CN101020244A - 双刀反向进给超声波扭转振动车铣系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双刀反向进给超声波扭转振动车铣系统及其方法。在车铣过程中，利用铣刀旋转、工件旋转、铣刀轴向进给、铣刀径向进给、铣刀超声波扭转振动的合成运动来实现对工件的切削，铣刀超声波扭转振动是采用二套超声波扭转振动车铣装置沿工件径向两侧布置，二套超声波扭转振动车铣装置刀具绕其自身轴线、沿相反方向旋转，并沿工件轴向相差一个进给量S的距离；采用反向进给，辅之以弹性顶尖进行超声波扭转振动车铣加工。本发明的优点：1)消除径向力产生的弯曲变形；2)消除细长轴加工时产生的受压失稳现象和切削温度升高带来的细长轴伸长引起的弯曲变形问题；3)易于自动除屑；提高加工精度和加工质量。

Description

双刀反向进给超声波扭转振动车铣系统及其方法

技术领域

本发明涉及车削方法，尤其涉及一种双刀反向进给超声波扭转振动车铣系统及其方法。

背景技术

变截面细长杆是指最大直径小于50mm、长径比为12~100、截面变化的轴类零件，它在机械制造、国防工业和声学领域中有着广泛的用途。例如，节制杆是液压式驻退机中的变截面细长杆，它与定直径环配合，形成变化的流液孔，以保证火炮射击时后座运动规律。因此，节制杆是现代火炮产品的重要零件，火炮设计人员对它的尺寸精度、形状精度和表面质量提出了严格的要求。在超声加工设备中，广泛使用指数形、悬链线形、圆锥形、阶梯形、高斯形、傅里叶形等多种形式的变幅杆和复合变幅杆，它们都是变截面杆，当放大倍数较大、输出端直径较小或功率较小的场合，就成为名副其实的变截面细长杆。为了保证变幅杆的谐振频率、放大倍数和工作稳定性，减小声能损耗，设计人员对它的尺寸精度、形状精度和表面质量同样提出了严格的要求。

几十年来，工厂一直沿用传统的“车削——锉削——抛光”工艺对变截面细长杆的回转成形面进行精密加工，即：在靠模车床或数控车床上安装1~3个中心架，首先进行仿形车削，留下大约0.1mm的加工余量，达到轮廓平均算术偏差值Ra3.2μm，并在中心架支承处留出架位，用锉刀锉削后，再用砂布进行粗抛——精抛——细抛，达到图纸规定的尺寸精度和Ra0.63μm。这种工艺中，不仅锉削和抛光效率很低，工人劳动强度大，而且加工质量难保证，占用设备多，生产面积大，加工成本高。某些工厂曾试用数控磨床对变截面细长杆进行仿形磨削，因砂轮磨损影响加工精度而宣告失败。因此，变截面细长杆的精密加工一直是机械制造、国防工业和声学领域中普遍存在的技术难题，直接影响到产品质量、制造技术水平和形状复杂的变截面细长杆的应用范围。

如果将超声波扭转振动车铣方法用于变截面、等直径细长轴外圆表面正向进给加工时，会出现下述问题：

1)正向进给使得细长轴沿轴向受到偏压，容易产生受压失稳现象，导致加工精度降低，甚至使加工过程无法进行；

2)径向力使细长轴产生弯曲变形；

3)切削温度升高时，会使细长轴变长。由于左侧是三爪卡盘夹紧，右侧是顶尖顶紧，将导致细长轴进一步产生弯曲变形。

发明内容

本发明的目的是提供一种双刀反向进给超声波扭转振动车铣系统及其方法。

双刀反向进给超声波扭转振动车铣系统是在车铣系统中采用二套超声波扭转振动车铣装置，沿工件径向两侧布置，超声波扭转振动车铣装置具有超声波发生器、扭转振动夹芯式压电换能器、扭转振动变幅杆、法兰盘、铣刀盘、刀齿、机架，扭转振动夹芯式压电换能器与扭转振动变幅杆、铣刀相连，铣刀具有铣刀盘，铣刀盘上设有刀齿，扭转振动变幅杆上设有法兰盘，法兰盘与机架相连。

