专利名称：细长轴类零件的超声波振动车削系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种加工设备，具体涉及一种细长轴类零件的车削系统。
背景技术：
细长轴类零件在生产生活中广泛应用于机械、纺织、电力、船舶、航空航天领域。该 类零件刚性差，加工热变形大，普通车削时会造成工件产生锥度、跳动、椭圆、竹节形、腰鼓 肚等形位缺陷。如何控制其加工误差并提高加工精度已成为实际加工过程中的难题。超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程完成的。按超声波辐射大小 不同，超声技术的使用可分为两大方面一是利用它的能量来改变材料的某些状态，称为功 率超声；第二类是利用它来采集信息，称为检测超声。功率超声是超声学中一个重要的研究 方向，随着科学技术的发展，其应用遍及航空、航海、国防、生物工程以及电子等领域。功率超声技术在振动切削方面的应用十分广泛，超声振动切削除能对普通材料进 行加工外，还能对高硬、软、薄、脆等性能材料进行加工。超声辅助振动切削是超声加工技术 的重要组成部分，有着比普通切削优异的加工性能，它是通过在常规的切削刀具上施加高 频振动，使刀具和工件发生间断性的接触，从而使传统切削模式发生了根本性的变化。它解 决了传统切削加工中的某些固有难题，如切削中的振动和切削热变形等，从而得到了良好 的切削效果。细长轴超声波振动车削是通过在车刀上施加某种有规律的、可控的振动，使车削 速度、车削深度发生周期性改变，从而获得特殊车削效果的方法。振动车削改变了刀具和被 加工材料之间的空间——时间存在条件，从而改变了车削机理，达到减小车削力、车削热， 提高加工质量和效率的目的。振动车削按所加频率不同可分为高频振动和低频振动，低频 振动仅仅从量上改变切屑的形成条件，主要用来解决断屑以及与此相关的一系列问题。而 超声振动即高频振动车削已经使切屑形成机理产生重大变化，可以提高被加工材料的可加 工性，提高刀具寿命和工件加工质量。超声加工的工艺效果来自刀具和工件之间的分离运 动，即它是一种脉冲式的断续切削过程。由于刀具的脉冲切削作用，减少了切削变形区的摩擦和塑性变形，使切削力和切 削温度大大减小，起到了改善零件加工表面质量与加工精度，延长刀具寿命，提高切削效率的 作用，并扩大了切削加工的应用范围，可广泛用于车、铣、刨、磨、螺纹加工及齿轮加工等方面。经对现有技术的文献检索发现，Chandra Nath等在《Journal of MaterialsProcessing Technology》(《材料加工技术》)2007年上发表的《A study onultrasonic vibration cutting of low alloy steel》(《低合金钢的超声振动力口工研 究》)，该文中提出的超声波振动切削装置系统，其不足在于装置复杂，不可以在普通车床 上实现切削，需要改装车床。
发明内容本实用新型的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种细长轴类零件的超声波振动车削系统，它可以在普通车床上实现安装、进给和切削，提高了细长轴类零件的加工质 量并能延长刀具的寿命。实现上述目的的技术方案是一种细长轴类零件的超声波振动车削系统，包括普 通的车床、超声波发生器、超声波换能器、调幅器、刀具及刀具夹持件，其中，所述超声波发生器通过导线与所述的超声波换能器电连接，所述超声波换能器、 调幅器和刀具依次通过螺栓连接在一起，所述刀具包括刀杆和安装在刀杆头部的刀片，所 述刀杆通过所述的刀具夹持件固定在所述车床上；所述的超声波发生器以每秒钟20kHz的频率输送至所述超声波换能器，所述超声 波换能器将超声波信号转换为机械物理振动后通过所述调幅器将其放大或缩小，并依次加 载到所述的刀杆和刀片产生振幅为13 μ m的超声频振动。上述的细长轴类零件的超声波振动车削系统，其中，所述的超声波发生器为压电 式换能器，其工作频率为20kHz，输出功率为2200w，并与所述的超声波换能器谐振匹配。上述的细长轴类零件的超声波振动车削系统，其中，所述的调幅器采用圆锥型及 阶梯型的复合外形，材料采用铝合金7050。上述的细长轴类零件的超声波振动车削系统，其中，所述的刀杆材料选用45号调 质钢，它的长度取超声波在刀杆材料中传播的一个波长，即λ =c/f，所述刀杆的宽和高相 等并为20 25mm。上述的细长轴类零件的超声波振动车削系统，其中，所述的刀片选用数控刀片，它 通过螺钉固定于所述刀杆的头部，其车削角度可调整。本实用新型的细长轴类零件的超声波振动车削系统的技术方案，它可以在普通车 床上实现安装并具有以下有益效果1、细长轴的超声波振动车削是间断车削，因此有利于切屑的散热和排出；2、细长轴表面无撕裂与拉沟现象，表面粗糙度降低，圆度及柱度误差趋近于零，加 工质量明显提高；3、间断车削使刀具具有充足的冷却时间，车削温度大幅度降低，提高了刀具寿 命；4、车削力和消耗功率减小。
图1为本实用新型的细长轴类零件的超声波振动车削系统的结构示意图。
具体实施方式
