CN102069425B - 一种硬脆材料复杂型面精密复合加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硬脆材料复杂型面精密复合加工设备，它包括机床床身，在机床床身上安装有X、Y、Z三联动工作台和气浮工作台支架，在三联动工作台的运动输出端上安装有主轴并且主轴通过X、Y、Z三联动工作台的驱动能够沿X、Y、Z方向做直线运动，主轴的一端与主轴旋转电机的输出轴相连并且其另一端通过接口连接有刀柄，在刀柄内部安装有超声波换能器，超声波换能器与一个变幅杆相连，在气浮工作台支架上转动的连接有A轴旋转工作台，在A轴旋转工作台上设置有C轴，在C轴上安装有气浮工作台，气浮工作台能够与加工用工具相对设置。采用本设备可实现多种加工工艺的集成加工，工件一次装夹，即可完成粗-半精-精加工的多工序加工。

Description

一种硬脆材料复杂型面精密复合加工设备

技术领域

本发明涉及一种复合加工设备，本发明尤其涉及一种硬脆材料复杂型面精密复合加工设备。

背景技术

随着现代工业的发展，硬脆材料(如红外光学晶体、工程陶瓷、石英、硅晶体等)已在航空航天、汽车、医疗、精密模具、光学及半导体等领域显示出广阔的应用前景。但由于硬脆材料硬度高、脆性大、加工性能差，难以采用普通加工方法进行复杂曲面加工，从而制约了这些材料的推广应用。为满足科技发展对硬脆材料制品日益增长的需要，硬脆材料复合加工技术与装备的研发已成为制造业发展的重要课题之一。

目前，对于硬脆材料的加工，工业上仍多采用磨削加工、研磨抛光加工、电火花加工、超声加工等单一加工方法，其加工效率低、加工形状简单。各个国家都投入了巨大的人力和物力以加强硬脆材料加工技术及装备的研究。经过各国研究者的共同努力，以磨削、电火花加工、超声波加工等为代表的硬脆材料传统加工方法得到了不断发展和创新，在各个领域都得到了广泛的应用。但是现有的传统加工方法仍然存在着加工效率低、加工成本高、不易实现复杂型面加工等缺点，严重阻碍了各种新材料、新结构及复杂精密零件在更多领域的推广使用。

同时，现代制造业的加工中有这样的一些特点：加工种类多样；加工单批数量少；要求工时短、成本低；更重要的是因零件小型化、性能多样化的需求，越来越多的新型材料和复杂型面更多的列入到实际加工中，而这样的需求日益迫切。传统的硬脆材料加工因受加工条件、加工方法等等因素制约，加工产品达不到要求的精度等条件，同时也因加工的方法单一，为完成复杂加工大多需要多工序，多工种操作，使得加工效率低下，难以满足工业发展的大量需求。针对目前硬脆材料加工因受加工方法单一、加工能力有限等因素制约，加工产品达不到要求的形状和精度等条件，同时效率比较低，成本较高等方面的缺点，新型硬脆材料加工技术研究和加工设备的设计势在必行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够实现硬脆材料复杂型面的高效、精密加工的一种硬脆材料复杂型面精密复合加工设备。

本发明的一种硬脆材料复杂型面精密复合加工设备，它包括机床床身，在所述的机床床身上安装有X、Y、Z三联动工作台和气浮工作台支架，在所述的X、Y、Z三联动工作台的运动输出端上安装有其轴线沿竖直方向设置的主轴并且主轴通过X、Y、Z三联动工作台的驱动能够沿X、Y、Z方向做直线运动，所述的主轴的一端与主轴旋转电机的输出轴相连并且其另一端通过接口连接有刀柄，在所述的刀柄内部安装有一个与超声波发生器相连的超声波换能器，所述的超声波换能器与一个变幅杆相连，加工用工具通过夹具插在变幅杆内，刀柄、变幅杆以及加工用具内开有冷却通道，所述的冷却通道与冷却液循环装置相连，在所述的气浮工作台支架上通过沿X轴方向设置的A轴转动地连接有A轴旋转工作台，在所述的A轴旋转工作台上沿竖直方向设置有一个C轴，所述的A轴和C轴分别与A轴和C轴旋转驱动装置相连，在所述的C轴上安装有一个气浮工作台，所述的气浮工作台能够与加工用工具相对设置。

采用本发明方法的有益效果是：采用本设备既可以根据被加工材料的加工需求采取不同的单项加工技术，也可以采取多项技术组合成的复合加工技术进行加工。而且该设备能够实现单机多工序的复合加工，一次装夹就可以完成所有工序的加工。同时，该设备还可以结合机床的五轴联动功能实现硬脆材料的自由曲面加工。消除了原有传统技术在加工复杂型面零部件时因多次装夹所造成的加工误差，大幅度提高了加工精度和加工效率，降低了加工成本。

与传统的硬脆材料加工方法相比，本发明的主要优点有：本发明的设备在保证了原有传统单项加工技术如电火花、磨削、铣削等对硬脆工件材料的加工的同时，通过将不同单项加工技术集成到一台机床上，加工时可以根据加工材料、加工要求、加工工序等条件把各单项加工技术组合成多项复合加工技术，进行复合加工时，根据不同加工阶段需要更换不同的加工工具，如磨头、铣刀、电火花加工电极等，磨头、铣刀等刀具可采用直接将安装有超声波发生装置的标准刀柄安装在主轴联结标准接口上，再由刀柄夹持刀具进行加工。但是电火花加工不同于常规的刀具切削加工，电火花加工时需要考虑的一个很重要的问题就是电极的夹持以及绝缘的方法，由于本装置中电极既要有旋转运动还要能传递高频的超声，因此对电极夹持和绝缘要求较高。因此本发明利用了铝、镁、钛及其合金制成的夹具(表面氧化绝缘处理)夹持电极后再固定在刀柄上的方法。夹具也可采用陶瓷材料制成，表面不需作氧化处理。

由此本设备可实现多种加工工艺的集成加工，工件一次装夹，即可完成粗-半精-精加工的多工序加工，并可以结合机床的多轴联动功能，实现硬脆材料高效率、高精度的复杂型面加工。

附图说明

图1是本发明设备的工作原理控制图；

图2是本发明的一种硬脆材料复杂型面精密复合加工设备的结构示意图；

图3是图2所示的设备的主轴的结构示意图；

图4和图5是采用本发明加工的复杂型面零件。

具体实施方式

下面结合具体的实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明：

如附图所示的本发明的一种硬脆材料复杂型面精密复合加工设备，它包括机床床身1，在所述的机床床身上安装有X、Y、Z三联动工作台和气浮工作台支架，在所述的X、Y、Z三联动工作台的运动输出端上安装有其轴线沿竖直方向设置的主轴13并且主轴13通过X、Y、Z三联动工作台的驱动能够沿X、Y、Z方向做直线运动，所述的主轴的一端与主轴旋转电机的输出轴相连并且其另一端通过接口21连接有刀柄3，在所述的刀柄3内部安装有一个与超声波发生器2相连的超声波换能器，所述的超声波换能器与一个变幅杆24相连，加工用工具通过夹具插在变幅杆内，刀柄3、变幅杆以及加工用工具14(根据加工方法的选择，加工用工具可以为磨头、铣刀、电火花加工用电极等，当加工用工具为电极时，所述的电极通过其上连接有脉冲电源5的导线与安装在气浮工作台上的工件10相连，)内开有冷却通道。所述的冷却通道与冷却液循环装置相连，冷却液可以通过回收管道被回收到冷却液槽6中循环使用，所述的冷却液循环装置可以包括冷却液槽6，所述的气浮工作台支架底部通过出口管道与冷却液槽6进口相连，所述的冷却液槽出口通过安装有泵4的出口管路与装在冷却通道8内的中心水冷内部导管19的进口相连通。在所述的气浮工作台支架上通过沿X轴方向设置的A轴转动地连接有A轴旋转工作台，在所述的A轴旋转工作台上沿竖直方向设置有一个C轴，所述的A轴7和C轴8分别与A轴和C轴旋转驱动装置相连，在所述的C轴上安装有一个气浮工作台，所述的气浮工作台能够与加工用工具相对设置。优选的加工设备通过工控机进行自动化控制，该一台工控机通过多轴运动控制器向所述的X、Y、Z三联动工作台发出X、Y、Z位移信号并通过运动控制器读取X、Y、Z位置信号，工控机向主轴旋转电机发出主轴角度、速度控制信号并读取主轴角度、速度控制信号并且工控机通过多轴运动控制器向A轴和C轴旋转驱动装置发出旋转信号并通过多轴运动控制器读取A轴和C轴旋转信号。X、Y、Z为三维直角坐标系方向。

所述的X、Y、Z三联动工作台可以包括固定在所述的机床床身上的Y向导轨，在所述的Y向导轨上滑动连接有Y向滑台，一个X向导轨固定在所述的Y向滑台上，在X向导轨上滑动连接有X向滑台，一个Z向导轨固定在所述的X向滑台上，在Z向导轨上滑动连接有Z向滑台，X向直线电机16的初级固定在所述的X向导轨上并且其次级安装在所述的X向滑台上，Y向直线电机15的初级固定在所述的Y向导轨上并且其次级安装在所述的Y向滑台上，Z向直线电机18的初级固定在所述的Y向导轨上并且其次级安装在所述的Z向滑台上。当然所述的X、Y、Z三联动工作台还可以为交直流电机驱动的丝杠和滑块等结构。

所述的A轴旋转驱动装置可以采用伺服电机-蜗轮蜗杆驱动方式。

所述的C轴旋转驱动装置可以采用伺服电机直接驱动。

所述的夹具优选的为铝或镁或钛或者三者的合金中的一种制成，在所述的铝、镁、钛及其合金的表面具有氧化绝缘层。

本装置在使用过程中超声波发生器通过超声波信号发送端22向超声波接收端20发送电信号并将电流传递给超声波换能器产生超声波，超声波经变幅杆24放大后传递给工具25，使其在加工过程中产生超声波振动效应。

在本装置的刀柄上可以安装压力传感器，压力触感器可以将加工零件的轮廓信号传递给工控机并与工控机中的模型比较后输出加工信号给X、Y、Z三联动工作台、A轴和C轴旋转驱动装置和旋转电机以控制加工过程。

该设备可以根据被加工材料的加工需求采取不同的单项加工技术，如超声、铣削、磨削、电火花加工等，也可以采取两项技术组合成的复合加工技术，如超声-铣削、超声-电火花、超声-磨削等，能够实现多种加工方法(超声-电火花-铣削)复合、多工序(粗-半精-精加工)复合，并且该设备能够实现多工序的复合加工，即工件一次装夹后能够完成所有工序的加工，避免了多次装夹造成的误差，从而实现硬脆材料高表面质量、高形状精度的加工。

实施例1

采用本发明加工设备进行如图4(a)所示的工件的超精密加工，工件材料为微晶玻璃，具体加工过程如下：

(1)由于工件材料为微晶玻璃，所以对于该种材料采用超声波辅助磨削的复合加工方法进行加工。采用工控机编程对加工过程进行控制；

(2)首先对工件进行粗加工，选取粒度为W120的电铸金刚石磨头，固定在机床的主轴前端(如图3所示)。

(3)将未加工的工件毛坯固定在图1所示的精密气浮工作工作台上(如图1所示)。

(4)加工参数设定为：主轴转速3000rpm，吃刀量0.1mm，超声波振动频率25kHZ，冷却方式水冷，启动按照零件形状编制数控程序，驱动X、Y、Z三轴联动进行加工。加工余量为0.5mm时，粗加工完成；

(5)工件不需拆卸，将W120的砂轮磨头换成粒度为W40的砂轮磨头，进行半精加工，加工参数设定为：主轴转速3000rpm，吃刀量0.02mm，超声波振动频率25kHZ，冷却方式水冷，加工余量为0.05mm时，半精加工完成。

(6)同样，更换粒度W10的砂轮磨头，完成精加工，加工参数为：主轴转速3000rpm，吃刀量0.005mm，超声波振动频率25kHZ，冷却方式水冷，启动按照零件形状编制数控程序，驱动X、Y、Z三轴联动进行加工。零件尺寸符合要求后，无进给光整加工一段时间后，整个加工完成。

实施例1中由于微晶玻璃属于非导电硬脆材料，因此使用本发明设备进行加工。加工结果表明，使用本发明设备能够在加工过程中，通过超声振动作用降低切削力和切削区温度、强化磨削液的作用，使材料获得最大去除率、磨削比和最小磨削比能，加工后测得加工工件的形状精度为0.005mm，表面粗糙度Ra0.05μm，材料去除率提高了50％以上。

实施例2

通过本发明加工设备及加工方法进行如图4(b)所示的工件的超精密加工，工件材料为硬质合金，具体加工过程如下：

(1)由于工件材料为硬质合金，所以对于该种材料采用超声波-电火花-铣削-磨削的复合加工方法进行加工。采用工控机编程对加工过程进行控制；

(2)将未加工的工件毛坯固定在图1所示的精密气浮工作工作台上(如图1所示)。

(3)首先对工件进行粗加工，将使用黄铜电极固定在主轴前端部刀柄上，电极(+)和工件(-)分别连接外部电源(如图3所示)。

(4)加工参数设定为：电火花放电电压150V，脉宽/脉间1，进给量0.1mm，超声波振动频率25kHZ，加工液采用水基乳化液，启动按照零件形状编制数控程序，驱动X、Y、Z、A四轴联动进行加工。完成表面形状加工，加工余量为0.5mm时，粗加工完成；

(5)工件不需拆卸，将加工工具换成标准铣刀，进行半精加工，加工参数设定为：主轴转速3000rpm，吃刀量0.02mm，超声波振动频率25kHZ，冷却方式水冷，按照系统的数控程序，驱动X、Y、Z、A四轴联动进行加工加工余量为0.05mm时，半精加工完成。

(6)同样，更换粒度W10的砂轮磨头，完成精加工，加工参数为：主轴转速3000rpm，吃刀量0.005mm，超声波振动频率25kHZ，冷却方式水冷，启动按照零件形状编制数控程序，驱动X、Y、Z、A四轴联动进行加工。零件尺寸符合要求后，无进给光整加工一段时间后，整个加工完成。

实施例2中由于工件材料微晶玻璃属于导电硬脆材料，因此按照不同的加工阶段，使用本发明设备的超声-电火花-铣削-磨削复合加工模块进行加工。在传统电火花加工过程中，由于种种原因，经常产生短路、短路和电弧放电，使得有效的火花放电减少，降低了电火花加工的效率。利用超声振动产生的空化作用、泵吸作用、涡流作用来改善放电过程中的排屑条件，可以在粗加工阶段取得明显的效果。在半精、精加工阶段再分别使用铣削和磨削来修正形状，光整表面，可以获得加工质量和加工效率都比较好的加工效果。

加工结果表明，使用本发明设备及技术能够将多工序、不同的加工方法集成到同一台设备上，工件一次装夹即可完成所有加工，因此可以高效获得高质量的加工结果。实施例2加工后测得加工工件的形状精度为0.0005mm，表面粗糙度Ra0.01μm。加工时间和单项加工技术、多机种加工缩短了30～50％。

Claims (3)

1.一种硬脆材料复杂型面精密复合加工设备，它包括机床床身，其特征在于：在所述的机床床身上安装有X、Y、Z三联动工作台和气浮工作台支架，在所述的X、Y、Z三联动工作台的运动输出端上安装有其轴线沿竖直方向设置的主轴并且主轴通过X、Y、Z三联动工作台的驱动能够沿X、Y、Z方向做直线运动，所述的主轴的一端与主轴旋转电机的输出轴相连并且其另一端通过接口连接有刀柄，在所述的刀柄内部安装有一个与超声波发生器相连的超声波换能器，所述的超声波换能器与一个变幅杆相连，加工用工具通过夹具插在变幅杆内，刀柄、变幅杆以及加工用具内开有冷却通道,所述的冷却通道与冷却液循环装置相连，在所述的气浮工作台支架上通过沿X轴方向设置的A轴转动地连接有A轴旋转工作台，在所述的A轴旋转工作台上沿竖直方向设置有一个C轴，所述的A轴和C轴分别与A轴和C轴旋转驱动装置相连，在所述的C轴上安装有一个气浮工作台，所述的气浮工作台能够与加工用工具相对设置；一台工控机通过多轴运动控制器向所述的X、Y、Z三联动工作台发出X、Y、Z位移信号并通过运动控制器读取X、Y、Z位置信号，工控机向主轴旋转电机发出主轴角度、速度控制信号并读取主轴角度、速度控制信号并且工控机通过多轴运动控制器向A轴和C轴旋转驱动装置发出旋转信号并通过多轴运动控制器读取A轴和C轴旋转信号。

2.根据权利要求1所述的硬脆材料复杂型面精密复合加工设备，其特征在于：所述的冷却液循环装置包括冷却液槽，所述的气浮工作台支架底部通过出口管道与冷却液槽进口相连，所述的冷却液槽出口通过安装有泵的出口管路与装在冷却通道内的中心水冷内部导管的进口相连通。

3.根据权利要求1所述的硬脆材料复杂型面精密复合加工设备，其特征在于：所述的夹具为铝、镁、钛或者三者的合金中的一种制成，在所述的铝、镁、钛及其合金的表面具有氧化绝缘层。 

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