專利名稱：變參數(shù)振動(dòng)鉆削微孔的方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種加工微孔的裝置，具體地說(shuō)是指一種變參數(shù)振動(dòng)鉆削微孔的方法及其設(shè)備。
背景技術(shù)：
在航空、航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域大量零件上有長(zhǎng)徑比大的微孔加工工藝要求，微孔的加工質(zhì)量如表面粗糙度、形狀精度、出口毛刺等直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量。目前，國(guó)內(nèi)外加工微小孔(直徑小于1mm)的主要方法有普通鉆削、高速鉆削、電火花加工、電火花復(fù)合超聲振動(dòng)加工和激光加工等。這些加工工藝方法存在一些問(wèn)題，如電火花加工和激光加工的微小孔表面有加工硬化層，形狀精度不高。另外，國(guó)內(nèi)外也出現(xiàn)了振動(dòng)微小孔加工的工藝設(shè)備，但其存在的問(wèn)題是靈活性差，自動(dòng)化程度低，在加工微小孔時(shí)不能根據(jù)不同的加工階段選擇合適的加工參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、振動(dòng)幅度、振動(dòng)品率和進(jìn)給量等，為了進(jìn)一步提高微小孔的加工質(zhì)量，減少工藝路線，本發(fā)明人提出了變參數(shù)振動(dòng)鉆削微孔的方法和設(shè)備，該設(shè)備可以有效提高加工工藝的靈活性，針對(duì)不同的微孔和零件材料選擇合適的加工參數(shù)，同時(shí)，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，安裝方便靈活，可以應(yīng)用到許多種場(chǎng)合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種不同于傳統(tǒng)鉆削加工的特種加工方法，是在傳統(tǒng)鉆削加工的基礎(chǔ)上使鉆削工具產(chǎn)生一個(gè)軸向振動(dòng)，從而有效改善加工條件，提高微孔加工質(zhì)量和效率，特別針對(duì)難加工材料的微小孔鉆削問(wèn)題，可以有效解決加工工藝難題，提高自動(dòng)化水平和靈活性。
本發(fā)明的一種變參數(shù)振動(dòng)鉆削微孔的方法，是在每一次鉆削過(guò)程中根據(jù)鉆削階段的不同，分別采用不同的加工參數(shù)，鉆削階段可分為入鉆階段、鉆削中階段、出鉆階段三個(gè)階段，加工參數(shù)設(shè)定為鉆頭振動(dòng)頻率、鉆頭振動(dòng)幅度、鉆頭回轉(zhuǎn)速度、鉆頭進(jìn)給速度四個(gè)參數(shù)。
所述的鉆削方法，設(shè)定工件表面至孔深0.5mm處為入鉆階段，孔深0.5mm處至距工件底面0.5mm處為鉆削中階段，鉆頭距工件底面0.5mm處為出鉆階段，根據(jù)劃分的三個(gè)鉆削階段，結(jié)合工件材料和鉆孔工藝要求設(shè)定加工參數(shù)為振動(dòng)頻率1～1000Hz、振動(dòng)幅度1～10um、主軸轉(zhuǎn)速0～27000rpm、進(jìn)給速度1～20um/r。
所述的鉆削方法，可以根據(jù)加工材料的不同和鉆削孔徑的變化分階段調(diào)整加工參數(shù)。
所述的鉆削方法，可以鉆削直徑為0.1mm～2mm的微孔，長(zhǎng)徑比達(dá)10∶1的細(xì)長(zhǎng)孔。
本發(fā)明的一種變參數(shù)振動(dòng)鉆削微孔設(shè)備，由控制器、電源、步進(jìn)電機(jī)、彈簧夾頭、外套筒組成，其外套筒內(nèi)設(shè)有連接聯(lián)軸器、滾珠絲杠的絲杠支撐，電機(jī)的輸出軸連在聯(lián)軸器上，聯(lián)軸器的另一端連接滾珠絲杠，滾珠絲杠、直流高速電機(jī)套在主軸電機(jī)支撐內(nèi)，主軸電機(jī)支撐通過(guò)壓板同銅套連成一體，電機(jī)固定在壓板上并接電源，壓板下端的銅套內(nèi)設(shè)有壓電陶瓷和彈簧，電機(jī)的輸出軸連接主軸，彈簧夾頭將鉆頭固定在高速精密主軸上。
所述的鉆削設(shè)備，其步進(jìn)電機(jī)輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，滾珠絲杠將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為主軸電機(jī)支撐的軸線方向的直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)壓板和彈簧的共同作用，對(duì)壓電陶瓷施加一定的預(yù)緊力，帶動(dòng)高速精密主軸產(chǎn)生軸向進(jìn)給，為鉆頭切削提供軸向進(jìn)給。
所述的鉆削設(shè)備，其激振源采用壓電陶瓷產(chǎn)生1～1000Hz低頻振動(dòng)提供。
