超声辅助切削力控制方法技术

本发明专利技术提供了一种超声辅助切削力控制方法，包括超声辅助系统搭建步骤、调控超声振动参数步骤以及调控切削力步骤；超声辅助系统搭建步骤：搭建二维椭圆超声辅助车削系统；调控超声振动参数步骤：在设定的超声振动辅助系统电源频率下，以不同的超声振动参数，配合固定的切削参数进行超声端面车削，通过测量切削力大小及观察材料去除模式、延/脆性域切削参数范围，得到材料去除最优参数；调控切削力步骤：固定超声振动参数，采用不同的切削参数，通过切削力和加工后工件表面粗糙度数值对比，得到最优切削参数下的最大切削力。

【技术实现步骤摘要】
超声辅助切削力控制方法
本专利技术涉及金属与复合材料异质界面加工
，具体地，涉及一种超声辅助切削力控制方法，尤其涉及一种金属、CFRP共固化材料的超声辅助加工过程中的切削力协调控制方法，其中CFRP是指碳纤维复合材料(CarbonFibreReinforcedPlastics)。
技术介绍
随着先进树脂基复合材料的快速发展，采用以轻量化、高性能为主要特征的复合材料化结构已经成为航空航天领域发展趋势。碳纤维复合材料(CarbonFiberReinforcedPolymer,CFRP)已经开始大量替代传统金属材料。某型号卫星的飞轮需要通过某金属材料作为具有一定转动惯量的旋转部件，而结构支撑部分由轻量化复合材料组成。零件毛坯制造过程中通过金属-复合材料共固化一体成形技术实现大力矩、轻量化、高精度、长寿命等设计要求。金属-复合材料异质材料加工仍然存在较多工艺问题，其中最显著的问题体现在对异质界面区域加工应力和缺陷的控制。超声振动加工技术利用刀具和工件的复合运动对加工表面进行作用，使工件材料逐步去除。国内外诸多研究已经证实了超声加工在复合材料加工中可以有效降低切削力，减少加工变形和加工损伤。如专利文献CN102049531B公开的一种基于高速状态下的高速连续径向超声振动切削方法及其实现装置，该方法有相应的高速连续径向超声振动切削装置的振动模式与切削工件的作用方向，高速连续径向超声振动切削装置的振动参数与工件加工参数之间的选择方法，相应的装置包括刀座、高速连续径向超声振动切削刀具、刀座前盖、刀具、刀座后盖和航空插头。同时，由于附加的超声振动作用可显著提高材料的临界切削深度，使材料去除模式更偏向于延性去除。因此，在相同的切削参数下，超声振动加工可减少加工过程中的应力集中并均化残余应力的分布。在加工异质材料界面区域过程中，超声辅助加工可以减小塑性-脆性材料去除方式的差异性以及由此产生的材料去除应力的差异性。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种超声辅助切削力控制方法。根据本专利技术提供的一种超声辅助切削力控制方法，包括超声辅助系统搭建步骤、调控超声振动参数步骤以及调控切削力步骤；超声辅助系统搭建步骤：搭建二维椭圆超声辅助车削系统；调控超声振动参数步骤：在设定的超声振动辅助系统电源频率下，以不同的超声振动参数，配合固定的切削参数进行超声端面车削，通过测量切削力大小及观察材料去除模式、延/脆性域切削参数范围，得到材料去除最优参数；调控切削力步骤：固定超声振动参数，采用不同的切削参数，通过切削力和加工后工件表面粗糙度数值对比，得到最优切削参数下的最大切削力。优选地，所述二维椭圆超声辅助车削系统包括可调节变幅杆和刀尖轨迹系统。优选地，所述超声辅助切削力控制方法能够应用在金属、CFRP共固化材料的超声辅助加工。优选地，所述二维椭圆超声辅助车削系统包括超声振动加工系统，所述超声振动加工系统包括夹心式锆钛酸铅陶瓷换能器、钛合金变幅杆、激光测振仪、测力仪以及车床加工系统。优选地，调控超声振动参数步骤中，超声振动辅助系统采用固定电源频率21.3khz，并采用满足下列范围的超声振动参数：功率范围为30％-90％、轴向振幅范围为0.9μm-4.9μm、前刀面方向振幅范围为1.3μm-10.9μm。优选地，调控超声振动参数步骤中，采用下列固定切削参数：转速1200rpm,切深0.2mm,进给量0.1mm/r。优选地，调控切削力步骤中，采用满足下列范围的切削参数：切削速度范围为40-100m/min,进给量范围为0.08-0.18mm/r,切削深度范围为0.5-1.5mm。优选地，最优切削参数下的最大切削力Fp＝46.14，Ff＝33.26，Fv＝79.77；粗糙度金属区域Ra为1.39μm，复材区域Ra为8.31μm。优选地，最优加工参数为转速1200rpm，切深1.5mm，进给0.1mm/r，电流系数为80％。根据本专利技术提供的一种超声辅助切削力控制方法，包括超声辅助系统搭建步骤、调控超声振动参数步骤以及调控切削力步骤；超声辅助系统搭建步骤：搭建二维椭圆超声辅助车削系统；调控超声振动参数步骤：在设定的超声振动辅助系统电源频率下，以不同的超声振动参数，配合固定的切削参数进行超声端面车削，通过测量切削力大小及观察材料去除模式、延/脆性域切削参数范围，得到材料去除最优参数；调控切削力步骤：固定超声振动参数，采用不同的切削参数，通过切削力和加工后工件表面粗糙度数值对比，得到最优切削参数下的最大切削力；所述二维椭圆超声辅助车削系统包括可调节变幅杆和刀尖轨迹系统；所述超声辅助切削力控制方法能够应用在金属、CFRP共固化材料的超声辅助加工；所述二维椭圆超声辅助车削系统包括超声振动加工系统，所述超声振动加工系统包括夹心式锆钛酸铅陶瓷换能器、钛合金变幅杆、激光测振仪、测力仪以及车床加工系统；调控超声振动参数步骤中，超声振动辅助系统采用固定电源频率21.3khz，并采用满足下列范围的超声振动参数：功率范围为30％-90％、轴向振幅范围为0.9μm-4.9μm、前刀面方向振幅范围为1.3μm-10.9μm；调控超声振动参数步骤中，采用下列固定切削参数：转速1200rpm,切深0.2mm,进给量0.1mm/r；调控切削力步骤中，采用满足下列范围的切削参数：切削速度范围为40-100m/min,进给量范围为0.08-0.18mm/r,切削深度范围为0.5-1.5mm；最优切削参数下的最大切削力Fp＝46.14，Ff＝33.26，Fv＝79.77；粗糙度金属区域Ra为1.39μm，复材区域Ra为8.31μm；最优加工参数为转速1200rpm，切深1.5mm，进给0.1mm/r，电流系数为80％。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术中，采用二维椭圆超声振动辅助加工，用于减小异质材料界面区域切削力差异性，保证了异质界面完整性和加工表面质量。采用此方法加工异质界面材料的过程中能够有效减小切削力幅值和方向上的差异以及加工引起的温度差异性，从而减小了由于热膨胀系数不同而引起的界面脱粘现象。方法通过协调超声振动系统参数和机械加工参数，达到对异质材料加工过程中切削力的最优控制。相比于普通车削，结果对比可知，本专利技术方法的整体切削力幅值超声加工减少约25％。使用超声加工后，在切削复材和金属区域切削力的差异性明显减少。一方面体现在切削力幅值差异减小；另一方面体现在切向力和轴向力的差异减小，可见超声加工能减少由材料方向差异性引起的切削力的差异性。使用超声加工使得切入、切出过程切削力变化过程更为平滑，突变性减少。如图3-6所示，在表面质量方面，工件表面质量和形貌有所改善，主要表面为异质界面Ra减少72％，Rz减少78％，复合材料部分几乎没有纤维拔出和脱离基体现象，且外圆切入边缘清晰，崩边现象大幅度减少。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声辅助切削力控制方法，其特征在于，包括超声辅助系统搭建步骤、调控超声振动参数步骤以及调控切削力步骤；/n超声辅助系统搭建步骤：搭建二维椭圆超声辅助车削系统；/n调控超声振动参数步骤：在设定的超声振动辅助系统电源频率下，以不同的超声振动参数，配合固定的切削参数进行超声端面车削，通过测量切削力大小及观察材料去除模式、延/脆性域切削参数范围，得到材料去除最优参数；/n调控切削力步骤：固定超声振动参数，采用不同的切削参数，通过切削力和加工后工件表面粗糙度数值对比，得到最优切削参数下的最大切削力。/n

