一种难加工航空材料高速轴向超声振动切削加工方法及装置

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

为了提高难加工航空材料的加工质量和加工效率，本发明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。本发明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。

本发明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。

在本发明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。

本发明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a_p(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本发明的加工方法，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是本发明设计的轴向超声振动切削装置的外部结构图。

图1A是本发明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是本发明设计的轴向超声振动切削装置的剖面结构图。

图1C是本发明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是本发明外圆车削加工过程示意图。

图4是本发明深孔镗削加工过程示意图。

图5A是本发明的振动形式示意图。

图5B是本发明的刀尖运动轨迹示意图。

图6是本发明的微观加工过程图。

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发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A、图1B、图1C所示，本发明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。

本发明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，在本发明中，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；在本发明中，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，本发明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，高速轴向超声振动切削刀具2中的激励源203与航空插头6一端用导线联结；刀座前盖3安装在刀座1的前端，刀座后盖4安装在刀座1的后端；航空插头6安装在刀座后盖4的中心孔上，另一端与外部的超声振动激励电源连接，接受外部产生的振动激励信号，传给高速轴向超声振动切削刀具2。

刀座1用于固定高速轴向超声振动切削刀具的高速轴向超声振动切削刀具2，其一侧有突出的夹持结构，用于机床夹紧装置夹紧。

高速轴向超声振动切削刀具2用于产生加工时所需的轴向超声振动。

高速轴向超声振动切削刀具2包括有压紧螺钉201、后端盖202、激振源203、绝缘套204、前端盖及变幅杆205。

压紧螺钉201的螺纹端顺次穿过后端盖202、激振源203内孔和绝缘套204后，螺纹连接在前端盖及变幅杆205的螺纹内孔，从而实现将后端盖202、激振源203以及前端盖及变幅杆205的紧固在一起。

激振源203用于产生加工时所需的超声振动。

绝缘套204为于激振源203内孔和压紧螺钉201中间。

前端盖及变幅杆205为一体加工成型带圆角过渡阶梯轴结构，前端盖及变幅杆205一端设有用于安装刀片5的刀槽，前端盖及变幅杆205的另一端为平板面，且平板面中心设有供压紧螺钉201拧紧用的螺纹孔。

在本发明中，选用一个激振源203能够实现一个方向的振动。在图3中，激烈源203产生一个弯曲振动，在图4中，激励源203产生沿着激烈源的纵向振动。

在本发明中，镗削时，如图1所示刀片5的位置是侧向的，车削时，如图1B所示刀片5的位置是在前端盖及变幅杆205前端，综合激烈源203不同的振动形式，其刀尖的振动均为沿着工件的轴向方向产生。它们都能够突破常规振动切削存在的速度极限。因此可以提高加工速度。

实施例1

车削大直径长轴

本发明采用车削工艺对大直径长轴进行基于轴向超声振动进行高效、高质量加工的方法，难加工航空材料选用TC4钛合金，该加工方法包括有加工前准备和零件加工的步骤：

(一)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)进行所需加工大直径长轴零件的三维构形；构形的图如图2所示。

参见图2A所示，在本发明中，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；在本发明中，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的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。

(二)大直径长轴零件加工

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；

参见图3所示，外圆车削过程：换刀程序执行，应用高速轴向超声振动切削刀具2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。

参见图5A、图5B所示，开启预先调试好的振动车削装置，在轴向上给刀片5施加一个超声频率的大振幅振动，所述超声频率的大振幅振动是由高速轴向超声振动切削刀具2提供的，其单边振幅为10μm；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，开始按照预先生成的刀具轨迹指令进行车削，直至加工到零件的规定尺寸。在高速断续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a_p(0.01～0.03毫米)、超声频振动(20千赫兹)、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。

切削微观过程如图6所示，其为图5B所示刀具在进给平面中A-A′的剖面图，一个振动周期(从a点至e点)中高速超声振动切削过程可以分为三个阶段：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。

在每个切削周期中，刀片5从a点开始切入工件，切屑宽度l_r逐渐增加，到b点时整个切削过程的切屑宽度最大，b点时工件加工表面上的位置最低点，在所述切入阶段的刀片的动态前角β₁呈现一个由小变大再变小的过程，且都要大于刀片的理论前角β₂，动态后角α₁则与之相反，都要小于刀片的理论后角α₂；当刀片5处于切削周期的切出阶段时，从b点开始切屑宽度逐渐减小，到c点时整个切削周期对加工表面的影响结束，在所述切出阶段的刀片的动态前角β₁要小于刀片的理论前角β₂，动态后角α₁同样与之相反，要大于刀片的理论后角α₂。同时，在b点→c点的切出阶段刀片回拉，切削进给宽度f_r减小，且刀片在切屑宽度l_r方向上的速度逐渐加快，切屑与前刀面产生的摩擦力方向发生反转，这对于吃刀抗力的减小有利；c点→e点是整个切削周期的空切阶段，从c点开始刀片与工件及切屑分离，实现了断续切削，整个阶段内刀片与工件已加工表面完全不接触，切削力降低为0，刀片对工件的表面形貌不产生任何影响；当刀片到达e点时一个切削周期过程结束，因此a点→e点是一个完整的切削周期，此后刀片开始下一次与工件接触，开始下一个切削周期。这样就是刀片、工件、切屑之间周期性分离的断续切削过程。

