一种改性碳纤维复合材料超声辅助磨削装置及磨削方法

摘要

本发明公开了一种改性碳纤维复合材料超声辅助磨削装置及磨削方法，包括刀柄本体、非接触式传输单元、超声刀柄、刀具、超声电源和超声振动工作台，刀柄本体与机床主轴相连，非接触式传输单元包括原边和副边，原边和副边均套设在刀柄本体外侧，副边设在原边下方，原边通过定位件与机床固定部分固定，副边与刀柄本体固定，超声刀柄固定在刀柄本体底部，刀具安装在超声刀柄底部，超声电源与原边相连，超声振动工作台设在刀具下方，超声振动工作台上设有圆形回转台，工件设在圆形回转台上，本发明提供的一种改性碳纤维复合材料超声辅助磨削装置及磨削方法，能够有效调控加工区域纤维切削方向角与内冷功能。

说明书

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，具体涉及一种改性碳纤维复合材料超声辅助磨削装置及磨削方法。

背景技术

诸如C/C，C/SiC等陶瓷基碳纤维复合材料具有质轻、耐烧蚀、热化学性能稳定等优良特性，作为热防护部件被广泛应用于航空航天、交通能源等领域。为了进一步提高此类材料的耐烧蚀性能，Cu、Zr等金属被引入上述材料中，形成了一类改性碳纤维复合材料。该类材料是典型的难加工材料，碳纤维及基体均为硬脆性材料，硬度大、断裂韧性低，加工过程中切削力大，切削区域温度高，材料极易以脆性方式去除，加工表面质量差，刀具磨损严重。现有研究表明，磨削是该类材料较为可行的加工方式，但Cu等塑性金属在加工过程中极易堵塞砂轮，往往导致容屑空间快速下降，加工区域温度进一步提高，砂轮磨损严重，严重限制了加工效率及加工质量。

超声辅助磨削技术是一种特种加工技术，其复合了传统超声加工和磨削加工的材料去除方式，被证明是一种有效的硬脆性材料加工方法，在降低切削力、切削温度，提高加工质量，延长刀具寿命方面具有显著优势。目前，一维超声辅助磨削技术已被广泛应用于复合材料加工中，大量研究表明，纤维切削方向角(磨粒切削方向与纤维轴向间的夹角)是影响加工效率与质量的重要因素，但现有超声加工技术对纤维切削方向角的调控能力有限。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种改性碳纤维复合材料超声辅助磨削装置及磨削方法，能够有效调控加工区域纤维切削方向角。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种改性碳纤维复合材料超声辅助磨削装置，包括刀柄本体、非接触式传输单元、超声刀柄、刀具、超声电源和超声振动工作台，所述刀柄本体与机床主轴相连且通过机床主轴带动转动，所述非接触式传输单元包括原边和副边，所述原边和副边均套设在刀柄本体外侧，所述副边设在所述原边下方，所述原边通过定位件与机床固定部分固定，所述副边与所述刀柄本体固定，所述超声刀柄固定在所述刀柄本体底部，所述刀具安装在所述超声刀柄底部，所述超声电源与原边相连，所述超声电源将电能从所述原边传输至所述副边，所述副边将电能传递至所述超声刀柄，所述超声刀柄带动所述刀具沿竖直方向进行超声振动，所述超声振动工作台设在所述刀具下方且与超声电源相连，所述超声振动工作台上设有圆形回转台，工件设在所述圆形回转台上，所述圆形回转台带动工件旋转，所述超声振动工作台带动工件沿水平面横向或纵向方向进行超声振动，使工件与所述刀具产生周期性分离，所述刀柄本体、所述超声刀柄到所述刀具间设有贯通的冷却通路。

进一步地，所述原边包括原边套筒、原边磁芯和原边线圈，所述原边套筒通过定位件与机床固定部分固定，所述原边磁芯固定在原边套筒内侧，所述原边磁芯底部设有原边磁芯环形槽，所述原边线圈设在所述原边磁芯环形槽内。

进一步地，所述副边包括副边套筒、副边磁芯和副边线圈，所述副边套筒与所述刀柄本体固定，所述副边磁芯固定在副边套筒内侧，所述副边磁芯顶部设有副边磁芯环形槽，所述副边线圈设在所述副边磁芯环形槽内。

进一步地，所述改性碳纤维复合材料超声辅助磨削装置还包括连接套筒，所述连接套筒固定在所述原边顶部且套设在所述刀柄本体上，所述冷却通路包括第一流道，所述第一流道设在所述连接套筒中间，所述连接套筒和所述刀柄本体间设有环形腔，所述环形腔内设有密封圈，所述环形腔和所述第一流道连通。

