椭圆振动辅助微V型槽分层切削的加工方法

摘要

本发明公开了一种椭圆振动辅助微V型槽分层切削的加工方法，属于数控加工领域。首先根据工件进给方向和椭圆振动轨迹方向相对原则，根据刀具椭圆轨迹上最低点的运动方向，确定平移工件进给方向；根据配置的V型槽特征，对现有刀具进行修改，以满足目标微V型槽的特征；根据加工材料的相对可加工性等级和精度要求，采用均匀分层切削方式，设计一种分层椭圆振动辅助切削加工的方法，并对加工轨迹进行规划；建立微V型槽的表面形貌特征模型，根据V型槽表面粗糙度的影响因素，对加工参数进一步的修改，加工出满足要求的微V型槽减阻织构。本发明具有加工成本低、基准面适应性广等优点，在数控机床等平台上可以直接进行精密加工。

说明书

技术领域

本发明属于数控加工领域，特别是涉及到微V型槽减阻织构的高质量、低成本的加工方法。

背景技术

仿生研究表明，微V型槽微织构具有减阻、降噪、自清洁等许多优秀的性能，在机械制造、光学仪器、生物医学、航空航天等领域具有广阔的应用前景，实现V型槽的精密加工可以极大地提高产品的性能。目前发展出了激光表面织构技术、椭圆振动切削等技术，但是由于微织构尺寸小、精度要求高、形式多样等特点，这些技术存在着加工周期漫长、加工适应性差，难以大规模加工应用等问题，因此发展一种加工成本低、适应性广的微织构加工方法十分重要。分层切削在降低平均切削力、提高刀具寿命和抑制V型槽槽沿毛刺和缺陷产生等方面具有很大优势，因此，本发明以微V型槽减阻织构为目标，提出了一种基于椭圆振动辅助微V型槽分层切削的加工方法。

专利(CN104264133A)通过激光诱导技术，在内燃机活塞环摩擦表面加工出包含V型槽的多种微织构，但这种方法存在加工周期长、加工效率低等问题。专利(CN104228054A)通过利用UV-LIGA技术加工出具有鲨鱼皮微沟槽的镍模具，然后将模具弯曲固定在滚压机滚轮表面，通过压印原理，在工件表面大面积压印复制出鲨鱼皮微沟槽织构，利用此种方法虽然加工效率高，但是一种模具只能加工一种固定分布和形态的织构，种类单一，且工件材料必须是易变形的聚合物片材，限制较大；专利(CN101879685A)发明了一种复合超声椭圆振动切削装置，通过压电陶瓷产生的压电效应，将输入的电能转化为机械能，实现了鲨鱼皮结沟槽的加工，极大地提高了三维微结构表面形貌的加工精度，适合于制造仿鲨鱼皮结构蒙皮，但是该装置的缺陷是装置的振动输出不稳定，难以长时间切削加工；此外，在涉及到椭圆振动技术中多数专利都集中在微小微织构的一次性成型，在分层切削微织构方面的研究较少。

因此，为了克服现有加工方式中存在的不足之处，解决微织构加工中存在的基准面适应性差、加工周期长等问题，本文基于椭圆振动辅助切削技术，设计一种均匀分层切削的加工方式，根据椭圆振动辅助切削轨迹和加工材料的相对可加工性等级及加工精度要求，确定合适的分层层数，得到椭圆振动辅助分层切削加工轨迹，进行V型槽的加工。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种椭圆振动辅助微V型槽减阻织构分层切削的加工方法，可以解决V型槽织构加工中存在的成本高、加工适应性差等问题。

为了达到上述目的，本发明的解决方案是：

1、一种分层椭圆振动辅助切削微V型沟槽的加工方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)基于椭圆振动轨迹的方向和工件进给方向相对性原则，采用刀具作椭圆运动,工件作平移进给运动的运动关系,并确定工件的进给方向；

基于椭圆振动轨迹的方向和工件进给方向相对性原则，首先应根据刀具椭圆运动轨迹方向为顺时针或逆时针，得到刀具在椭圆轨迹上最低点的运动方向；其次，工件的平移进给方向应与刀具在椭圆最低点的运动方向相反，便可确定工件的平移进给方向；

