一种多场耦合加热辅助钻削装置的制作方法

本实用新型涉及机械加工技术领域，特别涉及一种多场耦合加热辅助钻削装置。

背景技术：

电加热钻削技术是在工件和钻头之间通以低电压大电流，在钻削过程中工件与钻头之间产生接触电阻，迅速产生大量焦耳热，高温降低了变形材料的强度、硬度，因此，电加热辅助钻削技术可以降低钻削力和扭矩，减轻材料对钻头的磨损，提高钻头寿命。但是电加热钻削过程中刀尖温度较高，降低了钻头强度并且加剧了钻头的粘结磨损，制约了钻头寿命的进一步提高。激光加热结合电加热辅助钻削不仅能够加速剪切变形区材料的软化，提高材料变形能力，还能够使切屑形成后更加容易排出，减少了因切屑的刮擦而造成孔径增大的现象，提高了孔加工质量。

国外学者对高温合金、淬硬钢等难加工金属材料进行了电加热钻削的试验研究，证明了电加热钻削的优点，可以在提高加工效率的同时降低钻头磨损。但是这些材料均属于高熔点的难加工材料，例如颗粒增强铝基复合材料、高温合金、钛合金等难加工材料的孔加工，在电加热钻削过程中需要较长时间通很大电流加热到适宜钻削温度，此时的高温给钻削钻头带来了较大的热损伤，加剧了钻头的粘结磨损，降低了钻头的使用寿命，为保证加工精度，不得不频繁更换钻头，这就会大大增加制造成本。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的难加工材料小孔加工时对钻头磨损严重、加工精度无法保证等技术问题，本实用新型提供了一种多场耦合加热辅助钻削装置，适用于难加工材料小孔的钻削，解决了钻头磨损剧烈以及加工质量差的问题，能够减少更换钻头以及钻头磨损值测量的次数，降低了制造成本，实现钻削加工效率的最大化。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种多场耦合加热辅助钻削装置，安装在钻床或者铣床上，包括导电滑环、测力仪、激光预热系统和电加热辅助钻削系统；

所述导电滑环为圆环结构，所述导电滑环安装在钻床主轴上，且导电滑环与钻床主轴通过绝缘体一连接，所述钻床主轴的下方与钻头连接，所述导电滑环与钻头电连接，所述钻头的下方设有工件，所述工件的下方与绝缘体二连接，所述绝缘体二安装在测力仪上；

所述激光预热系统包括工控机、激光发生器和激光头，所述工控机与激光发生器的输入端连接，所述激光发生器的输出端与激光头连接，所述激光头设置在工件的上方；

所述电加热辅助钻削系统包括电源，所述电源的一端与导电滑环连接，所述电源的另一端与工件连接，所述电源的一端与导电滑环连接的连接线上串联有电流表和取样电阻，所述取样电阻上并联有电压表，所述电源的另一端与工件连接的连接线上串联有等效电阻和电感。

所述钻床主轴的下方与钻头通过钻卡头连接。

所述钻床主轴与钻卡头之间设有绝缘胶，用以保证钻床主轴与钻头绝缘。

所述测力仪固定在工作台上。

所述导电滑环与钻床主轴之间设有套筒。

所述电源为直流脉冲电源。

上述多场耦合加热辅助钻削装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一、安装工件，将工件与绝缘体二连接，并一起安装在测力仪上，再将测力仪固定在工作台上，将导电滑环通过绝缘体一安装到钻床主轴上，并调整好安装间隙，保持对中性，将钻头通过钻卡头安装在钻床主轴上，并调正；

步骤二、安装电加热辅助钻削系统，将钻头与工件表面轻轻接触，将导电滑环、钻头、工件、电流表、取样电阻、电压表、电源、等效电阻和电感连接成闭合回路；

步骤三、设定激光预热系统参数，根据设定温度场，通过有限元仿真方法确定激光功率、加热时间和激光光斑直径；

步骤四、设定电加热辅助钻削系统参数，电加热辅助钻削系统的参数包括加热电流和通电时间；

步骤五、设定钻削加工工艺参数，在钻床上设定转速、和进给量；

步骤六、加工，打开激光发生器、测力仪和电源，通过激光头将工件表面温度预热至设定温度场，关闭激光发生器，启动钻床，根据步骤五中设定的转速、和进给量开始钻削，钻削的过程中通过测力仪采集钻削力和扭矩，同时，通过电源控制钻削过程中的加热电流，使工件表面温度保持在设定温度场；

