一种难加工航空材料高速轴向超声振动切削加工方法技术

本发明专利技术公开了一种难加工航空材料高速轴向超声振动切削加工方法，是利用轴向超声振动切削技术对难加工航空材料进行切削加工的一种新型机械加工方法。该加工方法通过采用轴向超声振动切削装置，辅以断续切削的工艺原理，能够极大地提高切削速度，缩短了加工时间、提高了加工效率和延长刀具寿命、降低加工成本。相比传统振动切削，极大地扩展了超声振动加工技术的应用范围。采用本发明专利技术加工方法更可以对难加工航空材料实现高速、高效、高质量的加工。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设计一种对难加工航空材料利用超声振动切削进行高速加工的方法，更特别地说，是指一种运用轴向超声振动技术，对难加工航空材料，尤其是钛合金与高温合金进行断续、高效、高质量切削加工的方法。
技术介绍
难加工材料是指难以进行切削加工的材料，即切削加工性差的材料。切削加工性等级代号5级以上的材料均属于难加工材料。《现代加工技术(第2版)》，第316页，主编左敦稳，北京航空航天大学出版社，2009年8月。按照刀具(刀片)与工件的运动方式以及刀具的形状可将切削加工划分为：车削、铣削、刨削、钻削、镗削、拉削、铰削、攻丝、插齿、滚齿等。以上各种加工都有自已的刀具，所以用于切削加工的刀具种类繁多。传统振动切削由于特殊的加工机理，虽然能够减小切削力，降低切削温度，提高极限切削能力和加工质量，但由于受到极限速度的制约，切削线速度很小(一般4～6m/min)，尤其是对难加工材料制成的大直径长轴或深孔等回转件，效率显得很低，在实际切削应用中受到了很大的限制。
技术实现思路
为了提高难加工航空材料的加工质量和加工效率，本专利技术的目的是提出一种适用于对钛合金或高温合金等难加工航空材料的大直径轴或深孔的高效加工方法，即高速轴向超声振动切削方法。该加工方法使用车削与镗削相结合实现难加工航空材料钛合金大直径长轴或深孔的加工，可以极大地缩短了加工时间，提高了难加工航空材料的加工质量。本专利技术加工方法尤其能够实现大直径长轴或孔的高速、高效、高质量加工。本专利技术提出了一种难加工航空材料高速轴向超声振动切削加工方法，该加工方法是通过在现有车床上安装轴向超声振动切削装置，并由轴向超声振动切削装置中的高速轴向超声振动切削刀具(2)产生的刀尖沿正弦轨迹振动，结合车床控制端设计的大直径长轴或深孔的难加工航空材料的几何特征，利用装夹和定位工艺实现；具体加工方式分为车削大直径长轴，以及镗削大直径长轴端部的深孔。车削大直径长轴：第一刀外圆车削条件：线速度250～300米/分，进给量0.005～0.015毫米/转，切削深度0.01～0.03毫米，振动频率约20KHz，电压50伏，电流1安培，双边振幅20微米；外圆车削过程：换刀程序执行，应用轴向超声振动切削装置(8)准备进行外圆车削；顶紧后要求工件右端圆跳动不大于0.005mm；移动支撑点，顺次进行第二刀外圆车削，直到完成外圆车削；镗削大直径长轴端部的深孔：第一刀深孔镗削条件：线速度150～250米/分，进给量0.005～0.015毫米/转，切削深度0.005～0.02毫米；深孔镗削过程：装夹已加工到所需余量的工件，夹紧要求距离卡盘位置10mm的跳动不大于0.002mm，右端面处的圆跳动不大于0.01mm；开启振动装置，开始按照预先生成的刀具轨迹指令进行镗削，直至加工到零件的规定尺寸。在本专利技术提出的一种难加工航空材料高速轴向超声振动切削加工方法中，开启预先调试好的振动车削装置，在工件轴向上给刀具施加振幅为8μm的超声频率大振幅振动，通过调节振动驱动源的相位，使刀具的振动成为一个正弦轨迹的振动，使得此后的切削过程中刀具处于轴向振动状态。