【技术特征摘要】
1.一种超声辅助切削力控制方法，其特征在于，包括超声辅助系统搭建步骤、调控超声振动参数步骤以及调控切削力步骤；
超声辅助系统搭建步骤：搭建二维椭圆超声辅助车削系统；
调控超声振动参数步骤：在设定的超声振动辅助系统电源频率下，以不同的超声振动参数，配合固定的切削参数进行超声端面车削，通过测量切削力大小及观察材料去除模式、延/脆性域切削参数范围，得到材料去除最优参数；
调控切削力步骤：固定超声振动参数，采用不同的切削参数，通过切削力和加工后工件表面粗糙度数值对比，得到最优切削参数下的最大切削力。


2.根据权利要求1所述的超声辅助切削力控制方法，其特征在于，所述二维椭圆超声辅助车削系统包括可调节变幅杆和刀尖轨迹系统。


3.根据权利要求1所述的超声辅助切削力控制方法，其特征在于，所述超声辅助切削力控制方法能够应用在金属、CFRP共固化材料的超声辅助加工。


4.根据权利要求2所述的超声辅助切削力控制方法，其特征在于，所述二维椭圆超声辅助车削系统包括超声振动加工系统，所述超声振动加工系统包括夹心式锆钛酸铅陶瓷换能器、钛合金变幅杆、激光测振仪、测力仪以及车床加工系统。


5.根据权利要求3所述的超声辅助切削力控制方法，其特征在于，调控超声振动参数步骤中，超声振动辅助系统采用固定电源频率21.3khz，并采用满足下列范围的超声振动参数：
功率范围为30％-90％、轴向振幅范围为0.9μm-4.9μm、前刀面方向振幅范围为1.3μm-10.9μm。


6.根据权利要求5所述的超声辅助切削力控制方法，其特征在于，调控超声振动参数步骤中，采用下列固定切削参数：
转速1200rpm,切深0.2mm,进给量0.1mm/r。


7.根据权利要求3所述的超声辅助切削力控制方法，其特征在于，调控切削力步骤中，采用满足下列范围的切削参数：
切削速度范围为40-100m/min,进给量范围为0.08-0.18mm/r,切削深度范围为0.5-1.5mm。


8.根据权利要求7所述的超声辅助切削力控制方法，其特征在于，最优切削参数下的最大切...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡晓江，袁松梅，秦声，周如好，申振丰，唐宏亮，孙权权，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31