步骤七、加工完成，关闭电源、钻床和测力仪。

所述加热电流通过钻头与工件接触区的加热电阻确定。

所述设定温度场为钻头材料和工件材料的硬度差值为最大值时的温度。

本实用新型的有益效果：

(1)在电加热钻削过程中需要较长时间通很大电流加热到设定钻削温度，此时的高温给钻削钻头带来了较大的热损伤，加剧了钻头的粘结磨损，采用激光预热系统将工件表层材料预热，能够降低钻头的工作温度，延长钻头的使用寿命；

(2)电源通过钻头对变形区材料加热时升温迅速，热效率高，热影响区域小；

(3)在电加热辅助钻削系统钻削的过程中根据电压表和电流表的读数，通过调节电源进行控制，使加热电流始终保持在最优范围内，保证在钻削过程中加工精度和效率；

(4)针对难加工材料采用多场耦合加热辅助钻削装置进行钻削，能够大大降低钻头磨损，改善加工质量，提高加工效率。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种多场耦合加热辅助钻削装置的示意图；

图2是本实用新型提供的激光预热系统将工件表面温度预热至设定温度场的示意图。

图中，1-工作台，2-测力仪，3-绝缘体二，4-工件，5-钻头，6-套筒，7-导电滑环，8-钻床主轴，9-绝缘体一，10-钻卡头，11-电流表，12-电压表，13-取样电阻，14-电感，15-等效电阻，16-电源，17-激光头，18-激光发生器，19-工控机。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“一”、“二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

为了解决现有技术存在的问题，如图1至图2所示，本实用新型提供了一种多场耦合加热辅助钻削装置，安装在钻床或者铣床上，包括导电滑环7、测力仪2、激光预热系统和电加热辅助钻削系统。

导电滑环7为圆环结构，导电滑环7安装在钻床主轴8上，且导电滑环7与钻床主轴8通过绝缘体一9连接，导电滑环7与钻床主轴8之间设有套筒6，用于防止导电滑环7与钻床主轴8之间存在间隙，钻床主轴8的下方与钻头5连接，钻床主轴8的下方与钻头5通过钻卡头10连接，且钻床主轴8与钻卡头10之间设有绝缘胶，用以保证钻床主轴8与钻头5绝缘，导电滑环7与钻头5电连接，使得电源16通过导电滑环7将电流传送给钻头5，钻头5的下方设有工件4，工件4的下方与绝缘体二3连接，绝缘体二3安装在测力仪2上，测力仪2固定在工作台1上，本实施例中，工作台1为数控钻床工作台或数控铣床工作台。

激光预热系统包括工控机19、激光发生器18和激光头17，工控机19为现有技术，且与激光发生器18的输入端连接，激光发生器18的输出端与激光头17连接，激光头17设置在工件4的上方。电加热辅助钻削系统包括电源16，电源16为直流脉冲电源，电源16的一端与导电滑环7连接，电源16的另一端与工件4连接，电源16的一端与导电滑环7连接的连接线上串联有电流表11和取样电阻13，电流表11设置在靠近工件4的一侧，取样电阻13上并联有电压表12，电源16的另一端与工件4连接的连接线上串联有等效电阻15和电感14，等效电阻15设置在靠近电源16的一侧。

上述多场耦合加热辅助钻削装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一、安装工件4，将工件4与绝缘体二3连接，并一起安装在测力仪2上，再将测力仪2固定在工作台1上，将导电滑环7通过绝缘体一9安装到钻床主轴8上，并调整好安装间隙，保持对中性，将钻头5通过钻卡头10安装在钻床主轴8上，并调正；

步骤二、安装电加热辅助钻削系统，将钻头5与工件4表面轻轻接触，将导电滑环7、钻头5、工件4、电流表11、取样电阻13、电压表12、电源16、等效电阻15和电感14连接成闭合回路；

步骤三、设定激光预热系统参数，根据设定温度场，通过有限元仿真方法确定激光功率、加热时间和激光光斑直径，其中，设定温度场为钻头5材料和工件4材料的硬度差值为最大值时的温度；

步骤四、设定电加热辅助钻削系统参数，电加热辅助钻削系统的参数包括加热电流和通电时间，其中，加热电流和通电时间通过数值计算法得到，且加热电流通过钻头5与工件4接触区的加热电阻确定；

步骤五、设定钻头5加工工艺参数，在钻床上设定转速、和进给量；

步骤六、加工，打开激光发生器18、测力仪2和电源16，通过激光头17将工件4表面温度预热至设定温度场，关闭激光发生器18，启动钻床，根据步骤五中设定的转速、和进给量开始钻削，钻削的过程中通过测力仪2采集钻削力和扭矩，同时，通过电源16控制钻削过程中的加热电流，使工件4表面温度保持在设定温度场；