为了能更好地对本实用新型的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例并结合 附图进行详细地说明请参阅图1，本实用新型的细长轴类零件的超声波振动车削系统，包括普通的车床 1、超声波发生器2、超声波换能器3、调幅器4、刀具5及刀具夹持件6，其中，超声波发生器2通过导线与超声波换能器3电连接，超声波换能器3、调幅器4和 刀具5依次通过螺栓连接在一起；刀具5包括刀杆51和安装在刀杆51头部的刀片52，刀 杆51通过刀具夹持件6及垫片7固定在车床1上；[0025]超声波发生器2为压电式换能器，其工作频率为20kHz，输出功率为2200w，具有自 动频率跟踪能力，可长时间连续不间断工作，并与超声波换能器3谐振匹配；调幅器4采用圆锥型及阶梯型的复合外形，材料采用铝合金7050，该材料在工作 频率范围内能量损耗小，抗疲劳强度高，并具有良好机械性能及阳极反应；调幅器4将机械 振动位移或速度振幅放大或者缩小，作为机械阻抗的变换器，使超声能量有效地向负载传 输。其谐振频率与外激振动频率(20kHz)相等，即两者处于共振状态。刀杆51材料选用45号调质钢，它的长度取超声波在刀杆材料中传播的一个波长， 即λ = c/f，刀杆51的宽和高相等并为20 25mm。刀片52选用数控刀片，它通过螺钉固定于刀杆51的头部，其车削角度可调整。本实用新型的细长轴类零件的超声波振动车削系统的工作原理是利用工件8旋 转、刀具5的轴向进给、刀具5的径向进给、刀具5的切向进给的合成运动来实现对工件8 的车削。超声波发生器2将交流电转换成20kHz的超声频电振荡信号，该信号可以是正弦 信号，也可以是脉冲信号，由信号发生器产生的频率信号经过功率放大器后需经阻抗匹配， 使得输出的阻抗与超声波换能器3相符。该高频电振荡信号通过超声波换能器3后转换为 机械振动，然后通过调幅器4将机械振动放大或者缩小，该放大或缩小的机械振动加载至 刀杆51后，通过刀杆51将机械振动传递至刀片，最终产生振幅为13 μ m的超声频振动，从 而完成细长轴工件8的超声波振动车削。利用超声波振动在车床上加工细长轴的工艺过程如下1、将细长轴工件8用车床主轴孔内的顶尖和车床尾座的顶尖顶紧，经过找正后固 定夹紧在车床卡盘上；2、安装刀具夹持件6和刀具5。刀片52的刀尖处要略低于工件8中心线，保持一 个振幅左右，以防止刀片52上下振动时刀尖碰到工件8引起破损。刀片52安装时注意观 察节点，要保证刀片52前后面不与车床1的刀架接触。保证刀片52垂直安装，否则刀片52 会因受力不均而损坏；3、安装超声振动设备。将超声波发生器2、超声波换能器3、调幅器4、刀杆51依次 相连。连接超声波发生器2和换能器3的信号线前要关闭电源，以免发生意外。接通电源 后，启动超声波振动系统，判断刀具5是否共振，各连接处有无发热现象。判断超声振动系 统位移接点处的连接元件和刀架有无振动。检查工艺系统的刚度是否符合要求；4、确认超声波发生器2运行平稳后，开始超声波振动车削加工。加工时，先进行普 通车削，然后开启超声波发生器2电源，在各参数不变的情况下进行超声车削。本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新 型，而并非用作为对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对以上所述 实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求书范围内。
权利要求一种细长轴类零件的超声波振动车削系统，包括普通的车床、超声波发生器、超声波换能器、调幅器、刀具及刀具夹持件，其特征在于，所述超声波发生器通过导线与所述的超声波换能器电连接，所述超声波换能器、调幅器和刀具依次通过螺栓连接在一起，所述刀具包括刀杆和安装在刀杆头部的刀片，所述刀杆通过所述的刀具夹持件固定在所述车床上；所述的超声波发生器以每秒钟20kHz的频率输送至所述超声波换能器，所述超声波换能器将超声波信号转换为机械物理振动后通过所述调幅器将其放大或缩小，并依次加载到所述的刀杆和刀片产生振幅为13μm的超声频振动。
2.根据权利要求1所述的细长轴类零件的超声波振动车削系统，其特征在于，所述的 超声波发生器为压电式换能器，其工作频率为20kHz，输出功率为2200w，并与所述的超声 波换能器谐振匹配。
3.根据权利要求1所述的细长轴类零件的超声波振动车削系统，其特征在于，所述的 调幅器采用圆锥型及阶梯型的复合外形，材料采用铝合金7050。
4.根据权利要求1所述的细长轴类零件的超声波振动车削系统，其特征在于，所述的 刀杆材料选用45号调质钢，它的长度取超声波在刀杆材料中传播的一个波长，S卩λ =c/f, 所述刀杆的宽和高相等并为20 25mm。
5.根据权利要求1所述的细长轴类零件的超声波振动车削系统，其特征在于，所述的 刀片选用数控刀片，它通过螺钉固定于所述刀杆的头部，其车削角度可调整。
专利摘要本实用新型公开了一种可以在普通车床上实现安装、进给和切削的细长轴类零件的超声波振动车削系统，包括普通的车床、超声波发生器、超声波换能器、调幅器、刀具及刀具夹持件，所述超声波发生器与超声波换能器电连接，所述超声波换能器、调幅器和刀具依次连接在一起，所述刀具包括刀杆和刀片，所述刀杆通过刀具夹持件固定在车床上；所述的超声波发生器以每秒钟20KHz的频率输送至超声波换能器，所述超声波换能器将超声波信号转换为机械物理振动后通过调幅器将其放大或缩小，并依次加载到刀杆和刀片产生振幅为13μm的超声频振动。本实用新型的超声波振动车削系统提高了细长轴类零件的加工质量并能延长刀具的寿命。
文档编号B23B27/16GK201684924SQ201020150778
公开日2010年12月29日 申请日期2010年4月6日 优先权日2010年4月6日
发明者姚利雄, 姚建芳, 杨丽娜, 王敏 申请人:上海电气电站设备有限公司