专利名称：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，尤其涉及一种超声波扭转振动车铣系统及其方法。
背景技术：
车铣法的原理是将铣刀代替车刀，完成断续车削运动的加工方法。车铣过程中，利用铣刀旋转和工件旋转的合成运动来实现对工件的切削加工，使工件在形状精度、位置精度、表面粗糙度及残余应力等方面达到使用要求。
车铣加工包括铣刀旋转、工件旋转、铣刀轴向进给和径向进给四个基本运动。铣刀旋转运动是主运动。切削速度由铣刀旋转速度和工件旋转速度共同决定，其中铣刀旋转速度是决定切削速度的主要因素，特别是在高速、超高速车铣加工中，工件旋转速度对切削速度的影响可以被忽略。切削的进给速度由工件旋转速度、铣刀轴向进给速度和径向进给速度三个基本速度共同决定，其中工件旋转速度对进给速度的影响远大于其它两个基本速度。工件旋转产生的切向线速度即为铣刀周向进给速度，它的大小等于工件的转速与工件周长的乘积；铣刀的轴向(或径向)进给速度则等于工件的转速与铣刀在工件每转时沿工件轴向(或径向)移动距离的乘积。铣刀的直线进给运动根据不同加工的需要可采用轴向进给(如加工轴类零件)或径向进给(如加工盘类零件)运动，也可同时采用轴向进给和径向进给(如加工锥体零件)运动。
车铣不是单纯的将车和铣两种加工方法合并到一台机床上，而是利用车铣合成运动来完成各类表面的加工。根据工件旋转轴线与刀具旋转轴线相对位置的不同，车铣加工可分为轴向车铣、正交车铣和一般车铣。根据工件与刀具旋转相对方向的不同，它们又都可分为顺铣和逆铣两种不同的形式。轴向车铣由于铣刀与工件的旋转轴线相互平行，因此它不但可以加工外圆表面，而且也可加工内孔表面。但由于它们的旋转轴线相互平行，如铣刀直径小于其主轴箱体径向尺寸时，就限制了铣刀的纵向行程，这种情况下不适宜用轴向车铣加工轴向行程较长的外圆表面或较深的内孔表面。与此相反，如铣刀直径大于其主轴箱体径向尺寸，轴向车铣也可进行长轴外圆和深孔内表面的车铣加工。正交车铣由于铣刀与工件的旋转轴线相互垂直，它不能对内孔进行加工，但在加工外圆表面时由于铣刀的纵向行程不受限制，且可以采用较大的纵向进给，因此在加工外圆表面时效率较高。
使用车铣法加工高强度、高韧性材料时，切屑自然分离，不需要使用断屑装置，切屑容积小，便于切屑处理。
车铣法存在下述缺点1)车铣过程中，冲击力大，不易保证加工精度；2)表面粗糙，加工质量低；3)车铣温度较高。
发明内容
本发明的目的提供一种超声波扭转振动车铣系统及其方法。
超声波扭转振动车铣系统中采用超声波扭转振动车铣装置，它具有超声波发生器、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。
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采用超声波扭转振动车铣装置沿工件径向布置，超声波扭转振动车铣装置刀具绕其自身轴线旋转，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，从而完成超声波扭转振动车铣。
本发明具有的有益效果1)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；2)大幅度降低车铣过程中产生的冲击力，提高加工精度；3)表面光滑，加工质量高；4)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；5)由于切削速度是由工件和刀具的回转速度共同合成，因此不需使工件高速旋转也能实现高速切削，有利于对大型工件进行高速切削；6)工件转速相对较低，加工薄壁件时几乎没有由于离心力产生的变形；7)使用较大的轴向进给也能得到较小的表面粗糙度；8)如采用CNC车铣中心，需用车、铣、钻、镗等不同方法进行加工的工件能在一次装夹中完成，不需更换机床，大大缩短了生产周期，防止了重复装夹误差；9)超声波扭转振动车铣是多刃切削，可较大地提高生产效率；10)超声波扭转振动车铣属于多刃切削，切削过程平稳，刀具磨损小，这对新型难加工材料和大型回转体毛坯的加工十分有益。
附图是超声波扭转振动车铣装置结构示意图，图中，超声波发生器1、扭转振动夹芯式压电换能器2、扭转振动变幅杆3、法兰盘4、铣刀盘5、刀齿6、工件7、三爪卡盘8。
具体实施例方式
如附图所示，超声波扭转振动车铣系统是在车铣系统中采用超声波扭转振动车铣装置，它具有超声波发生器1、扭转振动夹芯式压电换能器2、扭转振动变幅杆3、法兰盘4、铣刀盘5、刀齿6、机架，扭转振动夹芯式压电换能器2与扭转振动变幅杆3、铣刀相连，铣刀具有铣刀盘5，铣刀盘上设有刀齿6，扭转振动变幅杆3上设有法兰盘4，法兰盘4与机架相连。
超声波扭转振动车铣方法是车铣过程中，利用铣刀旋转、工件7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采用超声波扭转振动车铣装置沿工件径向布置，超声波扭转振动车铣装置刀具绕其自身轴线旋转，其中，超声波发生器1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2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3放大后传递给铣刀盘5和刀齿6，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，从而完成超声波扭转振动车铣。
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。
超声频扭转振动车铣装置安装在普通车床或数控车床刀架上。车床主轴上设有三爪卡盘8，工件7通过三爪卡盘8进行定位和夹紧，绕自身轴线以转速n1转动。超声波扭转振动车铣刀盘设有Z个刀齿，不但绕铣刀盘自身轴线以转速n2转动，而且沿铣刀盘圆周方向进行扭转振动，并沿工件7的轴线以进给速度S实现轴向进给。
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；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。
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》。
权利要求
1.一种超声波扭转振动车铣系统，其特征在于在车铣系统中采用超声波扭转振动车铣装置，它具有超声波发生器(1)、扭转振动夹芯式压电换能器(2)、扭转振动变幅杆(3)、法兰盘(4)、铣刀盘(5)、刀齿(6)、机架，扭转振动夹芯式压电换能器(2)与扭转振动变幅杆(3)、铣刀相连，铣刀具有铣刀盘(5)，铣刀盘(5)上设有刀齿(6)，扭转振动变幅杆(3)上设有法兰盘(4)，法兰盘(4)与机架相连。
2.一种使用如权利要求1所述系统的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(7)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采用超声波扭转振动车铣装置沿工件径向布置，超声波扭转振动车铣装置刀具绕其自身轴线旋转，其中，超声波发生器(1)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(2)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(3)放大后传递给铣刀盘(5)和刀齿(6)，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，从而完成超声波扭转振动车铣。
全文摘要
本发明公开了一种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采用超声波扭转振动车铣装置沿工件径向布置，超声波扭转振动车铣装置刀具绕其自身轴线旋转，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，从而完成超声波扭转振动车铣。本发明易于自动除屑、有利于提高加工精度和加工质量以及生产效率。
文档编号B23Q5/02GK101020245SQ200710067560
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月15日 优先权日2007年3月15日
发明者张云电, 喻家英, 余芳 申请人:杭州电子科技大学