步骤七、加工完成，关闭电源16、钻床和测力仪2。

本实用新型中步骤一中的安装间隙的范围为为0～5um。步骤四中的加热电流和通电时间通过数值计算法得到，本实施例中数值计算法为接触面温升公式和焦耳定律。钻头5材料和工件4材料的强度比和硬度比会随温度的增加而变化，在电加热辅助钻削中，钻头5材料和工件4材料的硬度差值为最大值时的钻削效果最好，此时的温度场为多场耦合加热辅助钻削装置钻削中的适宜温度场，即为最佳加热温度，在该温度下，钻头5的耐用度最高。电源16控制钻削过程中的加热电流，通过实时调整电源16的档来使得加热电流始终处于最优范围内，进而使钻头5和工件4的接触区温度保持在设定温度场，即钻头5材料和工件4材料的硬度差值为最大值时的温度，保证多场耦合加热辅助钻削的高效高质量，本实施例中，加热电流的最优范围能够使钻头5和工件4的接触区温度保持在设定温度场的加减10度范围内。

本实用新型中，测力仪2与电脑相连，与测力仪2配套的测力仪软件用于记录，测力仪2及其配套的软件均为现有技术，通过安装在工作台1上的测力仪2能够实时测量出多场耦合加热辅助钻削装置钻削时的钻削力和扭矩，测力仪2将采集到的电压信号放大、处理后显示钻削力和扭矩，以便分析与常规钻削不同的规律，实际使用中，采用本实用新型的多场耦合加热辅助钻削装置的钻削力和扭矩均降低了。

本实用新型中，采用多场耦合加热辅助钻削装置进行钻削是指在对加工难加工材料小孔时，首先利用激光预热系统的连续激光束将工件4表层材料预热到设定温度场，再利用电加热辅助钻削系统进行钻削加工，在钻削加工的过程中利用钻头5和工件4构成回路通以电流，这是因为钻头5与工件4的接触区面积很小，由接触电阻理论可知，在钻头5与工件4的接触区会产生较大的接触电阻，大电流的焦耳效应迅速加热了钻头5与工件4的接触区，使钻头5与工件4的接触区材料强度降低，从而使钻削变得容易，这使得多场耦合加热辅助钻削系统钻削产生的热量大大降低，从而降低了钻头5的工作温度，延长了钻头5的使用寿命，不用频繁的取下钻头5进行更换，在保证加工精度的前提下，提高加工效率；在电加热辅助钻削系统钻削的过程中根据电压表12和电流表11的读数人工调节电源16的档，使加热电流始终保持在最优范围内，保证在钻削过程中加工精度和效率。

本实用新型中，激光预热系统预热过程中，激光预热系统根据设定温度场，通过有限元仿真方法确定激光功率、加热时间和激光光斑直径，其中，有限元仿真方法是通过ansys软件来实现的，通过对激光预热系统生成的热量建模，确定激光功率、加热时间和激光光斑直径。

本实用新型中激光预热系统预热生成的热量通过傅里叶热传导理论计算：

其中，ρ为密度(kg/m³)；cp为比热容(j/kg·k)；ω为角速度(rad/s)；vz为激光轴向移动速度(m/s)；qv为内热源功率密度；单位体积生热率(w/m³)；r是半径(m)，k是热导率(w/(m·k))。

本实用新型中，电加热辅助钻削系统钻削的过程中，要保证加热电流始终处于最优范围内，也就是使钻头5和工件4的接触区温度保持在设定温度场，需要计算出加热电阻的大小，根据金属钻削过程本身特点,加热电阻包括三个部分，即金属材料电阻rm，钻头5和工件4接触区的接触电阻rt和电流线密度发生变化而形成的扩展电阻rs。

本实用新型根据下述公式：

式中：ρc为工件材料的电阻率(ω·m)；ρt为钻头材料的电阻率(ω·m)；f为每转进给量mm/r；кr为刀具主偏角(°)；ξ为工件材料的变形系数；为刀具顶角(°)；γo为刀具前角(°)；lf为刀-屑的接触长度(mm)；ae为切削厚度mm；ap为切削深度mm；ε为应变；

再利用matlab软件编程来实现，只要向matlab软件中输入工件材料的电阻率、钻头的螺旋角度即λstm(°)、钻头材料的电阻率、转速和进给量，就能够计算出加热电阻ru的大小。其中，加热电阻ru等于金属材料电阻rm、接触电阻rt与扩展电阻rs的和，通过输入参量ρc、f和ap计算得到扩展电阻rs；通过输入参量ρc、f、кr、ae、γo、ξ、lf、ap和ε计算得到金属材料电阻rm；通过通过输入参量ρc、ρt、кr、lf和ap计算得到接触电阻rt。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。