一种碳纤维复合材料旋转超声铣磨加工装置及方法
【专利说明】一种碳纤维复合材料旋转超声铣磨加工装置及方法
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技术领域
[0002]本发明涉及一种碳纤维复合材料旋转超声铣磨加工技术，主要是一种采用超声铣磨加工技术对碳纤维复合材料进行加工的装置及方法。
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【背景技术】
[0004]碳纤维复合材料具有重量轻、比强度高、比模量高、耐腐蚀、耐高温等一系列的优点，且与人体的肌肉、骨骼、血液有良好的相容性，所以在航空航天、生物医学等领域均有广泛应用的前景。与金属材料加工不同，复合材料中的增强纤维是切削过程中的主要磨损要素，复合材料中的基体在切削过程中主要将切削力传递到纤维上，由于碳纤维复合材料硬度高、强度大、各向异性、导热性差、无法进行液体冷却，因此在传统的切削加工中存在纤维头露出、纤维从基体拔出、纤维与基体脱粘等现象，导致工件表面粗糙度较大、甚至工件报废；并且在切削加工中由于切削热很难导出，因此刀具磨损严重，经常刃磨和更换刀具；由于切屑为粉末状，因此在磨削加工中，导致砂轮孔堵塞，需经常修整砂轮。本发明提出以超声辅助切削代替传统切削的加工方式，以提高表面加工质量，降低刀具磨损；超声辅助磨削代替传统磨削的加工方式，采用电镀砂轮代替传统的砂轮，提升了碳纤维复合材料的加工性能。
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【发明内容】
[0006]为了避免上述技术中存在的缺点和不足之处，本发明的目的是要提供一种碳纤维复合材料旋转超声铣磨加工装置及方法，以实现高精密、高效率、高质量、低成本地加工碳纤维复合材料。
[0007]为了实现上述目的，本发明的技术方案如下:
一种碳纤维复合材料旋转超声铣磨加工装置，由超声波发生器、超声换能器、变幅杆、刀具、刀柄和机床本体组成；
所述的超声波发生器将工频交流电转变为有一定功率输出的超声频电振荡，提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量；所述的超声换能器是超声振动系统的核心部件，将超声发生器产生的超声频电能转换成超声振动的机械能；所述的超声变幅杆是一个上粗下细的棒杆，在超声振动系统工作过程中，将压电或者磁致伸缩换能器的小变形量进行振幅放大和聚能后再传输到工具头，进而实现对工件的超声加工；所述的刀具选用电镀的金刚石砂轮磨头对非烧蚀碳/碳复合材料进行铣磨加工，避免砂轮孔堵塞而造成砂轮钝化、加工尺寸精度不高的缺点；所述的刀柄的采用BT40刀柄；所述的超声振动装置安装到机床本体上，构成碳纤维复合材料旋转超声铣磨加工装置平台。
[0008]一种碳纤维复合材料旋转超声铣磨加工方法，包括以下步骤:
由超声发生器产生高频电振荡，施加于超声换能器上，将高频电振荡转换成超声频振动；超声振动通过变幅杆放大振幅，并驱动以一定的静压力，压在工件表面上的工具产生相应频率的振动，工具振动频率超过每秒两万次；工具上同时叠加一个旋转运行，保证加工精度并使切屑在有效范围内被快速清除；磨料悬浮液在超声振动和一定压力下，不停地高速冲击悬浮液中的磨粒，促使磨料高速抛磨工件表面；同时超声振动产生空化现象，在工件表面形成液体空腔，促使混合液渗入工件材料的缝隙里，空腔的瞬时闭合产生强烈的液压冲击强化了对工件材料的机械抛磨；加工区磨料悬浮液不断搅拌循环、加工产物不断排除，实现了碳纤维复合材料旋转超声铣磨加工的目的。
[0009]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
A、频率:超声电源的频率和变幅杆的固有频率一致,保证施加到变幅杆上的振动能弓I起变幅杆共振；
B、粗糙度:采用超声铣磨加工，碳纤维复合材料工件表面质量有明显提高，降低约16%"36% ；
C、磨头方向受力:采用超声加工，磨头进给方向受力约降低44%，磨头下压方向受力约降低46% ；
D、温升:经对比，普通加工温升为9°C，超声加工温升为6.4°C，超声加工温升降低29%，如果提高切削深度和进给速度等加工参数，加工温度升高时，这种优势会更加明显〃。
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【附图说明】
