CN107175467B - 一种微深槽超声空化辅助铣削抛光复合加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微深槽超声空化辅助铣削抛光复合加工方法及装置,将微细铣刀安装在铣削主轴上；将待加工工件固定放置于装有含有微磨料的磨料悬浊液的水槽底部，使磨料悬浊液漫过工件，将超声换能器的超声振动子安置于微细铣刀进给方向的前部并通过多自由度平台调整其位姿，通过超声波发生器对振动子施加轴向超声振动，激发磨料悬浊液的超声空化效应同时也使得微磨料机械振动起来。通过超声空化效应产生的微射流和冲击波冲刷工件表面以及微磨料振动产生的抛光作用实现微深槽的一次性成型精密加工。

Description

一种微深槽超声空化辅助铣削抛光复合加工方法及装置

技术领域

一种微深槽超声空化铣削抛光复合加工方法及装置，属于精密制造领域，具体涉及一种微深槽的一次性精密加工成形工艺方法及实现装置。

背景技术

微深槽零件广泛地应用在航空航天、汽车船舶、微电子等国家重要行业和领域，如航空发动机上的微流道、柴油机缸套表面微沟槽织构、太阳能电池的微槽阵列结构光栅、用于先进动态随机存储器的具有高深-宽比特征的深沟槽微结构阵列等，这些具有微槽的零件多为耐高温、耐腐蚀、硬度高、高强度的难加工材料。随着高性能、新型难加工材料的不断出现以及零部件向着微型化发展，对于微槽的加工精度要求越来越高，传统的铣削工艺已不能满足微槽的加工质量需求。

微深槽宽度小、深宽比大，对铣削装备和工艺带来了极大困难。微深槽微细铣削加工时，由于微细铣刀刚性差，铣削切向力大，刀具径向力不平衡，容易产生刀具颤振和刀尖跳动现象，造成被加工槽的尺寸、形状精度降低，同时，由于微深槽深宽比大，排屑困难，易发生堵塞，加剧切屑与槽壁之间的摩擦和划伤，容易产生毛刺和裂纹等缺陷，严重影响刀具的寿命和槽的表面质量；传统加工方法需要在铣削加工之后再单独进行磨削抛光等工序进一步提高其表面质量，因此工序复杂冗长；针对上述微深槽的加工特点，需要对传统的加工工艺方法进行改进，设计合理的铣削方案和装置，实现微深槽的高效率、高精度加工。

发明内容

针对微深槽铣削加工的特点，为了减少表面毛刺，延长刀具寿命，提高深微沟槽的尺寸形状精度和表面质量，提高加工效率，提供一种适用于微深槽超声空化辅助铣削抛光复合加工方法和实现装置，该发明可实现微深槽的微细精密铣削一次成型。该技术主要特征包括：

(1)将微深槽工件放置在装有含有微磨料的磨料悬浊液中，使工件和超声振动子完全浸没在磨料悬浊液中。利用超声振动子对磨料悬浊液进行超声振动，主要有两个作用：一方面利用超声空化效应气泡溃灭产生的微射流和强烈的冲击波，冲刷工件和刀具表面，减少工件表面的微毛刺和刀具上的粘屑和缠屑，从而提高微深槽的加工表面质量和刀具使用寿命；另一方面磨料悬浊液中的磨料在超声振动下产生高幅高频的机械振动，不断冲击微沟槽的表面，起到抛光的作用，进一步提高加工质量。

(2)超声振动子必须保证安置在微细铣刀进给方向的前方，且呈一定的倾斜角度，超声振动子头部保证与沟槽一定距离，为方便实现超声振动子的调整和固定，设计了一套由伺服平动单元、摆角调整副和转动副组成的多自由度平台，超声振动子通过多自由度平台固定在支撑架上，能够实现超声振动子与刀具同步移动，保证两者之间的距离，能够实现长度较长的深微沟槽加工。

(3)超声换能器由电源、超声波发生器、功率放大器和超声振动子组成，超声振动子对含有微磨料的磨料悬浊液施加超声振动，振动频率大于18kHz，振动方向与超声振动子的轴线方向一致，超声振动子可以是一个或多个排布。