进一步地，所述冷却通路还包括第二流道，多个所述第二流道沿径向贯通且周向等间隔分布在所述刀柄本体内，所述第二流道与环形腔连通。

进一步地，所述超声刀柄包括后盖板、前盖板、压电陶瓷和电极片，所述前盖板和所述刀柄本体底部固定，所述后盖板设在所述刀柄本体的内腔内，所述前盖板和所述后盖板之间设有多个所述压电陶瓷和多个所述电极片，所述压电陶瓷和所述电极片交替放置，所述压电陶瓷和所述电极片内侧设有绝缘套筒，所述前盖板和所述后盖板通过穿设所述绝缘套筒的紧固件相连。

进一步地，所述后盖板外侧面和刀柄本体内腔间设有密封圈。

进一步地，所述冷却通路还包括第三流道和第四流道，所述紧固件中心设有竖直方向的第三流道，所述第三流道和刀柄本体内腔连通，所述前盖板内设有第四流道，所述第四流道和所述第三流道连通。

进一步地，所述刀具中心设有盲孔，所述盲孔和所述第四流道连通，所述刀具外侧面设有螺旋排屑槽，多个所述螺旋排屑槽关于所述刀具呈中心对称，每一所述螺旋排屑槽靠近所述刀具底部设有倾斜孔，所述倾斜孔与所述盲孔连通。

一种改性碳纤维复合材料超声辅助磨削方法，包括：

S1、依据工件加工部位结构，编制圆形回转台G代码，保证加工过程中工件平行或垂直于刀具进给方向振动；

S2、对工件加工表面附近的纤维分布方向进行分析，计算刀具、工件振动振幅及两者间的相位差得到纤维切削方向角，基于优选纤维切削方向角范围设置两者振幅与相位差，设定超声电源输出信号幅值与相位；

S3、开启冷却气体供应装置，对工件侧面进行超声辅助磨削加工。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明所述的一种改性碳纤维复合材料超声辅助磨削装置，工件的超声振动可间歇打开加工区域，利于排屑、冷却。

2.本发明所述的一种改性碳纤维复合材料超声辅助磨削装置，通过工件、刀具振动振幅及相位差调控，可有效控制加工区域纤维切削方向角，从而提高加工表面质量。

3.本发明所述的一种改性碳纤维复合材料超声辅助磨削装置，装置内部的冷却流道及刀具表面的螺旋排屑槽构成了冷却通路，该通路允许冷却气体或冷却液流经刀柄内部，穿过超声刀柄从刀具底部喷出，可在工件与刀具分离期间直接进入加工区域，冷却加工部位，并冲洗、带走切屑，进一步强化超声辅助磨削工艺优势，同时可抑制超声刀柄温升，提高其工作稳定性

4.本发明所述的一种改性碳纤维复合材料超声辅助磨削装置，可直接在普通机床上使用，无需专用超声加工机床或内冷机床，扩展了超声辅助磨削的应用场景。

附图说明

图1为本发明改性碳纤维复合材料超声辅助磨削装置结构示意图。

图2为本发明改性碳纤维复合材料超声辅助磨削装置局部放大示意图。

图3为连接套筒示意图。

图4为刀具结构示意图。

图5为超声振动工作台结构示意图。

图6为超声辅助磨削中加工区域示意图。

图7为工件与刀具振动相位角为π/4时磨粒运动轨迹。

图8为工件与刀具振动相位角为2π/3时磨粒运动轨迹。

其中：1-机床固定部分；2-定位件；3-原边套筒；4-工件；5-圆形回转台；6-超声振动工作台；7-刀柄本体；8-副边套筒；9-螺栓；10-连接套筒；11-机床主轴；12-密封圈；13-第一流道；14-原边磁芯；15-原边线圈；16-副边线圈；17-副边磁芯；18-ER夹头弹性体；19-ER螺帽；20-刀具；21-第四流道；22-前盖板；23-压电陶瓷；24-绝缘套筒；25-电极片；26-后盖板；27-紧固件；28-第三流道；29-刀柄本体内腔；30-第二流道；31-盲孔；32-倾斜孔；33-螺旋排屑槽；34-连接套筒密封件槽；a-过盈配合。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