在图6中，动态前角β₁是指刀片5的前刀面与刀尖圆弧切线之间的夹角。动态后角α₁是指刀片5的后刀面与刀尖圆弧切线之间的夹角。

进给量f_r是指工件外轮廓线与振动平衡线之间和间距。

切屑宽度l_r是指刀片5的前刀面与工件的待加工面之间的间距。

在本发明中，移动支撑点，然后进行第二刀车削、第三刀车削、……，直到完成大直径长轴的外圆车削。

采用本发明的外圆车削加工方法在加工过程中应重点注意以下方面：

(1)每转进给量不大于单边振幅0.01毫米，防止由于进给量过大而变断续切削为连续切削。

(2)实时监控刀片5的磨损状态，一旦发现刀片5磨损状态出现，即更换刀片5；

(3)主轴转速(记为n)要根据切削用具、切削条件，满足(其中A为振幅，D为工件外径，ω为超声振动角频率，α₂为刀片理论后角，π＝3.14)条件下，合理选择避免刀具磨损。

(4)尾顶尖部位应保证充分的润滑油润滑，且不能有切屑等杂物干扰；

(5)切削过程中，间断放松尾顶尖释放应力，保证工件内不存在长时间的残余应力。

实施例2

镗削深孔

本发明采用镗削工艺对大直径长轴端部的深孔进行高效、高质量加工的方法，难加工航空材料选用TC4钛合金，该加工方法包括有加工前准备和零件加工的步骤：

(一)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)进行所需加工大直径长轴零件的三维构形；构形的图如图2所示。

参见图2A所示，在本发明中，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；在本发明中，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。

步骤1－3：将高速轴向超声振动切削刀具2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8μm。

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。

(二)深孔零件加工

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；

参见图4所示，内孔镗削过程：装夹已加工到所需余量的工件，夹紧要求距离机床三爪卡盘7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。

参见图5A、图5B所示，开启预先调试好的振动车削装置，在轴向上给刀片5施加一个超声频率的大振幅振动，所述超声频率的大振幅振动是由高速轴向超声振动切削刀具2提供的，其单边振幅为8μm；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，开始按照预先生成的刀具轨迹指令进行车削，直至加工到零件的规定尺寸。在高速断续轴向超声振动切削加工过程中，采用大振幅(单边8微米)、微切深a_p(0.005～0.02毫米)、超声频振动(20千赫兹)、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。

切削微观过程如图6所示，其为图5B所示刀具在进给平面中A-A′的剖面图，一个振动周期(从a点至e点)中高速超声振动切削过程可以分为三个阶段：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。

在每个切削周期中，刀片5从a点开始切入工件，切屑宽度l_r逐渐增加，到b点时整个切削过程的切屑宽度最大，b点时工件加工表面上的位置最低点，在所述切入阶段的刀片的动态前角β₁呈现一个由小变大再变小的过程，且都要大于刀片的理论前角β₂，动态后角α₁则与之相反，都要小于刀片的理论后角α₂；当刀片5处于切削周期的切出阶段时，从b点开始切屑宽度逐渐减小，到c点时整个切削周期对加工表面的影响结束，在所述切出阶段的刀片的动态前角β₁要小于刀片的理论前角β₂，动态后角α₁同样与之相反，要大于刀片的理论后角α₂。同时，在b点→c点的切出阶段刀片回拉，切削进给宽度f减小，且刀片在切屑宽度l_r方向上的速度逐渐加快，切屑与前刀面产生的摩擦力方向发生反转，这对于吃刀抗力的减小有利；c点→e点是整个切削周期的空切阶段，从c点开始刀片与工件及切屑分离，实现了断续切削，整个阶段内刀片与工件已加工表面完全不接触，切削力降低为0，刀片对工件的表面形貌不产生任何影响；当刀片到达e点时一个切削周期过程结束，因此a点→e点是一个完整的切削周期，此后刀片开始再次与工件接触，开始下一个切削周期。这样就是刀片、工件、切屑之间周期性分离的断续切削过程。

在图6中，动态前角β₁是指刀片5的前刀面与刀尖圆弧切线之间的夹角。动态后角α₁是指刀片5的后刀面与刀尖圆弧切线之间的夹角。

进给量f_r是指工件外轮廓线与振动平衡线之间和间距。

切屑宽度l_r是指刀片5的前刀面与工件的待加工面之间的间距。

在本发明中，然后进行第二刀车削、第三刀车削、……，直到完成深孔的镗削。

采用本发明的镗削加工方法在加工过程中应重点注意以下方面：

(1)每转进给量不大于单边振幅0.008毫米，防止由于进给量过大而变断续切削为连续切削。

(2)实时监控刀片5的磨损状态，一旦发现刀片5磨损状态出现，即更换刀片5；

(3)主轴转速(n)要根据切削用具、切削条件，满足(其中A为振幅，D为工件外径，ω为超声振动角频率，α₂为刀片理论后角)条件下，合理选择避免刀片磨损。

(4)实时的观察工件的振动情况，合理控制切削速度，防止颤振，以免造成深孔划伤和表面质量变差。

本发明提出的一种难加工航空材料的高速断续超声振动车(镗)削加工方法，是利用轴向超声振动切削技术，对大直径长轴或孔等难加工航空材料件，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，极大提高了切削速度，缩短了加工时间、提高了加工效率，延长刀具寿命、降级加工成本，优化表面质量、抑制颤振、提高加工质量。采用本发明加工方法更可以对钛合金，高温合金等难加工航空材料工件实现高速、高效、高质量的加工。高速轴向超声振动切削由于其特有的运动轨迹和切削原理，使得其既具有大幅度降低切削抗力(约为普通切削抗力的50％-70％左右)，降低切削温度，提高极限切削能力，振动不灵敏特性，加工表面质量优异等一系列显著的特点，同时又突破了难加工材料切削极限速度(大于100米/分)，切削效率有效提高。可见，高速轴向超声振动切削是一种加工难加工航空材料有效且高效的方法。