一种黑金属材料基体上微沟槽的金刚石飞刀铣削加工方法 |
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| 申请号 | CN201610795104.5 | 申请日 | 2016-08-31 | 公开(公告)号 | CN106270686A | 公开(公告)日 | 2017-01-04 |
| 申请人 | 上海交通大学; | 发明人 | 马春翔; 郑立波; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种黑金属材料基体上微沟槽的金刚石飞刀 铣削 加工方法；所述方法包括：将金刚石飞刀刀杆与具有两维 超 声波 的椭圆振动换能器相连，金刚石飞刀固定在刀杆端部；椭圆振动换能器固定在金刚石飞刀 铣床 主轴 上；在椭圆振动换能器上加上 正弦波 电压 ，金刚石飞刀随椭圆振动换能器产生的两维椭圆振动进行 超声波 椭圆振动，同时，金刚石飞刀还随着铣床主轴在黑金属材料基体上进行轴向和径向的进给铣削运动，实现超声波椭圆振动金刚石飞刀铣削加工。本发明能有效地抑制金刚石飞刀铣削黑金属材料基体上的微沟槽时的金刚石飞刀的急剧扩散磨损和抑制微沟槽沟边处毛刺的产生，提高微沟槽形貌 精度 ，实现微沟槽金刚石飞刀精密铣削加工。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种黑金属材料基体上微沟槽的金刚石飞刀铣削加工方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种黑金属材料基体上微沟槽的金刚石飞刀铣削加工方法技术领域背景技术[0002] 对于同一块基体上加工不同形状、不同尺寸的微沟槽，采用磨削加工方法很难达到要求。经对现有技术文献的检索发现，焦洋洋等人在《组合机床与自动化加工技术》2014年第6期上撰文“飞刀加工微V沟槽CAD/CAM系统研究”，该方法是针对微沟槽的超精密加工，开发出从沟槽设计，数据转换，零件建模，加工仿真与切削参数优化的集成系统平台，采用金刚石飞刀可以加工同一块基体上不同形状、不同尺寸的微沟槽，是利用金刚石刀尖的运动轨迹形成被加工微沟槽的形状。对于有色金属材料和非金属材料采用金刚石飞刀铣削加工的方法是比较容易实现的。但对于在黑金属材料基体上加工微沟槽，采用金刚石飞刀铣削加工的方法,由于金刚石飞刀与黑金属材料之间的急剧扩散磨损，使采用金刚石飞刀对于黑金属材料基体上进行微沟槽精密铣削加工很难实现，同时还存在金刚石飞刀铣削加工后在微沟槽沟边处产生毛刺，后续去毛刺时，使微沟槽形貌精度降低问题。 发明内容[0003] 本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种黑金属材料基体上微沟槽的金刚石飞刀铣削加工方法，即基于超声波椭圆振动金刚石飞刀的黑金属材料基体上微沟槽的铣削加工方法；实现在黑金属材料基体上进行微沟槽精密加工，满足实际需求。 [0004] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： [0005] 本发明涉及一种黑金属材料基体上微沟槽的金刚石飞刀铣削加工方法，所述方法包括如下步骤： [0007] S2、在所述椭圆振动换能器上加上正弦波电压，金刚石飞刀随椭圆振动换能器产生的两维椭圆振动进行超声波椭圆振动，同时，金刚石飞刀还随着铣床主轴在黑金属材料基体上进行轴向和径向的进给铣削运动，实现黑金属材料基体上微沟槽的超声波椭圆振动金刚石飞刀铣削加工。 [0008] 优选的，所述金刚石飞刀刀杆为圆柱阶梯形。 [0009] 优选的，所述金刚石飞刀刀杆的长度为四分之三波长；所述波长指的是超声波在刀杆中传播的波长。 [0010] 优选的，所述正弦波电压为80～120伏。更优选为80伏。 [0011] 优选的，所述椭圆振动换能器在相互垂直的两个方向上发生超声波振动,在其输出端合成超声波椭圆振动，即所述两维椭圆振动。 [0012] 优选的，所述两维椭圆振动达到长轴:8～12μm,短轴:4～6μm,夹角:45～90°,谐振频率:19.5～22.5kHz的椭圆振动轨迹。更优选达到长轴:10μm,短轴:5μm,夹角:45°,谐振频率:20.9kHz的椭圆振动轨迹。 [0013] 优选的，通过调解两维椭圆振动的相位差，在金刚石飞刀上可得到不同方位的椭圆振动轨迹。 [0014] 优选的，所述超声波椭圆振动金刚石飞刀铣削加工为低频和高频相结合的周期性断续的铣削加工。 [0015] 更优选的，表征超声波椭圆振动金刚石飞刀铣削加工过程的高频正负脉冲函数如下式： [0016] [0017] 其中，tb—在一个振动周期内铣削开始时刻 [0019] te——在一个振动周期内铣削终了时刻 [0020] T——椭圆振动周期 [0021] n为自然数。 [0022] 该高频正负脉冲函数程表征了超声波椭圆振动金刚石飞刀铣削加工中的分离特性和摩擦方向反转特性，对抑制金刚石飞刀铣削黑金属材料基体上的微沟槽时的金刚石飞刀的急剧扩散磨损和抑制微沟槽沟边处毛刺的产生有重要的影响。 [0023] 更优选的，在每一个高频切削加工周期刚开始后，椭圆振动金刚石飞刀在垂直方向上的振动速度小于切屑流出速度,金刚石飞刀前刀面与切屑之间的摩擦力方向与切屑流出方向相反；之后，椭圆振动金刚石飞刀在垂直方向上的振动速度逐渐增大,当该振动速度大于切屑流出速度时,金刚石飞刀前刀面与切屑之间的摩擦力方向发生反转，变为与切屑流出方向相同。 [0024] 优选的，金刚石飞刀在水平方向上的超声波椭圆振动最大速度大于水平方向的进给铣削速度时,金刚石飞刀前刀面与切屑和工件之间发生分离。 [0025] 本发明当金刚石飞刀在水平方向上的椭圆振动最大速度大于水平方向的进给铣削速度时,金刚石飞刀前刀面与切屑和工件之间发生分离,通常要把加工条件设定满足这一条件。因此,超声波椭圆振动金刚石飞刀铣削加工是一种低频和高频相结合的周期性断续的铣削方法。在每一个高频切削加工周期刚开始后，椭圆振动金刚石飞刀在垂直方向上的振动速度小于切屑流出速度,金刚石飞刀前刀面与切屑之间的摩擦力方向与切屑流出方向相反，阻碍切屑流出；这之后，椭圆振动金刚石飞刀在垂直方向上的振动速度逐渐增大,当该方向的振动速度大于切屑流出速度时,金刚石飞刀前刀面与切屑之间的摩擦力方向发生反转，与普通铣削加工不同，这时摩擦力的方向与切屑流出方向相同，促进切屑流出，使平均背向铣削力大幅度地减小。超声波椭圆振动金刚石飞刀前刀面与切屑和工件之间发生分离特性和金刚石飞刀前刀面与切屑之间的摩擦力方向发生反转特性，能有效地抑制金刚石飞刀铣削黑金属材料基体上的微沟槽时的金刚石飞刀的急剧扩散磨损和抑制微沟槽沟边处毛刺的产生，提高微沟槽形貌精度和表面质量,能实现黑金属材料基体上的微沟槽金刚石飞刀精密铣削加工。 [0026] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果： [0027] 1、超声波椭圆振动附加在金刚石飞刀上的铣削加工过程与普通金刚石飞刀铣削过程不同,超声波椭圆振动附加在金刚石飞刀上的铣削具有金刚石飞刀前刀面与切屑、金刚石飞刀后刀面与工件的分离特性，能有效地抑制金刚石飞刀铣削黑金属材料基体上的微沟槽时的急剧扩散磨损。 [0028] 2、将超声波椭圆振动附加在金刚石飞刀上的铣削加工过程还具有另一个重要特性,即金刚石飞刀前刀面与切屑之间的摩擦力方向具有反转特性，这导致金刚石飞刀径向铣削力在一个切削周期内出现负值，使平均径向铣削力大幅度地减小，能有效地抑制微沟槽沟边处毛刺的产生，对提高金刚石飞刀铣削微沟槽形貌精度非常重要。 [0029] 上述两点表明将超声波椭圆振动附加在金刚石飞刀上能有效抑制金刚石飞刀铣削黑金属材料基体上的微沟槽时的金刚石飞刀的急剧扩散磨损和抑制微沟槽沟边处毛刺的产生，提高微沟槽形貌精度，实现微沟槽金刚石飞刀精密铣削加工。 具体实施方式[0030] 下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。 [0031] 实施例 [0032] 本发明的黑金属材料基体上微沟槽的金刚石飞刀铣削加工方法的具体步骤如下：(1)金刚石飞刀刀杆通过螺纹与具有两维超声波椭圆振动换能器相连；(2)在具有两维超声波椭圆振动换能器上同时加上正弦波电压80伏,这两维超声波椭圆振动换能器在相互垂直的两个方向上发生超声波振动,在其输出端合成超声波椭圆振动；(3)金刚石飞刀刀杆设计成圆柱阶梯形,使超声波椭圆振动换能器产生的两维椭圆振动,进一步增大,达到长轴:10μm,短轴:5μm,夹角:45°,谐振频率:20.9kHz左右的超声椭圆振动；(4)金刚石飞刀固定在刀杆端部,超声椭圆振动在金刚石飞刀处达到最大，通过调解两维超声波椭圆振动的相位差，在金刚石飞刀上可得到不同方位的超声椭圆振动轨迹；(5)两维超声波椭圆振动换能器固定在金刚石飞刀铣床主轴上，这样金刚石飞刀不仅作椭圆超声波振动,而且还随主轴进行旋转运动，同时，还随主轴箱进行轴向和径向进给铣削运动,实现微沟槽超声波椭圆振动金刚石飞刀铣削加工。 [0033] 本实施例结合上述方法的内容提供以下超声波椭圆振动附加在金刚石飞刀上的黑金属材料基体上的微沟槽铣削加工仿真结果。 [0034] 工件材料:高温合金。刀具材料:金刚石。振动条件:轨迹:椭圆(长轴:10μm,短轴:5μm,夹角:45°),谐振频率:20.9kHz。 [0035] 1)给两维超声换能器加上正弦波电压,金刚石飞刀固定在飞刀刀杆端部,金刚石飞刀刀刃在此处达到最大的椭圆振动轨迹。设定铣床主轴转速为40rev./min,铣削深度为0.01mm，铣削进给量为0.02mm/rev，普通金刚石飞刀，铣削60m，刀具就急剧磨损而失效。而超声波椭圆振动附加在金刚石飞刀上，铣削500m后，刀具后刀面磨损值小于10μm，能进行微沟槽精密铣削加工,并且沟槽沟处边无毛刺。 [0036] 2)同样给两维超声换能器加上正弦波电压,金刚石飞刀固定在飞刀刀杆端部,金刚石飞刀刀刃在此处达到最大的椭圆振动轨迹。设定铣床主轴转速为50rev./min,铣削深度为0.01mm，铣削进给量为0.015mm/rev，普通金刚石飞刀铣削60m，刀具就急剧磨损而失效。而超声波椭圆振动附加在金刚石飞刀上，铣削500m后，刀具后刀面磨损值小于10μm，能进行微沟槽精密铣削加工,并且沟槽沟边处无毛刺。 [0037] 3)给两维超声换能器加上正弦波电压,金刚石飞刀固定在飞刀刀杆端部,金刚石飞刀刀刃在此处达到最大的椭圆振动轨迹。设定铣床主轴转速为60rev./min,铣削深度为0.01mm，铣削进给量为0.01mm/rev，普通金刚石飞刀铣削60m，刀具就急剧磨损而失效。而超声波椭圆振动附加在金刚石飞刀上，铣削500m后，刀具后刀面磨损值小于10μm，能进行微沟槽精密铣削加工,并且沟槽沟边处无毛刺。 [0038] 以上结果表明：本发明的基于超声波椭圆振动金刚石飞刀在黑金属材料基体上微沟槽的铣削加工方法,能有效地抑制普通金刚石飞刀在黑金属材料基体上铣削微沟槽时急剧磨损。并且微沟槽沟边处无毛刺，能实现微沟槽金刚石飞刀精密铣削加工。 |
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