CN100553835C - 用于超声波振动辅助加工的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于超声波振动辅助加工的设备，所述设备包括：超声波转换器，用于在振动臂中产生超声波；位于所述超声波的静态节点处在所述振动臂上的第一钳；以及位于所述第一钳与所述振动臂的最下端之间的第二钳。所述第二钳包括线性轴承，用于减小所述振动臂在所述振动臂的横向方向上的振动，并用于允许所述振动臂在所述振动臂的纵向方向上的振动。

Description

用于超声波振动辅助加工的设备
技术领域
本发明涉及用于超声波振动辅助加工的设备，更具体的涉及(但不限于)用于超声波振动辅助加工诸如钢及不锈钢的金属的设备。
背景技术
超声波振动辅助加工具有一些重要的优点。一个重要的优点得益于摩擦减少动作，该摩擦减少动作在每个振动周期期间当工具的切割边缘或点离开工件时产生、并引起超声波抽吸作用。该抽吸作用允许将冷却流体输送至工件区域的整个区域上。冷却流体可以是空气。
普通加工具有大于5μm的精度并使用普通加工工具。在六十年代产生了超声波振动辅助加工以提供优于普通加工的优点。但是，因为其并未延长工具寿命也并未改进表面光整度，故并未实现预期的优点。此外，因为切割速度一定小于振动速度，故切割效率较低。
从1980年开始，开发出超精密加工以满足加工复杂镜片的需求。金刚石刀具是仅有的可用来产生光学镜面光整度的刀具。但是，因为金刚石与钢之间的强烈的化学反应，故在钢材上不能使用金刚石刀具。化学反应会导致金刚石石墨化。
如图1所示，在现有系统中，振动臂(vibration horn)夹在振动波的两个静态节点的位置。金刚石刀具安装在振动臂的自由端上。为了实现镜面光整度，必须有效地减小振动臂在径向方向上的感应横向振动。
对于利用两个静态夹持点的振动臂的现有方法而言，从下静态节点到安装有刀具的自由端存在一定的间距。在这种情况下，位于自由端的点在横向/径向方向上具有降低的刚性，并容易引起在横向/径向方向上的横向振动。
为了增大横向刚性，增大了振动臂的直径，并且由此也增大了超声波振动发生器的功率。因此，增大了设备的整体尺寸。此外，因为较大的功率的原因，增大了装置的工作温度，而因为较高的温度的原因装置易于损坏。此外，横向(或径向)振动会损坏刀具。其还会造成较深的切割，由此导致较低品质的表面光整度。这种横向径向振动通常为4μm的数量级。
为了防止刀具过度磨损，已经提出了两级处理，该两级处理在制造用于塑料透镜的注射成型的光学模芯时在加工之前在工件上使用镍无电镀层或涂层。但是，这些方法存在很多缺陷。此外，因为镍易于从钢制工件上脱离，故这此方法不能够制造具有较高耐用性的模具。
发明内容
根据第一个方面，提供了一种用于超声波振动辅助加工的设备，该设备包括：超声波转换器，用于在振动臂中产生超声波；位于所述超声波的静态节点处在所述振动臂上的第一钳；以及位于所述第一钳与所述振动臂的最下端之间的第二钳。所述第二钳包括线性轴承，用于减小所述振动臂在所述振动臂的横向方向上的振动，并用于允许所述振动臂在所述振动臂的纵向方向上的振动。
所述线性轴承可以小于半个所述超声波的波长的距离轴向地间隔离开所述第一钳。
根据第二个方面，提供了一种用于超声波振动辅助加工的设备，所述设备包括：超声波转换器，用于在振动臂中产生超声波；位于所述超声波的静态节点处在所述振动臂上的第一钳；以及位于所述第一钳与所述振动臂的最下端之间的第二钳。所述第二钳以小于半个所述超声波的波长的距离轴向地间隔离开所述第一钳。
所述第二钳可包括线性轴承，用于减小所述振动臂在所述振动臂的横向方向上的振动，并用于允许所述振动臂在所述振动臂的纵向方向上的振动。
对于上述两个方面，所述第二钳可大致呈U形，并可包括上钳、下钳、以及位于所述上钳与所述下钳之间的中部。所述上钳及所述下钳相对于所述线性轴承可径向调整。