现有技术中，纤维切削方向角(磨粒切削方向与纤维轴向间的夹角)是影响加工效率与质量的重要因素，但现有超声加工技术对纤维切削方向角的调控能力有限。

本发明提出一种改性碳纤维复合材料超声辅助磨削装置，参照图1和图2所示，包括刀柄本体7、非接触式传输单元、超声刀柄、刀具20、超声电源和超声振动工作台6，刀柄本体7与机床主轴11相连且通过机床主轴11带动转动，非接触式传输单元包括原边和副边，原边和副边均套设在刀柄本体7外侧，副边设在原边下方，原边通过定位件2与机床固定部分1固定，副边与刀柄本体7固定，超声刀柄固定在刀柄本体7底部，刀具20安装在超声刀柄底部，超声电源与原边相连，超声电源将电能从原边传输至副边，副边将电能传递至超声刀柄，超声刀柄带动刀具20沿竖直方向进行超声振动，超声振动工作台6设在刀具20下方且与超声电源相连，超声电源带动超声振动工作台6振动，超声振动工作台6上设有圆形回转台5，工件4设在圆形回转台5上，圆形回转台5带动工件4旋转，超声振动工作台6带动工件4沿水平面横向或纵向方向进行超声振动，使工件4与刀具20产生周期性分离，刀柄本体7、超声刀柄到刀具20间设有贯通的冷却通路。

在使用过程中，原边通过定位件2与机床固定部分1固定不动，机床主轴11带动刀柄本体7转动，进而带动固定在刀柄本体7底部的超声刀柄转动，从而带动安装在超声刀柄底部的刀具20转动，通过超声电源与原边相连，将电能从原边传输至副边，副边将电能传递至超声刀柄，超声刀柄带动刀具20沿竖直方向进行超声振动，超声振动工作台6带动工件4沿水平面横向或纵向方向进行超声振动，使工件4与刀具20间即可产生周期性分离，通过上述装置设计及工艺参数调控，可使得刀具20磨粒相对于工件4的运动轨迹变为复杂的空间三维曲线，同时由于工件4与刀具20周期性分离，刀具20上的磨粒在单个振动周期内只在某一时间段内切削工件4，这一现象为调控切削行为提供了基础；调节刀具20、工件4振动振幅，可以调控磨粒单振动周期内切削工件4的时间长度，调节刀具20、工件4振动相位差，可以调控磨粒单周期内切削工件4的时刻，进而有效控制纤维切削方向角(磨粒运动方向与纤维轴向间的夹角)。

参照图6所示，设水平面横向为X方向，水平面纵向方向为Y方向，竖向方向Z方向。参照图7所示，为工件4与刀具20振动相位角为π/4时磨粒运动轨迹。参照图8所示，为工件4与刀具20振动相位角为2π/3时磨粒运动轨迹。可以调节刀具20、工件4振动振幅，可以调控磨粒单振动周期内切削工件4的时间长度，调节刀具20、工件4振动相位差，可以调控磨粒单周期内切削工件4的时刻，进而有效控制纤维切削方向角(磨粒运动方向与纤维轴向间的夹角)。

刀柄本体7、超声刀柄到刀具20间设有贯通的冷却通路，外部气源的气体经过刀柄本体内腔进入超声刀柄内部，最后经刀具20内部向外排出，并带走磨屑。

圆形回转台5可由数控系统控制，可带动工件4旋转。

参照图2所示，原边包括原边套筒3、原边磁芯14和原边线圈15，原边套筒3通过定位件2与机床固定部分1固定，原边磁芯14通过圆周方向六个均布的紧定螺钉固定在原边套筒3内侧，原边磁芯14底部设有原边磁芯环形槽，原边线圈15设在原边磁芯环形槽内。

参照图2所示，副边包括副边套筒8、副边磁芯17和副边线圈16，副边套筒8与刀柄本体7通过过盈配合a连接，副边磁芯17通过圆周方向六个均布的紧定螺钉固定在副边套筒8内侧，副边磁芯17顶部设有副边磁芯环形槽，副边线圈16设在副边磁芯环形槽内。

原边磁芯14、原边套筒3和刀柄本体7同轴设置。副边磁芯17、副边套筒8和刀柄本体7同轴设置，副边套筒8与刀柄本体7外壁的小公差间隙配合保证其与刀柄本体7的同轴度。