双刀反向进给超声波扭转振动车铣方法是在车铣过程中，利用铣刀旋转、工件旋转、铣刀轴向进给、铣刀径向进给、铣刀超声波扭转振动的合成运动来实现对工件的切削，铣刀超声波扭转振动是采用二套超声波扭转振动车铣装置沿工件径向两侧布置，二套超声波扭转振动车铣装置刀具绕其自身轴线、沿相反方向旋转，并沿工件轴向相差一个进给量S的距离；采用反向进给，辅之以弹性顶尖进行超声波扭转振动车铣加工，其中，超声波发生器将交流电转换成超声频电振荡信号，扭转振动夹芯式压电换能器将超声波发生器输出的电振荡信号转换为超声频扭转振动，通过扭转振动变幅杆放大后传递给铣刀盘和刀齿，沿铣刀圆周方向给刀齿施加频率f＝14.5～60kHz、振幅a＝8～50μm的超声频扭转振动，从而完成双刀反向进给超声波扭转振动车铣。

双刀反向进给超声波扭转振动车铣方法具有下述优点：

1)双刀加工使加工过程中的径向力得以平衡，从理论上，可使径向力产生的弯曲变形完全消除；

2)反向进给辅之以弹性顶尖，消除了细长轴加工时产生的受压失稳现象和切削温度升高带来的细长轴伸长引起的弯曲变形问题；

3)超声波扭转振动车铣是间断切削，因此无论加工何种材料的工件都能得到较短的切屑，易于自动除屑；

4)大幅度降低车铣过程中产生的冲击力，提高加工精度；

5)表面光滑，加工质量高；

6)间断切削使刀具有充足的冷却时间，车铣温度大幅度降低，提高了刀齿的寿命；

附图说明

图1是双刀反向进给超声波扭转振动车铣系统结构示意图；

图2是超声波扭转振动车铣装置结构示意图；

图中：第一套超声波扭转振动车铣装置1、弹簧2、顶尖3、工件4、第二套超声波扭转振动车铣装置5、三爪卡盘6、超声波发生器7、扭转振动夹芯式压电换能器8、扭转振动变幅杆9、法兰盘10、铣刀盘11、刀齿12。

具体实施方式

如图1、2所示，双刀反向进给超声波扭转振动车铣系统是在车铣系统中采用二套超声波扭转振动车铣装置，沿工件径向两侧布置，双刀加工使加工过程中的径向力得以平衡，可使径向力产生的弯曲变形完全消除；反向进给辅之以弹性顶尖，消除了细长轴加工时产生的受压失稳现象和切削温度升高带来的细长轴伸长引起的弯曲变形问题。

超声波扭转振动车铣装置具有超声波发生器7、扭转振动夹芯式压电换能器8、扭转振动变幅杆9、法兰盘10、铣刀盘11、刀齿12、机架，扭转振动夹芯式压电换能器8与扭转振动变幅杆9、铣刀相连，铣刀具有铣刀盘11，铣刀盘11上设有刀齿12，扭转振动变幅杆9上设有法兰盘10，法兰盘10与机架相连。

双刀反向进给超声波扭转振动车铣方法是在车铣过程中，利用铣刀旋转、工件4旋转、铣刀轴向进给、铣刀径向进给、铣刀超声波扭转振动的合成运动来实现对工件的切削，铣刀超声波扭转振动是采用二套超声波扭转振动车铣装置沿工件径向两侧布置，二套超声波扭转振动车铣装置刀具绕其自身轴线、沿相反方向旋转，并沿工件轴向相差一个进给量S的距离；采用反向进给，辅之以弹性顶尖进行超声波扭转振动车铣加工，其中，超声波发生器7将交流电转换成超声频电振荡信号，扭转振动夹芯式压电换能器8将超声波发生器输出的电振荡信号转换为超声频扭转振动，通过扭转振动变幅杆9放大后传递给铣刀盘11和刀齿12，沿铣刀圆周方向给刀齿施加频率f＝14.5～60kHz、振幅a＝8～50μm的超声频扭转振动，从而完成双刀反向进给超声波扭转振动车铣。

双刀反向进给超声波扭转振动车铣方法的工作原理是：采用二套超声波扭转振动车铣装置沿工件径向两侧布置，二套超声波扭转振动车铣装置刀具绕其自身轴线、沿相反方向旋转，并沿工件轴向相差一个进给量S的距离；采用反向进给，辅之以弹性顶尖进行超声波扭转振动车铣加工。