[0011]图1是碳纤维复合材料旋转超声铣磨加工装置示意图。
[0012]图中:1、超声发生器，2、超声换能器，3、变幅杆，4、刀具，5、刀柄，6、机床本体。
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【具体实施方式】
[0014]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0015]一种碳纤维复合材料旋转超声铣磨加工装置，由超声发生器1、超声换能器2、变幅杆3、刀具4、刀柄5、机床本体6组成；
所述的超声发生器I与超声换能器2连接；所述的超声换能器2与变幅杆3连接；所述的变幅杆3与刀具4连接；所述的超声振动装置与刀柄5连接；所述的超声振动装置安装在机床本体6上方。
[0016]一种碳纤维复合材料旋转超声铣磨加工方法，包括以下步骤:
由超声发生器产生高频电振荡，施加于超声换能器上，将高频电振荡转换成超声频振动；超声振动通过变幅杆放大振幅，并驱动以一定的静压力，压在工件表面上的工具产生相应频率的振动，工具振动频率超过每秒两万次；工具上同时叠加一个旋转运行，保证加工精度并使切屑在有效范围内被快速清除；磨料悬浮液在超声振动和一定压力下，不停地高速冲击悬浮液中的磨粒，促使磨料高速抛磨工件表面；同时超声振动产生空化现象，在工件表面形成液体空腔，促使混合液渗入工件材料的缝隙里，空腔的瞬时闭合产生强烈的液压冲击强化了对工件材料的机械抛磨；加工区磨料悬浮液不断搅拌循环、加工产物不断排除，实现了碳纤维复合材料旋转超声铣磨加工的目的。
【主权项】
1.一种碳纤维复合材料旋转超声铣磨加工装置，其特征在于:由超声波发生器、超声换能器、变幅杆、刀具、刀柄和机床本体组成；所述的超声波发生器将工频交流电转变为有一定功率输出的超声频电振荡，提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量；所述的超声换能器是超声振动系统的核心部件，将超声发生器产生的超声频电能转换成超声振动的机械能；所述的超声变幅杆是一个上粗下细的棒杆，在超声振动系统工作过程中，将压电或者磁致伸缩换能器的小变形量进行振幅放大和聚能后再传输到工具头，进而实现对工件的超声加工；所述的刀具选用电镀的金刚石砂轮磨头对非烧蚀碳/碳复合材料进行铣磨加工，避免砂轮孔堵塞而造成砂轮钝化、加工尺寸精度不高的缺点；所述的刀柄的采用BT40刀柄；所述的超声振动装置安装到机床本体上，构成碳纤维复合材料旋转超声铣磨加工装置平台。
2.一种碳纤维复合材料旋转超声铣磨加工方法，其特征在于:包括以下步骤:由超声发生器产生高频电振荡,施加于超声换能器上,将高频电振荡转换成超声频振动；超声振动通过变幅杆放大振幅，并驱动以一定的静压力，压在工件表面上的工具产生相应频率的振动，工具振动频率超过每秒两万次；工具上同时叠加一个旋转运行，保证加工精度并使切屑在有效范围内被快速清除；磨料悬浮液在超声振动和一定压力下，不停地高速冲击悬浮液中的磨粒，促使磨料高速抛磨工件表面；同时超声振动产生空化现象，在工件表面形成液体空腔，促使混合液渗入工件材料的缝隙里，空腔的瞬时闭合产生强烈的液压冲击强化了对工件材料的机械抛磨；加工区磨料悬浮液不断搅拌循环、加工产物不断排除，实现了碳纤维复合材料旋转超声铣磨加工的目的。
【专利摘要】本发明公开了一种碳纤维复合材料旋转超声铣磨加工装置和方法，所述的装置包括超声波发生器、超声换能器、变幅杆、刀具、刀柄和机床本体。所述的方法，采用超声辅助铣磨加工方法对非烧蚀碳/碳复合材料进行加工。本发明采用超声电源的频率和变幅杆的固有频率一致,保证施加到变幅杆上的振动能引起变幅杆共振；采用超声铣磨加工，碳纤维复合材料工件表面质量有明显提高，粗糙度降低约16%~36%；采用超声加工，磨头进给方向受力约降低44%，磨头下压方向受力约降低46%；超声铣磨加工和传统铣磨加工碳纤维复合材料切削温度对比,超声加工温升降低29%。
【IPC分类】B24B1-04
【公开号】CN104647147
【申请号】CN201310600238
【发明人】鞠洪建
【申请人】大连康赛谱科技发展有限公司
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2013年11月25日