(2)根据待加工等截面V型槽的形状特征，对现有的刀具进行修改，设计与制造合适的用于加工V型槽的刀具；

设待加工等截面V型槽的宽度为l，深度为h，顶角为θ，但是在实际加工中，由于刀具刀尖半径r的存在，实际加工出的等截面V型槽槽底为圆弧状，且圆弧状的垂直高度为h′，根据等截面V型沟槽形状的对称性，其尺寸参数之间的关系如下所示：

当待加工等截面V型槽的深度h＞h′时，所对应的宽度l为：

当待加工等截面V型槽的深度h＜h′时，V型槽实际为圆弧状沟槽，其所对应的宽度l′为：

根据刀具成形法的基本原理，刀具应满足待加工等截面V型槽的外形特征：

其中，α为刀尖角，c为刀具切削刃的长度；

若刀具不满足，则对现有的刀具进行修改，即线切割处理，直到满足待加工等截面V型槽特征要求；

(3)基于待加工等截面V型槽的加工精度要求和椭圆振动辅助切削轨迹，采用均匀分层加工方式，设计椭圆振动辅助V型槽分层切削的加工轨迹；

二维的椭圆振动轨迹方程如下所示：

其中，A为切削方向的振动，B为切深方向的振幅；f为振动频率；

工件的平移进给速度v_cut，初始切削深度为D,因此，刀具相对于工件的加工轨迹如下式(6)所示：

根据待加工等截面V型槽的尺寸特征，采取均匀分层切削方式，确定合理的切削层数，即根据精度要求和加工材料的相对可加工性等级，确定每层的切削厚度；根据加工材料所允许的切削速度v_T确定其相对加工性等级K_v，其计算公式如下所示：

K_v＝v_T/v₆₀>

其中，v_T为加工材料的允许切削速度，v₆₀为45^#钢材料的允许切削速度；

根据相对加工性等级和表面粗糙度要求，便可确定其合适的加工厚度d′，最后再根据待加工等截面V型沟槽的深度h便可确定具体的均匀分层加工层数n，如下式(8)所示：

(4)建立基于椭圆振动辅助切削的V型沟槽形貌模型，推导其形态特征参数，并根据特征参数，确定V型槽表面粗糙度的影响因素，根据影响因素，预测V型槽槽壁表面质量变化规律；

根据刀具运动轨迹和V型槽表面形貌模型，可以得到其理论形貌参数：切削深度h，最大残余高度Δh和纹路表面波峰之间的间距s，如下公式所示：

h＝D+Δh (9)

其中和待加工等截面V型沟槽表面粗糙度有关的两个参数是最大残余高度Δh和表面纹路上波峰之间的间距s，影响V型槽表面粗糙度的因素有工件平移进给速度v_cut，椭圆振动装置两个方向的振幅A、B，以及共振频率f，因此，为了减少V型沟槽的表面粗糙度值，可以减少切深方向振幅B和工件平移进给速度v_cut，或者增大切削方向振幅A和激励频率f；

(5)根据已经确立的分层层数和加工轨迹进行等截面微V型沟槽的加工；

本发明采用刀具作椭圆运动，工件作平移进给运动的运动关系，利用椭圆振动辅助切削技术，提出了一种基于椭圆振动辅助切削的均匀分层加工方式，用于切削加工等截面的微V型槽，并建立了基于该加工技术的V型槽形貌模型，该方法是一种新型的等截面V型槽加工方式，解决了加工过程中V型槽槽边毛刺的产生等问题，提高了微V型槽精度和表面质量。

附图说明

图1是本发明中椭圆振动方向和工件相对进给方向示意图；

图2是本发明中简化V型槽截面示意图；

图3是本发明中加工V型槽所需要的刀具示意图；

图4是本发明中刀具运动轨迹示意图；

图5是本发明中分层椭圆振动辅助切削加工V型槽示意图；

图6是本发明中V型槽加工形貌及其参数示意图；

图7是本发明中利用分层椭圆振动辅助加工在45^#钢工件表面的V型沟槽三维形貌图；

具体实施方式

以下结合附图1至7，对本发明的技术方案进行详细说明。

1、一种分层椭圆振动辅助切削微V型沟槽的加工方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)基于椭圆振动轨迹的方向和工件进给方向相对性原则，采用刀具作椭圆运动,工件作平移进给运动的运动关系,并确定工件的进给方向；