所述的鉆削設(shè)備，其特征在于壓電陶瓷產(chǎn)生的低頻振動(dòng)直接激勵(lì)高速精密主軸產(chǎn)生1～10um振幅的響應(yīng)。
所述的鉆削設(shè)備，其彈簧夾子采用精密彈簧夾頭，保證了安裝鉆頭良好的鉆頭回轉(zhuǎn)精度。
所述的鉆削設(shè)備，同軸式的主軸進(jìn)給方式，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的方式，帶動(dòng)高速精密主軸、壓電陶瓷、直流高速電機(jī)一同進(jìn)給。
本發(fā)明采用同軸使進(jìn)給裝置，優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)設(shè)備體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、進(jìn)給平穩(wěn)，可以將設(shè)備安裝在任意機(jī)架上，軸線可以朝向任意位置，大大提高設(shè)備應(yīng)用的靈活性和可靠性。


圖1是本發(fā)明的設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是將本發(fā)明的設(shè)備安裝在普通鉆孔操作架上示意圖。
圖3是本發(fā)明的設(shè)備鉆削微小孔同普通微孔鉆在軸向力方面的比較圖。
圖中1.步進(jìn)電機(jī) 2.外套筒 3.滾珠絲杠 4.控制器 5.電源 6.直流高速電機(jī) 7.壓電陶瓷 8.高速精密主軸 9.彈簧 10.銅套 11.精密彈簧夾頭 12.聯(lián)軸器 13.主軸電機(jī)支撐 14.壓板 15.架子具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
本發(fā)明的變參數(shù)振動(dòng)鉆削微孔方法，是根據(jù)鉆削加工處于不同的階段選取不同的加工參數(shù)，鉆削加工包括三個(gè)階段入鉆階段、鉆削階段、出鉆階段。入鉆階段要求能夠保證鉆頭有很高的回轉(zhuǎn)中心度，順利入鉆；鉆削階段要保證能夠順利斷屑、排屑、冷卻液能夠較好的冷卻、潤(rùn)滑鉆頭，提高鉆頭壽命；出鉆階段要求出口毛刺小，鉆削力不會(huì)突然增大而導(dǎo)致鉆頭斷裂。為此，在這三個(gè)階段必須選擇不同的加工參數(shù)，加工參數(shù)包括主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、鉆頭振動(dòng)頻率、鉆頭振動(dòng)幅度。
在本發(fā)明中，設(shè)定工件表面至孔深0.5mm處為入鉆階段，孔深0.5mm處至距工件底面0.5mm處為鉆削中階段，鉆頭距工件底面0.5mm處位出鉆階段；根據(jù)劃分的三個(gè)鉆削階段，結(jié)合工件材料和鉆孔工藝要求分別在如下范圍內(nèi)設(shè)定加工參數(shù)振動(dòng)頻率(1～1000Hz)、振動(dòng)幅度(1～10um)、主軸轉(zhuǎn)速(0～27000rpm)、進(jìn)給速度(1～20um/r)。
請(qǐng)參見圖1所示，本發(fā)明的一種變參數(shù)振動(dòng)鉆削微孔設(shè)備，由控制器4、電源5、步進(jìn)電機(jī)1、精密彈簧夾頭11、外套筒2組成，其外套筒2內(nèi)設(shè)有連接聯(lián)軸器12、滾珠絲杠3的絲杠支撐，電機(jī)1的輸出軸連在聯(lián)軸器12上，聯(lián)軸器12的另一端連接滾珠絲杠3，滾珠絲杠3、直流高速電機(jī)6套在主軸電機(jī)支撐13內(nèi)，主軸電機(jī)支撐13通過(guò)壓板14同銅套10連成一體，電機(jī)6固定在壓板14上并接電源5，壓板14下端的銅套10內(nèi)設(shè)有壓電陶瓷7和彈簧9，電機(jī)6的輸出軸連接主軸8，精密彈簧夾頭11將鉆頭固定在高速精密主軸8上。通過(guò)給壓電陶瓷7施加1～1000Hz的交流電壓使壓電陶瓷7產(chǎn)生相同頻率的伸縮，最后直接推動(dòng)高速精密主軸8整體產(chǎn)生軸向振動(dòng)，通過(guò)控制器4調(diào)節(jié)電源5的驅(qū)動(dòng)頻率和驅(qū)動(dòng)電壓，可以使鉆頭產(chǎn)生軸向不同頻率和振幅的振動(dòng)。本發(fā)明的主軸結(jié)構(gòu)采用了壓電陶瓷7上激振高速精密主軸8的方式，由于高速精密主軸8很輕，很容易被激振并產(chǎn)生較大振幅。高速精密主軸8的最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到30,000r/min，而且?guī)в芯軓椈蓨A頭11，可以保證鉆頭的回轉(zhuǎn)精度達(dá)到1um。本發(fā)明的主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用了無(wú)級(jí)變速直流高速電機(jī)6，通過(guò)控制器4可以調(diào)節(jié)直流高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速。為防止鉆頭在加工過(guò)程中由于進(jìn)給不均勻而造成損傷，本發(fā)明采用同軸式進(jìn)給方式，這種進(jìn)給方式是由步進(jìn)電機(jī)1直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠3帶動(dòng)銅套10隨直流高速電機(jī)6、壓電陶瓷7、高速精密主軸8、彈簧9一起進(jìn)給，最小進(jìn)給為一個(gè)控制脈沖進(jìn)給1um，并且不存在爬行現(xiàn)象。