刀具20为小型砂轮。

为了能够对加工区域及刀具20进行充分冷却，同时方便排屑，本发明在磨削装置内部设计了冷却通路，具体如下所述。

参照图2所示，改性碳纤维复合材料超声辅助磨削装置还包括连接套筒10，连接套筒10固定在原边顶部且套设在刀柄本体7上，连接套筒10和原边套筒13过盈连接a，冷却通路包括第一流道13，第一流道13设在连接套筒10中间，连接套筒10和刀柄本体7间设有环形腔，环形腔内设有密封圈12，环形腔和第一流道13连通，通过在环形腔内设置密封圈12，可以保证外部气源的气体进入第二流道30，同时小部分气体可通过密封圈间隙将切屑等干扰物吹离腔体，保持内部气体清洁。连接套筒10第一流道13上方和下方设有对称的连接套筒密封件槽34，两个密封圈12分别设在连接套筒密封件槽34内。

参照图2所示，刀柄本体7内设有第二流道30，多个第二流道30沿径向贯通且周向等间隔分布在刀柄本体30内，第二流道30与环形腔连通。

参照图2所示，超声刀柄包括后盖板26、前盖板22、压电陶瓷23和电极片25，前盖板22和后盖板26中心均贯通，前盖板22和刀柄本体7底部通过螺栓9固定，后盖板26设在刀柄本体内腔29内，前盖板22和后盖板26之间设有多个压电陶瓷23和多个电极片25，压电陶瓷23和电极片25交替放置，压电陶瓷23和电极片25构成压电换能器，压电陶瓷23和电极片25内侧设有绝缘套筒24，前盖板22和后盖板26通过穿设绝缘套筒24的紧固件27相连。超声刀柄底部通过ER夹头夹持刀具20，ER夹头包括ER夹头弹性体18和ER螺帽19。

参照图2所示，后盖板26外侧面和刀柄本体7的内腔间设有密封圈12，通过在后盖板26外侧面和刀柄本体7的内腔间设置密封圈12，可以保证外部气源的气体进入第三流道28，同时小部分气体可以通过密封圈间隙将切屑等干扰物吹离腔体，保持内部气体清洁，紧固件27中心设有竖直方向的第三流道28，第三流道28和刀柄本体内腔连通，前盖板22中心设有与第三流道28连通的第四流道21。

参照图3所示，刀具20中心设有盲孔31，盲孔31和第四流道21连通，盲孔31顶端与第四流道21的底端连通，刀具20外侧面设有螺旋排屑槽33，多个螺旋排屑槽33关于刀具20呈中心对称，每一螺旋排屑槽33靠近刀具20底部设有倾斜孔32，倾斜孔32与盲孔31连通。

加工过程中，参照图2和图3所示，冷却气体或冷却液通过第一流道13进入连接套筒10与刀柄本体7间的环形腔，再由环形腔流经刀柄本体7第二流道30进入刀柄本体内腔29，流经紧固件27内的第三流道28、前盖板中心的第四流道21进入刀具20中心的盲孔31内，最后经倾斜孔32进入加工刀具20的螺旋排屑槽33，第一流道1、环形腔、第二流道30、刀柄本体内腔29、第三流道28、第四流道21以及盲孔31形成冷却流道，及刀具20表面的螺旋排屑槽33构成了冷却通路，能够直接对加工区域进行冷却，并带走磨屑；刀具20与工件4的间歇性分离，能够进一步强化冷却效果；同时，冷却气体或冷却液有利于抑制超声刀柄温度升高。

本发明同时提供一种改性碳纤维复合材料超声辅助磨削方法，使用上述提出的一种改性碳纤维复合材料超声辅助磨削装置，具体如下。

一种改性碳纤维复合材料超声辅助磨削方法，包括：

S1、依据工件4加工部位结构，编制圆形回转台5G代码，保证加工过程中工件4平行或垂直于刀具20进给方向振动；

S2、对工件4加工表面附近的纤维分布方向进行分析，计算刀具20、工件4振动振幅及两者间的相位差对纤维切削方向角，基于优选纤维切削方向角范围设置两者振幅与相位差，设定超声电源输出信号幅值与相位；

S3、开启冷却气体供应装置，对工件4侧面进行超声辅助磨削加工。

本发明针对改性碳纤维复合材料磨削加工砂轮易堵塞、磨削温度高、加工效率与加工质量低下的问题，提出了一种改性碳纤维复合材料超声辅助磨削装置及磨削方法。该装置可在加工过程中实现刀具20与工件4的周期性分离，且能够通过超声电源以调节振幅与相位的方式控制纤维切削方向角，进而提高加工质量；与此同时，该装置实现了超声装置的内冷与加工区域的直接冷却，利于控制磨削温度，便于排屑，且能够抑制超声刀柄温度升高；该装置附件化的形式对机床要求不高，扩展了该加工方式的适用装备范围，为改性碳纤维复合材料高效、高质加工提供了一种技术途径和方法。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。