CN100364673C - 一种高效超声波加工设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高效超声波加工设备，其结构是由底座、床身、导轨、超声振动工作装置、工作台、主轴进给装置、控制装置和超声波发生器构成，床身设置在底座上，导轨平行设置在床身上，超声振动工作装置与导轨相接并通过主轴进给装置的托板沿导轨作上下移动，工作台设置在超声振动工作装置下方的底座上，控制装置设置在底座的内腔之中并通过导线与主轴进给装置的主轴进给伺服电机、超声振动工作装置的传感器和换能器相接构成闭环控制回路，超声波发生器设置在底座的内腔之中并通过导线与换能器相接。本发明的高效超声波加工设备其加工效率比传统加工方法提高5倍，与传统的超声波加工方法相比，效率提高10倍以上。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种切削机床，具体地说是一种加工硬脆性材料的高效超声波加工设备。
(二)背景技术
当今，在医疗器械、光学工业、机械、通讯、电子、能源以及汽车工业等领域内，对高硬度零件的需求日益增加。但此类材料具有高硬度、高脆性和难加工的特点，很难对这些材料进行精确的成形加工。传统的加工方法在加工、精加工的过程中效率很低，因为这些材料大都是非导体，不是电加工技术的对象。而利用激光加工技术，又会造成材料的热损伤和微细龟裂。有些材料在现有的切削方法中，要经过长时间作业，才能勉强满足加工要求。在这种情况下，不仅刀具磨损大，表面质量也不理想。
(三)发明内容
本发明的技术任务是针对现有技术的不足，提供一种设计合理、操作方便的加工硬脆性材料的高效超声波加工设备。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种高效超声波加工设备，是由底座、床身、导轨、超声振动工作装置、工作台、主轴进给装置、控制装置和超声波发生器构成，床身设置在底座上，导轨平行设置在床身上，超声振动工作装置通过主轴进给装置的托板沿导轨作上下移动，工作台设置在超声振动工作装置下方的底座上，控制装置设置在底座的内腔之中并通过导线与主轴进给装置的主轴进给伺服电机、超声振动工作装置的传感器和换能器相接构成闭环控制回路，超声波发生器设置在底座的内腔之中并通过导线与换能器相接，超声振动工作装置的传感器和超声波发生器通过导线相接构成频率跟踪系统。
上述高效超声波加工设备，其超声振动工作装置是由主轴电机、主轴箱、联轴器、空心套筒、传感器、换能器、连接法兰、变幅杆、刀具连接器、金刚石刀具、传感器接线端、超声电源正极、超声电源负极、下端轴承和上端轴承构成，空心套筒设置在主轴箱的空腔内并通过联轴器与主轴电机的输出轴相接，空心套筒和主轴箱之间设置有下端轴承和上端轴承，换能器垂直设置在空心套筒的内腔中，变幅杆的上端与换能器的下端相接，变幅杆的下端穿出空心套筒的底部，传感器与换能器的上端相接，刀具连接器与变幅杆的下端相接，金刚石刀具安装在刀具连接器上，在换能器和变幅杆的节点处分别设置有连接法兰，连接法兰通过绝缘体固定在空心套筒内，上端轴承的内圈与传感器的信号端连接，上端轴承的外圈与设置在主轴箱上的传感器接线端连接，下端轴承的内圈与换能器的正极连接，下端轴承的外圈与设置在主轴箱上的超声电源正极连接，主轴箱作为换能器的负极，与设置在主轴箱上的超声电源的负极连接，这样超声振动工作装置在主轴电机的带动下可高速旋转进行高效切削加工，将主轴箱与床身的导轨连接，并与主轴进给装置连接。
上述高效超声波加工设备，其下端轴承和上端轴承的内外圈均用绝缘体与空心套筒和主轴箱绝缘。
上述高效超声波加工设备，其主轴进给装置是由主轴进给伺服电机、进给丝杠和托板构成，进给丝杠的上端部与设置在床身顶部的主轴进给伺服电机相接，进给丝杠的下端部悬空，托板沿进给丝杠作上下移动，进给丝杠和托板都位于床身内。
设置在换能器的上部的传感器通过上端轴承与传感器接线端连接，传感器接线端通过导线与设置在底座的内腔中的控制装置相接，控制装置又通过导线与主轴进给装置的主轴进给伺服电机相接，从而构成闭环控制回路。控制装置以传感器从换能器上检测到的超声工作特征信号为依据，并经过数据处理后同时调节主轴进给装置的主轴进给伺服电机的转速和超声波发生器的超声频率，实现超声振动工作装置的工作负载自动适应和频率的自动跟踪，主轴进给伺服电机通过进给丝杠旋转推动主轴箱从而控制主轴箱的进给速度。通过这个闭环控制系统，一种高效超声波加工设备实现了对加工对象的自动识别，根据加工对象的切削加工性能进行自动调节进给速度以适应不同的加工要求。这是本发明提出的一种全新的用于超声加工领域的自适应控制方法。
本发明的一种高效超声波加工设备与现有技术相比，所产生的有益效果是：设计合理、结构简单、使用方便，且加工效率比传统加工方法提高5倍，与传统的超声波加工方法相比，效率提高10倍以上，同时，由于本发明具有超声加工的自适应控制功能，从而使得本发明的加工对象范围很宽，不需要象传统的加工设备一样，刀具每改变一次均需改变变幅杆，零件表面光洁度好，切削温升低，故可保护刀具及延长刀具的寿命。
(四)附图说明
附图1为一种高效超声波加工设备的结构示意图；
附图2为一种高效超声波加工设备的超声振动工作装置结构示意图；