本發(fā)明采用的變參數(shù)振動(dòng)微孔鉆削工藝可以使鉆削微小孔時(shí)，特別是鉆削難加工材料、復(fù)合材料時(shí)，在不同的鉆削階段選擇不同的加工參數(shù)，而且參數(shù)選擇范圍很廣，保證了加工質(zhì)量同時(shí)，提高了加工效率。而且，變參數(shù)加工可以使本發(fā)明的設(shè)備可以取得廣泛的應(yīng)用，靈活性大大提高。
本發(fā)明采用壓電陶瓷7激振高速精密主軸8產(chǎn)生振動(dòng)的方式是鉆頭11產(chǎn)生軸向振動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是振動(dòng)體重量輕，容易起振，而且激振體體積小、功率大、結(jié)構(gòu)緊湊，可以使整個(gè)設(shè)備的體積減小。
本發(fā)明采用同軸使進(jìn)給裝置，優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)設(shè)備體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、進(jìn)給平穩(wěn)，可以將設(shè)備安裝在任意機(jī)架上，軸線可以朝向任意位置，大大提高設(shè)備應(yīng)用的靈活性和可靠性。
如圖3所示，是變參數(shù)振動(dòng)微孔鉆削設(shè)備鉆削微小孔同普通微孔鉆在軸向力方面的比較圖，從圖中可以看到變參數(shù)振動(dòng)微孔鉆削軸向力大大降低，而且變化平穩(wěn)，特別是入鉆和出鉆階段，沒(méi)有軸向力突然升高的階段，有利于提高鉆頭壽命、減小出口毛刺。通過(guò)具體實(shí)例可以看到，本發(fā)明通過(guò)變參數(shù)振動(dòng)鉆削可以有效提高加工質(zhì)量和提高鉆頭壽命。
本發(fā)明的變參數(shù)振動(dòng)鉆削微孔設(shè)備可以將其安裝在普通臺(tái)鉆的架子15上，可以方便的代替普通臺(tái)鉆，實(shí)現(xiàn)變參數(shù)振動(dòng)微孔鉆削設(shè)備，而且自動(dòng)化程度大大提高。
例如在45號(hào)鋼材料上鉆削直徑為0.5mm的孔，通過(guò)給壓電陶瓷7施加頻率為500～1000Hz、600v的交流驅(qū)動(dòng)電壓，使高速精密主軸8產(chǎn)生3～7um振幅的軸向振動(dòng)。通過(guò)控制器4分別設(shè)定入鉆階段的參數(shù)(振動(dòng)頻率500Hz、振幅7um、轉(zhuǎn)速23000r、進(jìn)給速度1um/r)，鉆削階段的參數(shù)(振動(dòng)頻率750Hz、振幅5um、轉(zhuǎn)速20000r、進(jìn)給速度2um/r)和出鉆階段的參數(shù)(振動(dòng)頻率1000Hz、振幅3um、轉(zhuǎn)速20000r、進(jìn)給速度0.5um/r)，然后啟動(dòng)鉆削微孔。本發(fā)明可以加工直徑為0.1mm～2mm的微孔，微孔長(zhǎng)徑比可以達(dá)到20∶1，鉆頭壽命可以提高5～10以上，切削力可以下降一半以上。
本發(fā)明的設(shè)備有效改善了加工條件，提高了微孔加工質(zhì)量和效率，特別針對(duì)難加工材料的微小孔鉆削，可以得到有效解決，提高了自動(dòng)化水平和靈活性。
權(quán)利要求
1.一種變參數(shù)振動(dòng)鉆削微孔的方法，其特征在于每一次鉆削過(guò)程中根據(jù)鉆削階段的不同，分別采用不同的加工參數(shù)，鉆削階段可分為入鉆階段、鉆削中階段、出鉆階段三個(gè)階段，加工參數(shù)設(shè)定為鉆頭振動(dòng)頻率、鉆頭振動(dòng)幅度、鉆頭回轉(zhuǎn)速度、鉆頭進(jìn)給速度四個(gè)參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆削方法，其特征在于設(shè)定工件表面至孔深0.5mm處為入鉆階段，孔深0.5mm處至距工件底面0.5mm處為鉆削中階段，鉆頭距工件底面0.5mm處為出鉆階段，根據(jù)劃分的三個(gè)鉆削階段，結(jié)合工件材料和鉆孔工藝要求設(shè)定加工參數(shù)為振動(dòng)頻率1～1000Hz、振動(dòng)幅度1～10um、主軸轉(zhuǎn)速0～27000rpm、進(jìn)給速度1～20um/r。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的鉆削方法，其特征在于可以根據(jù)加工材料的不同和鉆削孔徑的變化分階段調(diào)整加工參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的鉆削方法，其特征在于可以鉆削直徑為0.1mm～2mm的微孔，長(zhǎng)徑比達(dá)10∶1的細(xì)長(zhǎng)孔。