所述第二钳可以可移除并可调整地安装在安装块中。所述第一钳可以可移除地附装至所述安装块。所述安装块可以可移除并可调整地安装在刀具立柱中。所述刀具立柱包括：上部；下部；位于所述上部与所述下部之间的缝隙；以及用于调整所述缝隙的调整机构。
所述设备还可包括刀具，所述刀具可拆卸地于所述振动臂的所述最下端位置安装至所述振动臂。
附图说明
为了完全理解并易于实施本发明，现将通过非限制性示例仅对本发明的优选实施例进行描述，参考所附说明性附图进行该描述，其中：
图1是现有设备的示意性侧视图；
图2是优选实施例的示意性侧视图；
图3是优选实施例的立体图；及
图4是线性轴承的优选形式的横截面剖视图。
具体实施方式
参考图1，示出了现有设备8。在这里，超声波转换器10具有振动臂12。这些元件通过上钳16及下钳18安装至安装块14。刀具20位于振动臂12的最下端。超声波转换器10产生例如40KHz的声波22。声波在超声波转换器10及刀具20的位置具有最大振幅，以使刀具20的运动最大化。为了将振动臂12保持在位，并为了防止不希望的径向(或横向)运动，通过上钳16及下钳18将振动臂12固定至安装块14。钳16及18位于静态节点24处，以允许上钳16及下钳18工作而不与刀具20的操作干涉。但是，这使得下钳18与刀具20之间一定会存在缝隙。这会导致刀具20产生不希望的运动，并使得振动臂12产生不希望的振动。
现参考图2及图3，示出了根据优选实施例的设备28。在这里，刀具立柱30具有上立柱32及下立柱34，其间存在缝隙36。使用螺纹轴(未示出)上的调整旋钮38来调整缝隙36以使设备28能够正确地对准并定位。
超声波转换器40设置有振动臂68。超声波转换器40产生在振动臂68的轴向方向上的振动波44。振动波44的最大振幅48位于超声波转换器40处以及安装在振动臂68的最下端位置处的刀具50处。振动波44具有单个静态节点46。静态节点46处设置有钳制环42。以此方式，钳制环42保持振动臂68。在静态节点46与位于刀具50处的最大振幅48之间具有线性轴承52。线性轴承52允许在振动臂68的纵向轴线方向上的振动，但使在振动臂68的径向(或横向)方向上的振动最小化。
通过U形轴承座54(其具有由中部60接合的上钳56及下钳58)将线性轴承52附装至安装块62。将中部60可移除并可调整地安装至安装块62。将安装块62可移除并可调整地安装至刀具立柱30。
上钳56及下钳58均可分开，且每个都具有缝隙64。使用紧固螺纹件66以通过线性轴承52上的钳56，58来控制夹钳力。以此方式，可以调整并控制振动臂68的径向/横向振动。
线性轴承52可以是公知的任何一种结构，例如公知的可从美国伊利诺斯州的Glenview城的Hiwin Technologies公司商购获得的“KUGELBUCHSE”线性轴承。在图4中示意性地示出了这种线性轴承52。其包括其中具有缝隙72的壳体70。壳体70通常由诸如钢的金属制成，优选地相对较薄。在壳体内具有圆柱体74，其中转动地安装有多个滚珠76。圆柱体74优选地为塑料材料。滚珠76优选地为诸如钢的金属材料，并以卡紧固定的形式保持在圆柱体74中。滚珠76突出超过圆柱体74的内表面78及外表面80。缝隙72允许钳56，58在壳体70上放松，由此增大圆柱体74在振动臂68上的夹钳力。
以此方式，随着静态节点24之间的间距的减小，振动臂68的轴向长度可减小。此外，钳制环42与线性轴承52之间的轴向间距优选地小于振动波44的波长的一半。(下钳58的)最下端钳制位置优选地邻近刀具50。但是，其也可位于振动臂68上的任何位置。因此，因为振动臂68不需要现有振动臂12的相对较高的结构强度，故可将振动臂68制造的具有减小的直径。例如，下钳58距离刀具50的间距可在3mm至15mm的范围内，优选地为10mm。通过使得振动臂68具有较短的轴向长度并具有较小的半径，可以减小超声波转换器40需求的功率。这可降低在刀具50处产生的热量。此外，这使得该设备可用于高精度加工。