(4)磨料悬浊液采用水基切削液，磨料种类、粒度、浓度需适具体情况而定，磨料硬度选择大于工件材料硬度小于刀具材料硬度。

具体的技术方案如下：

(1)将微细铣刀装卡在铣削主轴上。

(2)将待加工的工件固定于装有磨料悬浊液的水槽底部平台上，使磨料悬浊液的水位超过工件高度。

(3)调整超声振动子位置和姿态，保证超声振动子头部位于微细铣刀进给方向的前方，且超声振动子的轴线与微细铣刀轴线具有夹角。

(4)超声振动子对含有微磨料的磨料悬浊液施加超声振动，振动频率大于18kHz，振动方向与超声振动子的轴线方向一致。

(5)选用铣削主轴的转速和进给速度，调整超声振动子的进给速度与微细铣刀进给速度相同，加工一个深微沟槽。

(6)重复步骤(3)～(5)加工下一个微深槽。

附图说明

图1为本发明的微深槽超声空化辅助铣削抛光复合加工原理图。图中1为水槽，2为工件，3为磨料悬浊液，4为超声振动子，5为支撑架，6为摆角调整副，7为转动副，8为伺服平动单元，9为铣削主轴，10为微细铣刀，11为空化气泡，12为磨料颗粒。

5、具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

(1)将微细铣刀10装卡在铣削主轴9上。

(2)将要加工微深槽的工件2固定在放置于装有磨料悬浊液3的水槽1底部平台上，使磨料悬浊液3的水位超过工件2高度。

(3)通过转动副6、7调整超声换能器的超声振动子4的位姿，保证超声振动子4位于铣刀前进方向的前方并保证超声振动子4的轴线与铣削主轴的轴线具有夹角，超声振动子4头部与深微沟槽保持较小距离。

(4)超声波发生器对超声振动子4实施超声波轴向振动，振动频率大于18kHz，振动方向与超声振动子轴向方向一致。

(5)选用铣削主轴转速8000r/min～100000r/min，铣削进给为5mm/min～10mm/min，同时调整水平移动伺服单元8的移动速度与进给速度一致，加工一个宽0.5mm，深3.5mm,长10mm的微深槽。

(6)重复步骤(3)～(5)加工下一个微深槽。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。

Claims (1)

1.一种微深槽超声空化辅助铣削抛光复合加工方法，该方法采用微深槽超声空化辅助铣削抛光复合加工装置，其特征在于：

所述加工装置主要包括水槽、待加工的工件、磨料悬浊液、超声换能器、支撑架、多自由度平台、铣削主轴和微细铣刀，所述微细铣刀装卡在所述铣削主轴上，所述超声换能器通过所述多自由度平台安装在所述支撑架上，所述多自由度平台包括摆角调整副、转动副和伺服平动单元，所述超声换能器由电源、超声波发生器、功率放大器和超声振动子组成，所述超声换能器的数量为两个以上，所述超声振动子的头部位于所述微细铣刀进给方向的前方，且所述超声振动子的轴线与所述微细铣刀轴线具有夹角；

所述加工方法主要包括如下步骤：

(1)将所述微细铣刀装卡在所述铣削主轴上；

(2)将所述待加工的工件固定于装有所述磨料悬浊液的水槽底部平台上，使所述磨料悬浊液的水位超过所述工件高度；

(3)通过摆角调整副和转动副调整所述超声振动子的位置和姿态，保证所述超声振动子的头部位于所述微细铣刀进给方向的前方，且所述超声振动子的轴线与所述微细铣刀轴线具有夹角，所述超声振动子通过所述多自由度平台可以调整位置和姿态，在铣削加工过程中能够实现所述超声振动子跟随所述微细铣刀同步运动，保证超声振动子与微细铣刀之间的距离，从而实现长度较长的微深沟槽加工；

(4)所述超声振动子对含有微磨料的磨料悬浊液施加超声振动，激发磨料悬浊液的超声空化效应同时也使得微磨料机械振动起来，超声振动频率大于18kHz，振动方向与所述超声振动子的轴线方向一致，其中，所述微磨料的硬度大于工件材料小于刀具材料；一方面利用超声空化效应气泡溃灭产生的微射流和强烈的冲击波，冲刷工件和刀具表面，减少工件表面的微毛刺和刀具上的粘屑和缠屑，从而提高微深槽的加工表面质量和刀具使用寿命；另一方面磨料悬浊液中的磨料在超声振动下产生高幅高频的机械振动，不断冲击微沟槽的表面，起到抛光的作用，进一步提高加工质量；

(5)设定所述铣削主轴的转速和进给速度，调整所述超声振动子的进给速度与所述微细铣刀的进给速度相同，加工一个微深槽；

(6)重复步骤(3)～(5)加工下一个微深槽。