一种高速分离超声振动切削控制方法与流程

本发明涉及一种高速分离超声振动切削控制方法。

背景技术：

参见图1，传统的超声振动切削是在切削速度方向对刀具施加超声波振动，称之为超声纵向振动，同时，图1中也示出了刀具运动轨迹。超声振动切削实现了刀具切削刃与工件切屑周期性分离，从而减小切削力，并改善加工表面质量，延长刀具寿命，因而被广泛应用于难加工材料的切削加工。但是在传统的超声振动切削加工过程中，为了保持这种周期性分离效果，存在临界切削速度vc，该临界切削速度vc满足以下公式：

vc＝2πf·a

其中，vc为切削速度，f为刀具振动频率，a为振幅。如果切削速度高于临界切削速度vc，刀具切削刃会始终与切屑接触，进而失去超声振动周期性分离的优势。所以在实际应用中，切削速度一般不超过临界切削速度的三分之一，这就导致这种传统的超声振动切削无法应用到高速加工领域。

参见图2，如果刀具的振动方向垂直于切削速度方向，称之为超声横向振动，同时，图2中还示出了刀具的运动轨迹。此情况下，切削速度不受刀具振动频率的限制，从而可以使超声振动高速化。但这种加工方法受超声振动以及主轴跳动的影响，会造成已加工表面的粗化，不符合对表面粗糙度的要求。

综上，目前现有超声振动切削技术无法同时满足高速切削和表面粗糙度的要求。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种能够同时满足高速切削和表面粗糙度要求的高速分离超声振动切削控制方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种高速分离超声振动切削控制方法，采用包含闭环dds的超声振动切削装置，控制刀具在切削过程中做包含垂直于切削速度方向振动的振动，同时通过控制沿切削方向相邻两转刀具运动轨迹的相位差，使相邻两转刀具运动轨迹中因垂直于切削速度方向的振动而产生的凹坑错位重叠。

根据本发明，超声振动切削装置包括超声振动系统、旋转编码器、主轴、刀具，超声振动系统包括超声信号发生器、功率放大器、超声换能器，旋转编码器实时测量主轴的当前旋转频率，旋转编码器的输出信号作为超声信号发生器的基准时钟信号，超声信号发生器的输出信号经功率放大器放大后送至超声换能器，超声换能器将输入的电信号转换成机械振动，激励刀具产生垂直于切削方向的横向超声振动，超声信号发生器为dds。

根据本发明，通过控制超声换能器的振动频率和主轴旋转频率的比值来控制相位差。

根据本发明，根据如下公式中的部分公式或全部公式来确定超声换能器的振动频率和振幅、以及主轴旋转频率：

其中，m为超声换能器的振动频率与主轴旋转频率的比值，f为超声换能器的振动频率，fz为主轴旋转频率，c为整数值，r为小数值；

θ＝2π×r

其中，θ为相位差，采用弧度制表示，r为小数值；

ap＜a

其中，ap为切削深度，a为超声换能器的振幅；

v＝πdfz×60

其中，v为切削线速度，d为工件直径，fz为主轴旋转频率。

根据本发明，超声换能器的振动频率设定为超声换能器的谐振频率。

根据本发明，通过控制超声信号发生器的频率控制字来控制超声换能器的振动频率，频率控制字采用如下公式，根据选定的超声换能器的振动频率、频率控制字的字长、旋转编码器的线数和选定的主轴旋转频率获得：

其中，x为频率控制字，x∈(1,2^k-1-1)，f为选定的超声换能器的振动频率，fz为主轴旋转频率，k为频率控制字的字长，p为旋转编码器的线数。

根据本发明，旋转编码器采用如下公式，根据旋转编码器的线数以及主轴的当前旋转频率，获得输出信号：

fc＝p×fz′

其中，fc为输出信号，p为旋转编码器的线数，fz'为主轴的当前旋转频率。

根据本发明，超声信号发生器的输出频率采用如下公式，根据输出信号、频率控制字的字长和频率控制字获得：

其中，fs为超声信号发生器的输出频率，fc为输出信号，x为频率控制字，k为频率控制字的字长。

根据本发明，刀具在切削过程中做垂直于切削速度方向的振动。

根据本发明，稳定的相位差控制结合稳定的进给量控制(进给量稳定控制采用现有方式)可以保证相邻两转刀具运动轨迹的凹坑有规律的错位重叠，进而保证工件表面形成的凹坑有规律的排布，降低凹坑残留高度：

其中，h为凹坑残留高度，a为超声换能器的振幅，θ为相位差，θ采用弧度制表示；

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明的高速分离超声振动切削控制方法，通过控制沿切削方向相邻两转刀具运动轨迹的相位差，使相邻两转刀具运动轨迹中因垂直于切削速度方向的振动而产生的凹坑错位重叠，进而使得刀具和工件在后一圈的相对转动的过程中，刀具能够切削掉前一圈相对转动时刀具因与工件表面分离而造成的空切部分，以此类推，从而减小工件因垂直于切削速度方向的振动而造成的表面粗糙度恶化程度。同时，采用包含闭环dds的超声振动切削装置来控制刀具的切削，相位差一经确定，在工作过程中将不受主轴的“扰动”而变化，由此保证相位差的稳定控制。综上，通过控制上述相位差且通过保证相位差确定后在实际加工过程中的稳定，能够同时满足高速切削和表面粗糙度的要求。

附图说明

图1为传统的超声纵向振动切削的示意图。

图2为超声横向振动切削的示意图。

图3为如下具体实施方式所提供的高速分离超声振动切削控制方法中沿切削方向相邻两转刀具运动轨迹中因横向振动而产生的凹坑错位重叠的示意图，该示意图从平行于工件表面方向示出刀具运动轨迹的视角示出。

图4为如下具体实施方式所提供的高速分离超声振动切削控制方法中沿切削方向相邻两转刀具运动轨迹中因横向振动而产生的凹坑错位重叠的另一示意图，该示意图从沿横向振动方向俯视的视角示出。

图5为如下具体实施方式所提供的超声振动切削相位差控制方法在切削过程中的工作示意图。

图6为如下具体实施方式所提供的高速分离超声振动切削控制方法应用于车削的示意图；

图7为采用如下具体实施方式所提供的高速分离超声振动切削控制方法完成的已加工表面光滑织构效果图；

图8为图7中已加工表面织构的局部放大图。

【附图标记】

1：工件；2：刀具。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

参照图3-图8，在本实施例中提供一种高速分离超声振动切削控制方法，其中，采用包含闭环dds的超声振动切削装置，控制刀具2的振动方向垂直于切削速度方向或具有垂直于切削速度方向的分量，即控制刀具2在切削的过程中做包含垂直于切削速度方向振动的振动(包含仅横向振动和具有横向振动的分量两种情况)。当满足条件ap(切削深度)<a(振幅)时，即可实现超声振动过程中刀具与工件的周期性分离，而与切削速度无关。但横向振动会使得刀具2在工件1表面产生凹坑。通过控制沿切削方向相邻两转刀具运动轨迹的相位差，使相邻两转刀具运动轨迹(如图3中的y0和y1所对应的两个刀具运动轨迹)中因横向振动而产生的凹坑错位重叠。其中，上述“相邻两转”指的是工件1和刀具2相对转过两圈，例如，在如车削中工件1转动的情况下，上述“相邻两转”指的是工件1转动两圈，在如铣削中刀具2转动的情况下，上述“相邻两转”指的是刀具2转动两圈。

由此，通过控制沿切削方向相邻两转刀具运动轨迹的相位差，使相邻两转刀具运动轨迹中因横向振动而产生的凹坑错位重叠，进而使得刀具2和工件1在后一圈的相对转动的过程中，刀具2能够切削掉前一圈相对转动时因横向振动分离而造成的空切部分，以此类推，从而减小工件1的凹坑残留高度，进而减小因横向振动而造成的表面粗糙度恶化程度。同时，采用包含闭环dds的超声振动切削装置来控制刀具的切削，相位差一经确定，在工作过程中将不受主轴的“扰动”而变化，由此保证相位差的稳定控制。因此，综上，通过控制上述相位差且通过保证相位差确定后在实际加工过程中的稳定，能够同时满足高速切削和表面粗糙度的要求。

进一步，在本实施例中，以车削为例，参照图5，高速分离超声振动切削控制方法应用于包含超声振动系统、旋转编码器、主轴、刀具2的超声振动切削装置(如机床)。其中，超声振动系统包括超声信号发生器、功率放大器、超声换能器。将刀具2安装在机床进给刀架上，工件1为回转体，经三抓卡盘安装在主轴上作高速旋转。旋转编码器安装在主轴尾端，与主轴一起高速旋转，用于实时测量主轴的当前旋转频率。旋转编码器的输出信号作为超声信号发生器的基准时钟信号，超声信号发生器的输出信号经功率放大器送至超声换能器，超声换能器将输入的电信号转换成机械振动(即超声波)，激励刀具2产生垂直于切削方向的横向超声振动，该振动的频率(f)等于超声信号发生器的输出频率(fs)。在本实施例中，超声信号发生器为直接数字式频率合成器(dds)，加工工件1的材料为ti-6al-4v。进一步，在本实施例中，通过控制超声换能器的振动频率和主轴旋转频率的比值来控制相位差。具体地，采用如下步骤确定超声换能器的振动频率和振幅、以及主轴旋转频率：

s1、采用如下公式，根据选定的超声换能器的振动频率和选定的主轴旋转频率，获得二者比值中的小数值：

其中，f为超声换能器的振动频率，fz为主轴旋转频率，c为整数值，r为小数值，f与fz的单位相同，在本实施例中优选为hz。超声换能器的振动频率优选为超声换能器的谐振频率，或位于谐振频率附近的一个值。主轴旋转频率根据实际工况需要而应使其位于一定的范围内。

s2、采用如下公式，根据小数值获得相位差：

θ＝2π×r

其中，θ为相位差，采用弧度制表示，r为小数值。

s3、采用如下公式，根据切削深度确定超声换能器的振幅：

ap<a

其中，ap为切削深度，a为超声换能器的振幅，ap与a的单位相同，在本实施实例中优选为μm。

综上，可理解，通过将超声换能器的振动频率和振幅、以及主轴旋转频率控制在上述计算出的数值，即可控制相位差在所需数值。当然，在实际工作中，上述各值的选取可能通过反复的验算、修正和完善。在本实施例中，通过反复的验算和完善，最终选定：f＝20804hz，fz＝30hz，c＝693，r＝0.47，θ＝0.94π，ap＝7μm，a在6-15μm的范围内选取10μm。

由此也可看出，在选定超声换能器的振幅时不能选取的过低，否则会使切削深度过低而严重影响加工效率。在本实施例中，ap＝7μm。切削深度在加工之前算出，在加工过程中不变。

进一步，在本实施例中，通过控制超声信号发生器的频率控制字来控制超声换能器的振动频率，频率控制字采用如下公式，根据选定的超声换能器的振动频率、频率控制字的字长、旋转编码器的线数和主轴旋转频率获得：

其中，x为频率控制字，x∈(1,2^k-1-1)，f为超声换能器的振动频率，计算时代入上一步骤中选定的超声换能器的振动频率，k为频率控制字的字长，p为旋转编码器的线数，fz为主轴旋转频率，计算时代入上一步骤中计算获得的主轴旋转频率，其中，f和fz的单位相同。在本实施例中，k＝20，p＝36000，计算得x＝20198。频率控制字在加工之前算出，加工过程中不变。

此外，采用如下公式，根据工件1直径和主轴旋转频率获得切削线速度：

v＝πdfz×60

其中，v为切削线速度，d为工件直径，fz为主轴旋转频率，计算时代入之前步骤中计算获得的主轴旋转频率。在本实施例中，d＝0.08m，fz＝30hz，v＝3.14×0.08×30×60＝452m/min，已达到高速切削。根据公式vc＝2πf·a，超声纵向振动的最高切削速度仅为78.4m/min。

另外，进给量f要满足横向振动产生的凹坑在进给方向上也能够相互重叠，根据不同的刀具2形状进行选择。在本实施例中，进给量f＝0.05mm/r。

综上，在加工前，确定好频率控制字、主轴旋转频率、超声换能器的振幅、进给量，然后根据已确定好的参数进行加工。由此，实现了通过设定每次加工的超声换能器的频率控制字和振幅、以及主轴旋转频率来控制相位差。由此，在本实施例中，表面粗糙度由无相位差控制时的0.785降低到0.303，显著减小。

进一步，参照图5，在加工过程中，通过旋转编码器实时测量主轴的当前旋转频率，并且旋转编码器采用如下公式，根据旋转编码器的线数以及主轴的当前旋转频率，获得输出信号，该输出信号作为超声信号发生器的基准时钟信号：

fc＝p×fz′

其中，fc为输出信号，p为旋转编码器的线数，fz'为主轴的当前旋转频率，fc与fz'的单位相同，在本实施例中均为hz。

并且，在加工过程中，超声信号发生器的输出频率采用如下公式，根据输出信号、频率控制字的字长和频率控制字获得：

其中，fs为超声信号发生器的输出频率，fc为输出信号，x为频率控制字，k为频率控制字的字长，fs与fc的单位相同，在本实施例中均为hz。

一般情况下，dds的基准时钟信号通常由晶体振荡器产生固定频率的时钟信号，dds在一定的频率控制字作用下其输出频率是固定的，称此种dds为开环dds。而在本实施例中，dds的基准时钟信号由旋转编码器产生，当主轴在旋转过程中因干扰而产生“跳动”时，主轴的当前旋转频率fz'出现不等于加工前设定的主轴旋转频率fz的情况，dds的基准时钟信号fc也成比例地变化，称此种dds为闭环dds。刀具2的超声振动频率与主轴的旋转频率的比值如下式所示：

当主轴在旋转过程中因干扰而产生“跳动”时，fz将发生变化；同时，f随fz成比例地发生变化，但二者的比值m不随主轴的“跳动”而变化。而由于采用闭环dds技术，相位差一经确定，在工作过程中将不受主轴的“扰动”而变化。由此，这种闭环dds技术实现相位差的稳定控制，从图7和图8中可看出，稳定的相位差控制结合稳定的进给量控制(进给量稳定控制采用现有方式)可以保证相邻两转刀具运动轨迹的凹坑有规律的错位重叠，进而保证工件表面形成的凹坑有规律的排布，降低凹坑残留高度：

其中，h为凹坑残留高度，a为超声换能器的振幅，θ为相位差，h与a的单位相同，在本实施例中优选为μm；θ采用弧度制表示。

综上，本实施例中的高速分离超声振动切削控制方法具有如下优势：

首先，闭环dds实现了沿切削方向上相邻两转微“凹坑”相位差的稳定、可控，进而通过对相位差进行的精准控制，降低横向振动加工的表面粗糙度水平，并且突破了切削速度限制，在高速条件下仍能实现分离；

其次，该高速分离超声振动切削控制方法可以应用于多种切削加工工艺，例如车削、铣削、磨削、钻削等，以实现难加工材料在高速分离超声振动加工的条件下，降低加工凹坑残留高度的目的；

再次，通过合理地设置切削参数(主要为主轴旋转频率)和超声振动参数(主要为超声换能器的振动频率和振幅)，该相位差控制方法可以获得稳定可控的微观表面织构。

当然，上述各参量数值的确定步骤仅为一个实施例，在其他实施例中可进行调整，只要能满足通过控制每次加工的相位差，即通过设定好相位差，来同时满足高速切削和表面粗糙度要求。其中，优选根据如下公式中的部分公式或全部公式来实现控制相位差，即根据如下公式中的部分公式或全部公式，综合确定各参量值，实现高速分离超声振动切削相位差的稳定控制：

θ＝2π×r

其中，θ为相位差，采用弧度制表示，r为小数值。

其中，m为超声换能器的振动频率与主轴旋转频率的比值，f为超声换能器的振动频率，fz为主轴旋转频率，c为整数值，r为小数值，f与fz的单位相同。

ap＜a

ap为切削深度，a为超声换能器的振幅，ap与a的单位相同。

其中，x为频率控制字，x∈(1,2^k-1-1)，f为超声换能器的振动频率，k为频率控制字的字长，p为旋转编码器的线数，fz为主轴旋转频率，f和fz的单位相同。

v＝πdfz×60

其中，v为切削线速度，d为工件直径，fz为主轴旋转频率。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。