本专利技术对大直径长轴或孔的高速轴向超声振动切削方法的优点在于：①通过高速断续振动的切削原理，突破了振动切削的速度限制，对于钛合金车削可以达到最高300m/min，相比普通车削提高了2到3倍；对于高温合金也可以相应提高2到3倍车削速度，从而实现高效加工的目的。在传统常规车削过程中，钛合金的切削速度范围约为80～150m/min，而高温合金的切削速度范围约为70～80m/min。因此切削加工效率受到了极大的限制。②在高速轴向超声振动切削加工过程中，采用大振幅(单边10微米)、微切深ap(0.008～0.010毫米)、超声频振动(20千赫兹左右)、相位控制进行加工，降低了工件的表面粗糙度，提高了工件的尺寸精度。③在高速切削状态下，刀具与工件、切屑会出现周期性分离或局部分离特性，切削力下降(为普通切削的50％～70％)，切削温度降低(下降1个数量级)，有效抑制了应力变形和热变形对工件质量的恶化。④本专利技术的加工方法，在数控车床上安装了与之相匹配的超声振动切削装置，提升了数控车床的加工能力，使得难加工航空材料的加工成本得以降低。附图说明图1是本专利技术设计的轴向超声振动切削装置的外部结构图。图1A是本专利技术设计的轴向超声振动切削装置的另一视角外部结构图。图1B是本专利技术设计的轴向超声振动切削装置的剖面结构图。图1C是本专利技术设计的轴向超声振动切削装置的分解图。图2是采用三维软件绘制得到的工件等轴示意图。图2A是采用三维软件绘制工件时的尺寸设定示意图。图3是本专利技术外圆车削加工过程示意图。图4是本专利技术深孔镗削加工过程示意图。图5A是本专利技术的振动形式示意图。图5B是本专利技术的刀尖运动轨迹示意图。图6是本专利技术的微观加工过程图。1.刀座2.高速轴向超声振动切削刀具201.压紧螺钉202.后端盖203.激励源204.绝缘套205.前端盖及变幅杆3.刀座前盖4.刀座后盖5.刀片6.航空插头7.机床三爪卡盘具体实施方式下面以加工TC4钛合金大直径长轴或深孔为例结合附图对本专利技术做进一步的详细说明。参见图1、图1A、图1B、图1C所示，本专利技术是在数控加工中心上安装与之相匹配的高速轴向超声振动切削装置，然后通过计算机以及安装在该计算机中的三维绘图软件和控制软件，对需要加工的零件(或称工件)进行切削控制加工。本专利技术是一种基于轴向超声振动对大直径长轴或孔类的难加工航空材料进行高效、高质量加工的方法，该加工方法包括有加工前准备和零件加工的步骤，对于零件加工分为车削大直径长轴，以及镗削大直径长轴端部的深孔。工件加工前准备步骤1－1：数字化零件构形，采用三维绘图软件(如CATIA/Autocad/Proe等)进行所需加工零件(TC4钛合金大直径长轴或孔)的三维构形；构形的图如图2所示。参见图2A所示，在本专利技术中，根据所需加工零件尺寸采用1:1的比例尺寸在三维绘图软件中进行零件构形，并将该尺寸信息输入给数控加工中心；在本专利技术中，零件尺寸包括有工件总长度L、外径D、孔长度h、深孔直径d。步骤1－2：调整数控机床，要求数控机床调整后主轴回转精度在0.02毫米内，尾顶尖回转中心线与数控加工中心主轴回转中心同轴度在0.05毫米内，尾顶尖压力在0.5Bar(巴)。步骤1－3：将高速轴向超声振动切削装置装夹在调整好的数控机床上，微调车削用刀片5于数控机床中心高相平。步骤1－4：调节高速轴向超声振动切削装置中高速轴向超声振动切削刀具2在加工时的振动参数为：振动频率为20千赫兹左右，刀片5的刀尖单边振幅为10μm。步骤1－5：毛坯件在加工前应进行粗车去皮，精车直轴找正，为防止在粗车过程中工件产生过大的残余应力，粗车吃刀量控制在0.5mm内，粗车后要求工件对于中心孔的圆跳动不大于0.03mm。此后，进行孔钻削加工，直至加工余量0.1mm。