附图3为一种高效超声波加工设备的主轴进给装置结构示意图。
图中，1、主轴进给伺服电机，2、床身，3、主轴电机，4、超声振动工作装置，5、导轨，6、超声波发生器，7、工作台，8、底座，9、控制装置，10、主轴进给装置，11、换能器，12、连接法兰，13、刀具连接器，14、变幅杆，15、下端轴承，16、超声电源正极，17、空心套筒，18、上端轴承，19、感器接线端，20、超声电源负极，21、输出轴，22、主轴箱，23、联轴器，24、传感器，25、绝缘体，26、进给丝杠，27、托板，28、金刚石刀具。
(五)具体实施方式
下面结合附图1、2、3对本发明的一种高效超声波加工设备作以下详细地说明。
如附图1所示，一种高效超声波加工设备，是由底座8、床身2、导轨5、超声振动工作装置4、工作台7、主轴进给装置10、控制装置9和超声波发生器6构成，床身2设置在底座8上，导轨5平行设置在床身2上，超声振动工作装置4通过主轴进给装置10的托板27沿导轨5作上下移动，工作台7设置在超声振动工作装置4下方的底座8上，控制装置9设置在底座8的内腔之中并通过导线与主轴进给装置10的主轴进给伺服电机1、超声振动工作装置4的传感器24和换能器11相接构成闭环控制回路，超声波发生器6设置在底座8的内腔之中并通过导线与换能器11相接，超声振动工作装置4的传感器24和超声波发生器6通过导线相接构成频率跟踪系统。
如附图2所示，超声振动工作装置4是由主轴电机3、主轴箱22、联轴器23、空心套筒17、传感器24、换能器11、连接法兰12、变幅杆14、刀具连接器13、金刚石刀具28、传感器接线端19、超声电源正极16、超声电源负极20、下端轴承15和上端轴承18构成，空心套筒17设置在主轴箱22的空腔内并通过联轴器23与主轴电机3的输出轴21相接，空心套筒17和主轴箱22之间设置有下端轴承15和上端轴承18，换能器11垂直设置在空心套筒17的内腔中，变幅杆14的上端与换能器11的下端相接，变幅杆14的下端穿出空心套筒17的底部，传感器24与换能器11的上端相接，刀具连接器13与变幅杆14的下端相接，金刚石刀具28安装在刀具连接器13上，在换能器11和变幅杆14的节点处分别设置有连接法兰12，连接法兰12通过绝缘体25固定在空心套筒17内，上端轴承18的内圈与传感器24的信号端连接，上端轴承18的外圈与设置在主轴箱22上的传感器接线端19连接，下端轴承15的内圈与换能器11的正极连接，下端轴承15的外圈与设置在主轴箱22上的超声电源正极16连接，主轴箱22作为换能器11的负极，与设置在主轴箱22上的超声电源的负极20连接，这样超声振动主轴4在主轴电机3的带动下可高速旋转进行高效切削加工，将主轴箱22与床身2的导轨5连接，并与主轴进给装置10连接。
上述高效超声波加工设备，其下端轴承15和上端轴承18的内外圈均用绝缘体25与空心套筒17和主轴箱22绝缘。
如附图3所示，其主轴进给装置10是由主轴进给伺服电机1、进给丝杠26和托板27构成，进给丝杠26的上端部与设置在床身2顶部的主轴进给伺服电机1相接，进给丝杠26的下端部悬空，托板27沿进给丝杠26作上下移动，进给丝杠26和托板27都位于床身2内。
将超声振动主轴箱22与托板27连接，伺服电机1通过进给丝杠26旋转推动主轴箱22上下运动，改变主轴进给伺服电机1的转速就可控制主轴箱22的进给速度。由于超声振动工作装置中的超声换能器对负载较为敏感，负载变化会使换能器的工作频率、输出振幅、工作电流和换能器的匹配都发生变化，从而导致超声加工的效率下降。而引起换能器负载变化的因素很多，如金刚石刀具的形状、大小、质量、结构，加工对象的加工性能、加工形状、大小，金刚石刀具的进给速度等。为了提高超声加工设备的适应能力，在本发明提出了具有自动识别加工对象的自适应控制功能，本发明中自适应控制功能是由主轴进给装置、传感器和伺服电机构成的闭环控制系统来实现的：采用在换能器11的上端安装有用于测量超声振动的传感器24，上端轴承18的内圈与传感器24的信号端连接，上端轴承18的外圈与设置在主轴箱22上的传感器接线端19连接，传感器接线端19通过导线与设置在底座8的内腔中的控制装置9相接，控制装置9对传感器24的信号进行处理后与主轴进给装置和超声波发生器构成一闭环反馈系统，当进给速度达到一定值时，超声振动系统的的特性发生变化，使加工效率降低，为了保证加工的高效、高质量，控制装置9根据传感器24的反馈量进行自动调节主轴进给速度，并对超声工作频率进行自动跟踪，保证超声振幅的恒定输出，实现超声加工的自适应控制。
本发明中金刚石颗粒制成的刀具，在加工过程中对零件表面进行20000次/秒以上的连续敲击，即使是高硬材料，在如此高频的振动敲击下，一个很小的切削力也可将其瓦解。同时由于主轴的高速旋转，刀具切削刃和金刚石颗粒对材料进行高速切削和磨削，同时在振幅的最高点，附在刀具上的金刚石颗粒以撞击方式将零件表面材料以微小颗粒形式分离出来。在高频振动、高速切削和磨削的共同作用下实现了对硬脆材料的高效、高质量的加工。
本发明的一种高效超声波加工设备其加工制作非常简单方便，按说明书附图所示加工制作即可。
Claims (4)