取决于切割参数，超声波转换器40示例性地可以40KHz工作，而振幅可在0μm至24μm的范围内、优选地在2μm至4μm的范围内改变。切割速度可小于10米/分钟，其中切割深度及进给速率分别小于10微米及10微米/圈。横向/径向及随机振动可处于0.1μm至0.2μm的范围内。因此可将钢材加工至具有Ra＜8nm的镜面光整度。此外，因为降低的温度使得减少了石墨的形成，故可以延长刀具50的寿命。已经发现可将刀具寿命延长600倍。
工件可以是任何尺寸，但对于直径大于40mm的尺寸而言，需要较高的频率及/或较长的加工时间。已经能够加工直径小于10μm的尺寸的工件。工件可以是任何合适的材料，例如：玻璃、透镜用玻璃、钢、不锈钢、磁化不锈钢、及模制加工钢等等。
虽然以上已对本发明的优选实施例进行了描述，但本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明的前提下可对上述设计或结构的细节进行各种改变或变更。
元件标号
8-现有设备
10-超声波转换器
12-振动臂
14-安装块
16-上钳
18-下钳
20-刀具
22-声波
24-静态节点
28-实施例的设备
30-刀具立柱
32-上立柱
34-下立柱36-上立柱32与下立柱34之间的缝隙
38-调整旋钮
40-超声波转换器
42-在静态节点处的钳制环
44-振动波
46-静态节点
48-最大振幅
50-刀具
52-线性轴承
54-(U形)轴承座
56-上钳
58-下钳
60-中部
62-安装块
64-上钳56及下钳58中的缝隙
66-紧固螺纹件
68-振动臂
70-壳体
72-壳体70中的缝隙
74-圆柱体
76-滚珠
78-圆柱体74的内表面
80-圆柱体74的外表面

Claims (10)

1.一种用于超声波振动辅助加工的设备，所述设备包括：
超声波转换器，用于在振动臂中产生超声波；
位于所述超声波的静态节点处在所述振动臂上的第一钳；以及
位于所述第一钳与所述振动臂的最下端之间的第二钳；其中
所述第二钳包括线性轴承，用于减小所述振动臂在所述振动臂的横向方向上的振动，并用于允许所述振动臂在所述振动臂的纵向方向上的振动。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，
所述线性轴承以小于半个所述超声波的波长的距离轴向地间隔离开所述第一钳。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，
所述第二钳大致呈U形，并包括上钳、下钳、以及位于所述上钳与所述下钳之间的中部。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，
所述上钳及所述下钳相对于所述线性轴承可调整。
5.根据权利要求3所述的设备，其中，
所述第二钳可移除并可调整地安装在安装块中。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，
所述第一钳可移除地附装至所述安装块。
7.根据权利要求5所述的设备，其中，
所述安装块可移除并可调整地安装在刀具立柱中。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，
所述刀具立柱包括：
上部；
下部；
位于所述上部与所述下部之间的缝隙；以及
用于调整所述缝隙的调整机构。
9.根据权利要求1或2所述的设备，还包括，
刀具，所述刀具可拆卸地于所述振动臂的所述最下端位置安装至所述振动臂。
10.根据权利要求1或2所述的设备，其中，
所述静态节点仅是位于所述超声波转换器与所述振动臂的所述最下端之间的静态节点。
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