xiàn)如圖1-2所示的情況，高速連續(xù)徑向超 聲振動切削刀具2的刀具25從A點(diǎn)切到B點(diǎn)的過程中，由于高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀 具2的刀具25所走正弦曲線軌跡和后刀面輪廓干涉，理論上應(yīng)該形成的AB表面將會被BC 所代替，這種情況破壞了已加工表面的質(zhì)量，使得本應(yīng)形成的L輪廓曲線中的陰影部分遭 受擠壓變形，破壞了表面的連續(xù)性，也使得刀具25后刀面在高頻的沖擊力作用下，極易產(chǎn) 生崩刃現(xiàn)象。這在加工過程中應(yīng)該避免，就使得工件的切削速度必須高于上述速度，從而改 變了傳統(tǒng)超聲振動加工技術(shù)的原理，突破了原來的速度限制。當(dāng)工件的速度大于上述速度時，如圖1-1所示，高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具2 沿軌跡曲線Α’ B’ C’運(yùn)動，形成了理論上的表面輪廓，是理想的切削狀態(tài)。在切削過程中， 高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具2的刀具25前刀面與大直徑工件40的作用如圖1-1中所 示，分離狀態(tài)切深加大時，高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具2的刀具25向下運(yùn)動，高速連 續(xù)徑向超聲振動切削刀具2的刀具25前刀面與大直徑工件40的切屑產(chǎn)生分離，降低了刀 具25與切屑之間的摩擦、擠壓作用；外拉狀態(tài)當(dāng)切深減小時，高速連續(xù)徑向超聲振動切削 刀具2的刀具25向上運(yùn)動，刀具25對切屑產(chǎn)生向上的拉力作用，使得在整個過程中的切削 抗力明顯降低。由于正常加工過程中速超聲振動車削裝置10的振動頻率一般為20000Hz、振幅為 5um左右，而所用的刀具4的后角為5°，則可以得到工件的最低切削速度為430m/min，超出 了普通切削的加工速度，更遠(yuǎn)比傳統(tǒng)超聲振動切削的切削速度高。假設(shè)工件的直徑為d，則 工件的最低轉(zhuǎn)速應(yīng)為ν/ ( η d)，在切削過程中應(yīng)滿足這個條件，高速超聲振動車削裝置才能正常工作。加工前，首先測量高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具2的振動振幅和頻率，確定所 選用高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具2的刀具25的后角，通過上式選擇最低的加工速度， 根據(jù)工件直徑計(jì)算出工件最低轉(zhuǎn)速，進(jìn)而進(jìn)行相關(guān)加工。本發(fā)明中的裝置，參見圖3、4、5、6所示，高速連續(xù)徑向超聲振動切削裝置10包括 有刀座1、高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具2、刀座前蓋3、刀座后蓋4和航空插頭5 ；高速連 續(xù)徑向超聲振動切削刀具2安裝在刀座1內(nèi)，靠螺釘支撐固定，且高速連續(xù)徑向超聲振動切 削刀具2的前端蓋22從刀座前蓋3中間圓孔出伸出，高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具2中 的激勵源23與航空插頭5 —端通過導(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5安裝在刀座后蓋4的中心孔上，另一端與外部的超聲振 動激勵電源23相連接，接受外部產(chǎn)生的振動激勵信號，傳給高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀 具2。
刀座1用于固定高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具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。高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具2用于產(chǎn)生加工時所需的單向超聲振動。高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具2包括有壓緊螺釘21、前端蓋22、激勵源23、后端 蓋24和刀具25。前端蓋22為一體加工成型的階梯軸結(jié)構(gòu)，前端蓋22的一端設(shè)有用于安裝刀具25 的刀槽，前端蓋22的另一端為平板面，且平板面的中心設(shè)有供壓緊螺釘21擰緊用的螺紋 孔。激勵源23用于產(chǎn)生加工時所需的超聲振動。壓緊螺釘21的螺紋段端順次穿過后端蓋對、激勵源23后，螺紋連接在前端蓋22 的螺紋孔內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)將后端蓋對、激勵源23以及前端蓋22的緊固在一起。激勵源23包括絕緣套231、銅電極232、壓電陶瓷233。其中，銅電極的數(shù)量較壓 電陶瓷多一片，且保證激勵源的兩端各為1片銅電極。本發(fā)明實(shí)施例中銅電極為5片，壓電 陶瓷為4片；銅電極232、壓電陶瓷233間隔分布、通過粘結(jié)壓緊固定，激勵源23兩端各為1 片銅電極232，絕緣套231依次穿過5片銅電極232和4片壓電陶瓷233中心孔，將整個激 勵源23貫穿，起到保持和絕緣的作用。銅電極232通過導(dǎo)線與航空插頭6聯(lián)結(jié)，接受相應(yīng) 的激勵信號。本發(fā)明公開了一種高速連續(xù)徑向超聲振動切削方法及其實(shí)現(xiàn)裝置，利用本方法及 相關(guān)實(shí)現(xiàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)高速狀態(tài)下的超聲徑向振動加工，實(shí)現(xiàn)徑向超聲振動的切削加工， 突破了超聲振動切削加工的速度限制，極大地?cái)U(kuò)展了超聲振動加工技術(shù)的應(yīng)用范圍。
權(quán)利要求
1.一種高速連續(xù)徑向超聲振動切削方法，其特征在于在機(jī)床卡盤內(nèi)裝夾待加工的大 直徑工件、在機(jī)床刀架上裝夾高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具、調(diào)整高速連續(xù)徑向超聲振 動切削刀具相對于大直徑工件的位置，使得高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具所切方向正好 為大直徑工件的水平直徑剖面方向；高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具的振動方向?yàn)檠毓ぜ?的徑向方向；令高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具振動的頻率為f、振幅為a、刀具后角為θ、切削時 間為t ；建立坐標(biāo)系坐標(biāo)系以切削深度方向?yàn)閥軸、正方向?yàn)榍猩罴哟蠓较颍髑邢髁Ψ较驗(yàn)?X軸、正方向?yàn)榍邢鏖L度增加方向，以初始切削點(diǎn)為原點(diǎn)，則 高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具的刀尖振動方程為 y = asin(2 η ft) 工件的運(yùn)動方程為
2.一種高速連續(xù)徑向超聲振動切削裝置，其特征在于該裝置包括刀座、高速連續(xù)徑 向超聲振動切削刀具、刀座前蓋、刀座后蓋和航空插頭；高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具安裝在刀座內(nèi)，靠螺釘支撐固定，高速連續(xù)徑向超聲 振動切削刀具的前端蓋從刀座前蓋中間圓孔出伸出，高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具的激 勵源與航空插頭一端通過導(dǎo)線聯(lián)結(jié)；刀座前蓋安裝在刀座的前端；刀座后蓋安裝在刀座的 后端；航空插頭安裝在刀座后蓋的中心孔上，另一端與外部的超聲振動激勵電源相連接，接 受外部產(chǎn)生的振動激勵信號，傳給高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高速連續(xù)徑向超聲振動切削裝置，其特征在于所述的 高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具的前端蓋為一體加工成型的階梯軸結(jié)構(gòu)，一端設(shè)有用于安 裝刀具的刀槽，另一端為平板面，且平板面的中心設(shè)有供壓緊螺釘擰緊用的螺紋孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高速連續(xù)徑向超聲振動切削裝置，其特征在于所述的 激勵源用于產(chǎn)生加工時所需的超聲振動；具體包括絕緣套、銅電極、壓電陶瓷；銅電極、壓 電陶瓷間隔分布、通過粘結(jié)壓緊固定，絕緣套依次穿過銅電極和壓電陶瓷中心孔，將整個激 勵源貫穿，起到保持和絕緣的作用；銅電極通過導(dǎo)線與航空插頭聯(lián)結(jié)，接受相應(yīng)的激勵信 號。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高速連續(xù)徑向超聲振動切削裝置，其特征在于所述的 銅電極的數(shù)量較壓電陶瓷多1片，且保證激勵源的兩端各為1片銅電極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于高速狀態(tài)下的高速連續(xù)徑向超聲振動切削方法及其實(shí)現(xiàn)裝置，該方法有相應(yīng)的高速連續(xù)徑向超聲振動切削裝置的振動模式與切削工件的作用方向，高速連續(xù)徑向超聲振動切削裝置的振動參數(shù)與工件加工參數(shù)之間的選擇方法，相應(yīng)的裝置包括刀座、高速連續(xù)徑向超聲振動切削刀具、刀座前蓋、刀具、刀座后蓋和航空插頭。使用該方法的切削裝置切削速度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通切削速度，極大地?cái)U(kuò)展了超聲振動加工技術(shù)的應(yīng)用范圍，尤其適用于大直徑工件的切削加工。
文檔編號B23Q5/02GK102049531SQ20101053609
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月4日
發(fā)明者司品浩, 張德遠(yuǎn), 閻林松 申請人:北京航空航天大學(xué)