1.一种高效超声波加工设备，包括底座、床身、导轨、超声振动工作装置、工作台、主轴进给装置、控制装置和超声波发生器，其特征在于床身设置在底座上，导轨平行设置在床身上，超声振动工作装置与导轨相接并通过主轴进给装置的托板沿导轨作上下移动，工作台设置在超声振动工作装置下方的底座上，控制装置设置在底座的内腔之中并通过导线与主轴进给装置的主轴进给伺服电机、超声振动工作装置的传感器和换能器相接构成闭环控制回路，超声波发生器设置在底座的内腔之中并通过导线与换能器相接，超声振动工作装置的传感器和超声波发生器通过导线相接构成频率跟踪系统。
2.根据权利要求1所述的一种高效超声波加工设备，其特征在于超声振动工作装置是由主轴电机、主轴箱、联轴器、空心套筒、传感器、换能器、连接法兰、变幅杆、刀具连接器、金刚石刀具、传感器接线端、超声电源正极、超声电源负极、下端轴承和上端轴承构成，空心套筒设置在主轴箱的空腔内并通过联轴器与主轴电机的输出轴相接，空心套筒和主轴箱之间设置有下端轴承和上端轴承，换能器垂直设置在空心套筒的内腔中，变幅杆的上端与换能器的下端相接，变幅杆的下端穿出空心套筒的底部，传感器与换能器的上端相接，刀具连接器与变幅杆的下端相接，金刚石刀具安装在刀具连接器上，在换能器和变幅杆的节点处分别设置有连接法兰，连接法兰通过绝缘体固定在空心套筒内，上端轴承的内圈与传感器的信号端连接，上端轴承的外圈与设置在主轴箱上的传感器接线端连接，下端轴承的内圈与换能器的正极连接，下端轴承的外圈与设置在主轴箱上的超声电源正极连接，主轴箱作为换能器的负极，与设置在主轴箱上的超声电源的负极连接。
3.根据权利要求2所述的一种高效超声波加工设备，其特征在于下端轴承和上端轴承的内外圈均用绝缘体与空心套筒和主轴箱绝缘。
4.根据权利要求1所述的一种高效超声波加工设备，其特征在于主轴进给装置是由主轴进给伺服电机、进给丝杠和托板构成，进给丝杠的上端部与设置在床身顶部的主轴进给伺服电机相接，进给丝杠的下端部悬空，托板沿进给丝杠作上下移动，进给丝杠和托板都位于床身内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: ZHAO XIANHUA; HAO JUNSHAN Free format text: FORMER OWNER: ZHAO XIANHUA Effective date: 20080314 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20080314 Address after: D block, north science and technology cooperation Park, Shandong science and Technology Park, Ji'nan high tech Zone, zip code: 250101 Co-patentee after: Hao Junshan Patentee after: Zhao Hua Hua Address before: Twelve weft road Huaiyin District of Ji'nan city of Shandong Province, No. 181 zip code: 250021 Patentee before: Zhao Xianhua |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SHANDONG HUAYUN ELECTRO-MECHANIC SCIENCE AND TECHN Free format text: FORMER OWNER: ZHAO XIANHUA Effective date: 20140730 Free format text: FORMER OWNER: HAO JUNSHAN Effective date: 20140730 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20140730 Address after: 250101 Ji'nan province high tech Development Zone, University Science and Technology Park, North District, D block, east of the ground floor, block, two Patentee after: Shandong Huayun Electro-Mechanic Science and Technology Co., Ltd. Address before: 250101 D, North tech cooperation Park, University Science Park, Ji'nan hi tech Zone, Shandong, China Patentee before: Zhao Xianhua Patentee before: Hao Junshan |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20080130 Termination date: 20191028 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |