一种超声振动加工工件表面形貌加工及控制方法与流程

本发明涉及齿轮加工领域，特别是涉及一种超声振动加工工件表面形貌加工及控制方法。

背景技术：

目前，在切削加工的零件中，表面质量是工件的使用性能一个重要指标。为了满足一些重要的结合面或相对滑动面的使用要求，通常会对工件的表面粗糙度、残余应力、硬度等指标提出要求。但对使用工况复杂的高性能齿轮的表面质量中，传统的表面质量要求已不能满足要求，对工件齿面形貌提出了更高的要求，这是由于工件表面形貌对传动过程中的摩擦及传递层的形成中有决定性影响，不合适的齿面形貌会严重影响工件表面的性能，如图1所示，刀具切削刃与工件接触中会存在毛刺或残留高度，使工件表面形成非光滑的表面形貌。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本发明提出一种能准确获得预期工件表面形貌且表面光滑的超声振动加工工件表面形貌加工及控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种超声振动加工工件表面形貌加工及控制方法，包括如下步骤：

a、依据对齿轮加工过程中加工效率的要求，初步确定刀具的切削参数的取值范围，即刀具的转速、切削深度和每齿进给量的取值范围；

b、依据表面粗糙度的要求，调整步骤a中的每齿进给量使其满足表面粗糙度要求；

c、在步骤a中的切削参数取值范围内选择多组切削深度ai及转速ri；

d、依据步骤c选取的切削参数，再根据刀具的刀齿数n，得到多组切削参数引起的激励频率wi，wi＝ri·n；

e、依据机床的模态函数φk(w)，从多组激励频率wi中筛选出能避开机床模态的激励频率wc，激励频率wc对应的切削参数转速为rc；

f、将工件要求的表面形貌，通过表面形貌分析设备拟合成函数φc；

g、根据机床系统的等效刚度k1、阻尼系数c1和质量m1，依据机械振动理论，建立动力学模型，获得切削力f1(t)，再通过切削力模型得出切削深度h和每齿进给量fz；

h、若切削深度h和每齿进给量fz符合步骤a和步骤c的取值范围，则按照切削深度h、每齿进给量fz和转速为rc的切削参数对工件进行加工，若切削深度h或每齿进给量fz在步骤a和步骤c的取值范围外，则在保证切削力不变的前提下，修改切削深度和每齿进给量，直到符合要求再按照符合要求的切削参数对工件进行加工；

i、刀具按照步骤h中符合要求的切削参数进行加工的同时，在五轴铣削加工机床上增加一套超声振动辅助加工系统，采用球头铣刀加工工件大的表面形貌，超声振动辅助加工系统给刀具施加超声振动，通过刀具超声振动的挤压作用切除工件表面的毛刺并改变工件表面波纹，形成光滑的表面形貌。

进一步，所述步骤c中的切削深度ai及转速ri是根据机床的模态、工件的材料特性、切削力系数，通过颤振稳定性分析理论得出的。

进一步，所述步骤e中，激励频率wc选取范围在机床相邻频率的中间区域。

进一步，所述步骤f中，力学模型如下：

m1为切削系统等效质量；

c1(t)为切削加工系统等效阻尼系数；

k1(t)为切削加工系统等效刚度；

x1(t)表示振动位移函数，与工件要求的表面形貌为φc一致；

t表示时间。

进一步，所述机床系统的等效刚度k1、阻尼系数c1和质量m1是通过有限元计算获得。

进一步，所述机床模态函数φk(w)通过如下方式获得，首先建立机床的三维模型，通过有限元计算在切削力的激励下获得机床在不同阶下的振型，依据振型图，选择位移相对较大的位置布置加速度传感器；并在机床切削处工件端或刀具端，通过激振器施加激励力，通过信号采集及分析系统获得机床的模态函数φk(w)。

进一步，所述机床系统给刀具施加的振动为轴向-弯曲-扭转耦合振动。

本发明的有益效果是：通过优化切削参数，可得到满足工件要求的表面形貌，超声振动则在切削过程中增加了刀具在不同方向下的微小振动，通过挤压作用切除毛刺，形成光滑的表面形貌。并在机床控制系统的作用下，可以调节超声振动的频率和振幅，形成不同的波纹度的表面形貌，满足不同表面形貌的要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是工件加工后的表面形貌及其毛刺示意图；

图2是切削加工稳定区域图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明的一种超声振动加工工件表面形貌加工及控制方法，包括如下步骤：

a、依据对齿轮加工过程中加工效率的要求，初步确定刀具的切削参数的取值范围，即刀具的转速、切削深度和每齿进给量的取值范围。加工效率是由切削参数决定的，为切削速度、切削深度、每齿进给量的乘积。切削速度则由刀具的直径和转速决定，即刀具的周长和转速的乘积。

b、依据表面粗糙度的要求，调整步骤a中的每齿进给量使其满足表面粗糙度要求。在铣削加工中，降低每齿进给量的值能够显著降低表面粗糙度的值，提高表面质量，相对于其它切削参数，每齿进给量对工件表面粗糙度影响较大。例如在一种机床通过试验数据拟合的方式建立了表面粗糙度与切削参数的关系如下：

ra＝f(fz，ap，v)＝-2.0522+27.8856fz+8.059ap-0.001v

可根据该公式和表面粗糙度的要求去调整相应的切削参数。

c、在步骤a中的切削参数取值范围内选择多组切削深度ai及转速ri；

d、依据步骤c选取的切削参数，再根据刀具的刀齿数n，得到多组切削参数引起的激励频率wi，wi＝ri·n；

e、依据机床的模态函数φk(w)，从多组激励频率wi中筛选出能避开机床模态的激励频率wc，激励频率wc对应的切削参数转速为rc；

f、将工件要求的表面形貌，通过表面形貌分析设备拟合成函数φc；

g、根据机床系统的等效刚度k1、阻尼系数c1和质量m1，依据机械振动理论，建立动力学模型，获得切削力f1(t)，再通过切削力模型得出切削深度h和每齿进给量fz；

h、若切削深度h和每齿进给量fz符合步骤a和步骤c的取值范围，则按照切削深度h、每齿进给量fz和转速为rc的切削参数对工件进行加工，若切削深度h或每齿进给量fz在步骤a和步骤c的取值范围外，则在保证切削力不变的前提下，修改切削深度和每齿进给量，直到符合要求再按照符合要求的切削参数对工件进行加工；

i、刀具按照步骤h中符合要求的切削参数进行加工的同时，在五轴铣削加工机床上增加一套超声振动辅助加工系统，采用球头铣刀加工工件大的表面形貌，超声振动辅助加工系统给刀具施加超声振动，通过刀具超声振动的挤压作用切除工件表面的毛刺并改变工件表面波纹，形成光滑的表面形貌。

优选地，所述机床模态函数φk(w)通过如下方式获得：首先建立机床的三维模型，通过有限元计算在切削力的激励下获得机床在不同阶下的振型，依据振型图，选择位移相对较大的位置布置加速度传感器；并在机床切削处工件端或刀具端，通过激振器施加激励力，通过信号采集及分析系统获得机床的模态函数φk(w)(不同激励频率下的位移)和固有频率wk：

φk(ω)，k＝1，2，…，n，表示第k阶振型，

ωk，k＝1，2，…，n，表示第k阶固有频率。

切削的激励频率越靠近机床的各阶固有频率，切削加工中机床的响应会达到局部峰值，越容易导致切削加工发生异常振动，如自激振动、受迫振动，并导致一系列的负面后果，如表面粗糙度降低，刀具磨损增加等。步骤e中选定的激励频率远离机床的各阶固有频率，则会降低刀具发生异常振动的可能性。模态函数φk(w)是描述在激励频率下机床的响应关系。

优选地，所述步骤c中的切削深度ai及转速ri是根据机床的模态、工件的材料特性、切削力系数，通过颤振稳定性分析理论得出的，或者得出最后的多组符合要求的切削参数后，再根据机床的模态、工件的材料特性、切削力系数，通过颤振稳定性分析理论对其进行筛选，这只是个先后问题。具体筛选如图2所示，图中曲线为临界线，曲线之上为非稳定区域，曲线下为稳定区域，纵坐标为切削深度，单位为m，横坐标为转速，单位为转/分钟。

步骤c中是选取了一系列的组合参数。依据加工效率、表面粗糙度及激励频率的要求，评定切削参数中切削深度及每齿进给量是否符合要求。在保证切削深度与每齿进给量的乘积不变的情况下，调整切削参数中切削深度及每齿进给量的值。

优选地，所述步骤e中，激励频率wc选取范围在机床相邻的各阶固有频率的中间区域，这样能最大避开机床的各阶固有频率，减小机床的响应。

优选地，所述步骤g中，切削力计算过程如下，依据机械振动理论,建立高速切削加工工件与刀具相对运动动力学模型：

m1为切削系统等效质量；

c1(t)为切削加工系统等效阻尼系数；

k1(t)为切削加工系统等效刚度；

x1(t)表示振动位移函数，与工件要求的表面形貌为φc一致；

t表示时间。

在稳定的切削加工系统中，等效刚度及阻尼不随切削过程变化而改变，即k1(t)与k1，c1(t)与c1是一一对应的

另外x1(t)和f1(t)均由x、y、z互相垂直的三个方向的分量组成。

刀具切削面t-r-a坐标切削力与x-y-z坐标切削力的关系如下：

其中，θ1和β1分别为由刀具切削面t-r-a坐标向坐标系x-y-z转换时，切削面坐标绕a轴的旋转角度及绕t轴的旋转角度；a3-r表示刀具切削面t-r-a坐标饶a轴的旋转θ1角度的转换矩阵，r表示切削加工的径向；ar-a表示刀具切削面t-r-a坐标绕a轴的旋转θ1角度旋转后的坐标系绕t轴的旋转β1角度的坐标转换矩阵；fx表示x方向切削力；fy表示y向切削力，fz表示z向切削力；

通过超声振动辅助加工切削力试验，拟合切削力与切削深度之间的关系，获得超声振动切削力系数，获得1组或多组不同切削参数下切向、径向、轴向切削力系数：kt,kr,ka，其中，kt表示切向力系数；kr表示径向力系数；ka表示轴向力系数；t表示切向，r表示径向，a表示轴向；

根据高速切削加工瞬时刚性力模型建立切削力模型：

ft＝kt·h·fz

fr＝kr·h·fz

fa＝ka·h·fz

其中，ft表示切向切削力，fr表示径向切削力,fa表示轴向切削力，h为切削厚度；z表示工件坐标系x-y-z的z方向。

根据上述切削力模型和已知的切削力及切削力系数，可获得切削深度h和每齿进给量fz的乘积。而在步骤c中选取的切削深度ai及转速ri，其中切削深度ai为一段取值范围，根据切削深度和每齿进给量的乘积可以得到一系列的符合要求的切削深度、每齿进给量以及与其对应的转速rc，得到的参数都要满足步骤a中的加工效率要求和步骤b中粗糙度要求。再通过图2的稳定性区域图进行优化筛选。若在切削深度ai的取值范围内找不到满足要求的每齿进给量fz，那么再调整修改切削深度ai的数值，在切削深度和每齿进给量乘积不变以及转速不变的情况下，根据加工效率要求和粗糙度要求得出符合要求的每齿进给量fz。

获得符合要求的切削参数后，由于刀具切削刃与工件接触中会存在毛刺及残留高度，形成非光滑的表面形貌，如图1所示，并且由于切削过程中的剧烈变形及较大切削力，造成工件的相对较大残余应力，且工件表面并非都是凹面或者处于压应力状态，这会影响工件表面的性能。为此，所述超声振动辅助加工系统会给刀具施加的超声振动，振动类型优选为轴向-弯曲-扭转耦合振动。振动系统与机床主轴连接，具体地，超声振动辅助加工系统包括振动变幅杆，振动变幅杆嵌装在机床主轴内，振动变幅杆上设置有相应的超声波换能器，超声波换能器和超声波发生器连接，机床的控制系统控制超声波发生器来驱动超声波换能器振动，超声波换能器设置可根据振动类型要求来设置，如当只需要轴向振动时，只需要设置一对超声波换能器即可。

在超声振动辅助加工系统的作用下刀具发生轴向-弯曲-扭转耦合振动，在切削过程中增加了刀具在不同方向下的微小振动，通过挤压作用切除残留高度，形成光滑的表面形貌。并通过控制系统调节超声振动的幅值及不同方向振动的相角差，可形成不同波纹度的表面形貌，满足不同表面形貌的要求。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。