参见图1、图1A、图1B、图1C所示，本专利技术设计的轴向超声振动切削装置，该装置包括有刀座1、高速轴向超声振动切削刀具2、刀座前盖3、刀座后盖4、刀片5和航空插头6；高速轴向超声振动切削刀具2安装在刀座1内，靠螺钉支撑固定，且高速轴向超声振动切削刀具2的前端盖及变幅杆205从刀座前盖3中间圆孔伸出，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种难加工航空材料高速轴向超声振动切削加工方法，其特征在于：该加工方法是通过在现有车床上安装高速轴向超声振动切削装置，并由高速轴向超声振动切削装置产生的刀尖沿正弦轨迹振动，结合车床控制端设计的大直径长轴或深孔的难加工航空材料的几何特征，利用装夹和定位工艺实现；具体加工方式分为车削大直径长轴，以及镗削大直径长轴端部的深孔；车削大直径长轴：第一刀外圆车削条件：线速度250～300米/分，进给量0.005～0.015毫米/转，切削深度0.01～0.03毫米，振动频率约20KHz，电压50伏，电流1安培，双边振幅20微米；外圆车削过程：换刀程序执行，应用轴向超声振动切削装置(8)准备进行外圆车削；顶紧后要求工件右端圆跳动不大于0.005mm；移动支撑点，顺次进行第二刀外圆车削，直到完成外圆车削；镗削大直径长轴端部的深孔第一刀深孔镗削条件：线速度150～250米/分，进给量0.005～0.015毫米/转，切削深度0.005～0.02毫米；深孔镗削过程：装夹已加工到所需余量的工件，夹紧要求距离卡盘位置10mm的跳动不大于0.002mm，右端面处的圆跳动不大于0.01mm；开启振动装置，开始按照预先生成的刀具轨迹指令进行镗削，直至加工到零件的规定尺寸。...

【技术特征摘要】
1.一种难加工航空材料高速轴向超声振动切削加工方法，其特征在于：该加工方法是通过在现有车床上安装高速轴向超声振动切削装置，并由高速轴向超声振动切削装置产生的刀尖沿正弦轨迹振动，结合车床控制端设计的大直径长轴或深孔的难加工航空材料的几何特征，利用装夹和定位工艺实现；具体加工方式分为车削大直径长轴，以及镗削大直径长轴端部的深孔；车削大直径长轴：第一刀外圆车削条件：线速度250～300米/分，进给量0.005～0.015毫米/转，切削深度0.01～0.03毫米，振动频率约20KHz，电压50伏，电流1安培，双边振幅20微米；外圆车削过程：换刀程序执行，应用轴向超声振动切削装置(8)准备进行外圆车削；顶紧后要求工件右端圆跳动不大于0.005mm；移动支撑点，顺次进行第二刀外圆车削，直到完成外圆车削；镗削大直径长轴端部的深孔第一刀深孔镗削条件：线速度150～250米/分，进给量0.005～0.015毫米/转，切削深度0.005～0.02毫米；深孔镗削过程：装夹已加工到所需余量的工件，夹紧要求距离卡盘位置10mm的跳动不大于0.002mm，右端面处的圆跳动不大于0.01mm；开启振动装置，开始按照预先生成的刀具轨迹指令进行镗削，直至加工到零件的规定尺寸。2.根据权利要求1所述的一种难加工航空材料高速轴向超声振动切削加工方法，其特征在于：开启预先调试好的振动车削装置，在轴向上给刀具施加单边振幅为8μm的超声频率大振幅振动，通过调节振动驱动源的相位，使刀具的振动成为一个正弦轨迹的振动，使得此后的切削过程中刀具处于轴向振动状态。3.根据权利要求1所述的一种难加工航空材料高速轴向超声振动切削加工方法，其特征在于：该方法在一个从a点至e点的振动周期中，高速超声振动切削过程分为三个阶段：a点→b点为切入阶段，b点→c点为切出阶段，c点→e点为空切阶段；在高速超声振动切削过程中，刀具以振动平衡线为平衡位置做超声频率的振动。4.一种高速轴向超声...

【专利技术属性】
技术研发人员：张德远，张翔宇，隋翯，姜兴刚，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11