其中，超声波扭转振动车铣装置由超声波发生器、扭转振动夹芯式压电换能器、扭转振动变幅杆、铣刀盘、刀齿和机架构成。其中，扭转振动夹芯式压电换能器、扭转振动变幅杆、铣刀盘和刀齿构成超声波扭转振动车铣声学系统。

超声波扭转振动车铣装置的工作原理是：超声波发生器将220V、50Hz的交流电转换成超声频电振荡信号，扭转振动夹芯式压电换能器将超声波发生器输出的电振荡信号转换为超声频扭转振动，通过扭转振动变幅杆放大后传递给铣刀盘和刀齿，实现刀齿f＝14.5～60kHz、振幅a＝8～50μm的超声频扭转振动。超声频扭转振动车铣声学系统通过变幅杆节点处的法兰盘安装在机架上，将切削力、自重和惯性力传递到机床上。

双刀反向进给超声波扭转振动车铣加工包括五个基本运动：

1)工件旋转；

2)铣刀旋转；必须注意，两把铣刀旋转方向相反；

3)铣刀轴向进给；

4)铣刀径向进给；

5)铣刀超声波扭转振动，以符号f表示谐振频率(Hz)，以符号a表示刀齿振幅(μm)。

超声波发生器的作用是将交流电转换成超声频的电振荡信号，它主要由振荡器、电压放大器、功率放大器和输出变压器等部分组成。

双刀反向进给超声波扭转振动车铣加工时，由于声学系统质量负载复杂，力负载是脉冲型负载，声学系统谐振频率在一定范围内变化。必须开发具有频率自动跟踪的超声波发生器，以解决在负载条件下压电换能器的谐振频率、阻抗变化的难题。

超声波发生器正在向系列化、智能化的方向发展。超声波发生器的开发必须满足频率稳定、阻抗易于匹配、体积小、造价低、耗能少的要求。要使超声波发生器频率稳定，可采取石英晶体振荡器和频率自动跟踪系统两个措施。石英晶体振荡器的频率稳定性可达10^-8以上，但频率调节范围只有几十赫芝，难以满足工具磨损和负载对频率变化范围(几百赫芝)的要求，这个问题值得研究。频率自动跟踪系统是新型超声波发生器研制的必要条件。要使阻抗易于匹配，以满足超声波发生器通用化的要求。要使体积小、造价低、耗能少，必须选用先进器件和新线路。

扭转振动夹芯式压电换能器的作用是将超声波发生器输出的电振荡信号转换为超声频扭转振动，它是超声波扭转振动车铣装置的关键部件之一。扭转振动夹芯式压电换能器由压电陶瓷片、前反射罩、后反射罩、螺栓和螺母组成。

扭转振动夹芯式压电换能器应具有较高的能量转换效率，目前已广泛使用的压电换能器的能量转换效率可达88％，这个效率已经比较高了。以往超声设备连续工作时间通常规定为8小时，随着科学技术的发展和实际使用的需要，超声设备连续工作时间考核已提出16天以上的要求。要达到这样的要求，除了超声波发生器能够满足可靠性(改进线路，对元器件进行老化筛选试验)以外，必须对高效换能器提出高可靠性的要求。

(1)数字锁相环CD4046集成电路

集成锁相环分为两大类，即模拟锁相环和数字锁相环，根据不同用途在各自的构成上又有很大差异。数字锁相环CD4046是目前应用广泛、价格低廉的产品，它可用于调制解调技术、稳频技术和频率自动跟踪方面。

数字锁相环CD4046集成电路组成的频率自动跟踪电路从振动系统采集电压和电流信号，经过零比较器后得到矩形波，送入数字锁相环CD4046的鉴相器，相位比较后所产生的电压经环路滤波器除高频成份及噪声后，控制压控振荡器的频率向换能器振动系统在新参数下的谐振频率靠近，直到频差为零。