5.一種變參數(shù)振動(dòng)鉆削微孔設(shè)備，由控制器、電源、步進(jìn)電機(jī)、彈簧夾頭、外套筒(2)組成，其特征在于外套筒(2)內(nèi)設(shè)有連接聯(lián)軸器(12)、滾珠絲杠(3)的絲杠支撐，電機(jī)(1)的輸出軸連在聯(lián)軸器(12)上，聯(lián)軸器(12)的另一端連接滾珠絲杠(3)，滾珠絲杠(3)、直流高速電機(jī)(6)套在主軸電機(jī)支撐(13)內(nèi)，主軸電機(jī)支撐(13)通過(guò)壓板(14)同銅套(10)連成一體，電機(jī)(6)固定在壓板(14)上并接電源(5)，壓板(14)下端的銅套(10)內(nèi)設(shè)有壓電陶瓷(7)和彈簧(9)，電機(jī)(6)的輸出軸連接主軸(8)，彈簧夾頭(11)將鉆頭固定在高速精密主軸(8)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鉆削設(shè)備，其特征在于步進(jìn)電機(jī)(1)輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器(12)帶動(dòng)滾珠絲杠(3)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，滾珠絲杠(3)將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為主軸電機(jī)支撐(13)的軸線方向的直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)壓板(14)和彈簧(9)的共同作用，對(duì)壓電陶瓷(7)施加一定的預(yù)緊力，帶動(dòng)高速精密主軸(8)產(chǎn)生軸向進(jìn)給，為鉆頭切削提供軸向進(jìn)給。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鉆削設(shè)備，其特征在于激振源采用壓電陶瓷(7)產(chǎn)生1～1000Hz低頻振動(dòng)提供。
8根據(jù)權(quán)利要求5所述的鉆削設(shè)備，其特征在于壓電陶瓷(7)產(chǎn)生的低頻振動(dòng)直接激勵(lì)高速精密主軸(8)產(chǎn)生1～10um振幅的響應(yīng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鉆削設(shè)備，其特征在于彈簧夾頭采用精密彈簧夾頭(11)，保證了安裝鉆頭良好的鉆頭回轉(zhuǎn)精度。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鉆削設(shè)備，其特征在于同軸式的主軸進(jìn)給方式，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)(1)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠(3)的方式，帶動(dòng)高速精密主軸(8)、壓電陶瓷(7)、直流高速電機(jī)(6)一同進(jìn)給。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種變參數(shù)振動(dòng)鉆削微孔的方法及其設(shè)備，該設(shè)備由控制器、電源、步進(jìn)電機(jī)、精密彈簧夾頭、外套筒組成，其外套筒內(nèi)設(shè)有連接聯(lián)軸器、滾珠絲杠的絲杠支撐，電機(jī)的輸出軸連在聯(lián)軸器上，聯(lián)軸器的另一端連接滾珠絲杠，滾珠絲杠、直流高速電機(jī)套在主軸電機(jī)支撐內(nèi)，主軸電機(jī)支撐通過(guò)壓板同銅套連成一體，電機(jī)固定在壓板上并接電源，壓板下端的銅套內(nèi)設(shè)有壓電陶瓷和彈簧，電機(jī)的輸出軸連接主軸，精密彈簧夾頭將鉆頭固定在高速精密主軸上。該方法為每一次鉆削過(guò)程中根據(jù)鉆削階段的不同，分別采用不同的加工參數(shù)，鉆削階段可分為入鉆階段、鉆削中階段、出鉆階段三個(gè)階段，加工參數(shù)設(shè)定為鉆頭振動(dòng)頻率、鉆頭振動(dòng)幅度、鉆頭回轉(zhuǎn)速度、鉆頭進(jìn)給速度四個(gè)參數(shù)。
文檔編號(hào)B23B41/00GK1418747SQ0215869
公開日2003年5月21日 申請(qǐng)日期2002年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月26日
發(fā)明者張德遠(yuǎn), 陳志同, 季遠(yuǎn), 姜興剛 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)