基于椭圆振动轨迹的方向和工件进给方向相对性原则，首先应根据刀具椭圆运动轨迹方向为顺时针或逆时针，得到刀具在椭圆轨迹上最低点的运动方向；其次，工件的平移进给方向应与刀具在椭圆最低点的运动方向相反，如图1所示，便可确定工件的平移进给方向；

(2)根据待加工等截面V型槽的形状特征，对现有的刀具进行修改，设计与制造合适的用于加工V型槽的刀具；

设待加工等截面V型槽的宽度为l，深度为h，顶角为θ，如图(2)a所示，但是在实际加工中，由于刀具刀尖半径r的存在，实际加工出的等截面V型槽槽底为圆弧状，且圆弧状的垂直高度为h＇，如图2(b)所示，根据等截面V型沟槽形状的对称性，其尺寸参数之间的关系如下所示：

当待加工等截面V型槽的深度h＞h′时，所对应的宽度l为：

当待加工等截面V型槽的深度h＜h′时，V型槽实际为圆弧状沟槽，其所对应的宽度l′为：

根据刀具成形法的基本原理，刀具应满足待加工等截面V型槽的外形特征：

其中，α为刀尖角，c为刀具切削刃的长度；

若刀具不满足，则对现有的刀具进行修改，即线切割处理，如图3所示，直到满足待加工等截面V型槽特征要求；

(3)基于待加工等截面V型槽的加工精度要求和椭圆振动辅助切削轨迹，如图4所示，采用均匀分层加工方式，其分层截面如图5(a)所示，设计椭圆振动辅助V型槽分层切削的加工轨迹，如图5(b)所示；

二维的椭圆振动轨迹方程如下所示：

其中，A为切削方向的振动，B为切深方向的振幅；f为振动频率；

工件的平移进给速度v_cut，初始切削深度为D,因此，刀具相对于工件的加工轨迹如下式(6)所示：

根据待加工等截面V型槽的尺寸特征，采取均匀分层切削方式，确定合理的切削层数，即根据精度要求和加工材料的相对可加工性等级，确定每层的切削厚度；根据加工材料所允许的切削速度v_T确定其相对加工性等级K_v，其计算公式如下所示：

K_v＝v_T/v₆₀>

其中，v_T为加工材料的允许切削速度，v₆₀为45^#钢材料的允许切削速度；

根据相对加工性等级和表面粗糙度要求，便可确定其合适的加工厚度d′，最后再根据待加工等截面V型沟槽的深度h便可确定具体的均匀分层加工层数n，如下式(8)所示：

(4)建立基于椭圆振动辅助切削的V型沟槽形貌模型，如图6所示，推导其形态特征参数，并根据特征参数，确定V型槽表面粗糙度的影响因素，根据影响因素，预测V型槽槽壁表面质量变化规律；

根据刀具运动轨迹和V型槽表面形貌模型，可以得到其理论形貌参数：切削深度h，最大残余高度Δh和纹路表面波峰之间的间距s，如下公式所示：

h＝D+Δh (9)

上述公式中，D为每一层的初始切削深度，v_cut为工件的平移进给速度；

其中和待加工等截面V型沟槽表面粗糙度有关的两个参数是最大残余高度Δh和表面纹路上波峰之间的间距s，影响V型槽表面粗糙度的因素有工件平移进给速度v_cut，椭圆振动装置两个方向的振幅A、B，以及共振频率f，因此，为了减少V型沟槽的表面粗糙度值，可以减少切深方向振幅B和工件平移进给速度v_cut，或者增大切削方向振幅A和激励频率f；

(5)根据已经确立的分层层数和加工轨迹进行等截面V型槽的加工，所加工的V型槽三维形貌如图7所示；

以上实例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所作的任何改动，均落入本发明保护范围之内。