(2)单片微机频率自动跟踪系统

这种系统采用PWM调制、半桥逆变式电源。通过对输入半桥的电流同换能器振动系统的振幅、频率在负载变化情况下的测量和分析，发现输入半桥逆变电路的电流、换能器振动系统的振福同超声波发生器的频率有—一对应的单调关系。当换能器谐振时，振幅最大，此时输入半桥逆变电路的电流也最大。这就是说，如果能搜索到输入半桥逆变电路的电流，也就找到了谐振频率点。单片微机频率自动跟踪系统采用变频搜索方式，使输入半桥逆变电路的电流总是保持在最大值，从而保证了系统总是工作在谐振状态。

单片微机频率自动跟踪系统，由LEM模块-LA25-NP电流传感器、芯片8031、LS373、压控振荡器、半桥驱动电路等部分组成。

软件部分采用了模块化程序设计技术。根据功能要求，将软件分成以下几个模块：

1)系统初始模块；

2)信号采集及比较模块；

3)频率递增模块；

4)频率递减模块。

首先为每个模块设计算法和流程，根据流程编制程序，将每个模块调试成功后，最后联在一起统调。

单片微机频率自动跟踪系统的空载和带负载试验表明，能可靠地对频率进行跟踪，实现了系统自动运行的目标，且跟踪准确，波动小。跟踪时间小于10ms。

该系统通过检测，不断搜索输入半桥逆变电路的电流最大时的频率点，从而克服了一般采用反馈形式的频率自动跟踪系统反馈深度不易控制、电路参数难以调整的困难。该系统变频的步长、延时参数的设定均可由软件加以调整，十分方便，体现了硬件软化的功能，故对各种系统的适应性强。该系统全部采用先进的集成电路。全数字化工作，因而工作可靠，抗干扰能力强，易于调试。

扭转振动变幅杆有下述作用：

(1)聚能作用。

即将机械振动位移或速度振幅放大，或者把能量集中在较小的辐射面上进行聚能。扭转振动夹芯式压电换能器的振幅一般为4～10μm，而超声波扭转振动车铣加工对振幅的要求为8～50μm，这就必须借助于扭转振动变幅杆将扭转振动夹芯式压电换能器的振幅放大。

(2)有效地向负载传输

作为机械阻抗的变换器，在扭转振动夹芯式压电换能器和声负载之间进行阻抗匹配，使超声能量由扭转振动夹芯式压电换能器更有效地向负载传输。

扭转振动变幅杆包括单一形状变幅杆和复合变幅杆。具体可见发明人在国防工业出版社于1995年出版的专著《超声加工及其应用》。

Claims (2)

1.一种双刀反向进给超声波扭转振动车铣系统，其特征在于在车铣系统中采用二套超声波扭转振动车铣装置，沿工件径向两侧布置，超声波扭转振动车铣装置具有超声波发生器(7)、扭转振动夹芯式压电换能器(8)、扭转振动变幅杆(9)、法兰盘(10)、铣刀盘(11)、刀齿(12)、机架，扭转振动夹芯式压电换能器(8)与扭转振动变幅杆(9)、铣刀相连，铣刀具有铣刀盘(11)，铣刀盘(11)上设有刀齿(12)，扭转振动变幅杆(9)上设有法兰盘(10)，法兰盘(10)与机架相连。

2.一种使用如权利要求1所述系统的双刀反向进给超声波扭转振动车铣方法，其特征在于车铣过程中，利用铣刀旋转、工件(4)旋转、铣刀轴向进给、铣刀径向进给、铣刀超声波扭转振动的合成运动来实现对工件的切削，铣刀超声波扭转振动是采用二套超声波扭转振动车铣装置沿工件径向两侧布置，二套超声波扭转振动车铣装置刀具绕其自身轴线、沿相反方向旋转，并沿工件轴向相差一个进给量S的距离；采用反向进给，辅之以弹性顶尖进行超声波扭转振动车铣加工，其中，超声波发生器(7)将交流电转换成超声频电振荡信号，扭转振动夹芯式压电换能器(8)将超声波发生器输出的电振荡信号转换为超声频扭转振动，通过扭转振动变幅杆(9)放大后传递给铣刀盘(11)和刀齿(12)，沿铣刀圆周方向给刀齿施加频率f＝14.5～60kHz、振幅a＝8～50μm的超声频扭转振动，从而完成双刀反向进给超声波扭转振动车铣。