CN103144137B - 超声波复合加工机床及其切削加工方法 - Google Patents

Abstract

超声波复合加工机床及其切削加工方法，属于机床以及机床的切削加工方法技术领域，机床包括床身和工作台，所述机床配设有第一龙门机构和第二龙门机构，所述第一龙门机构包括第一横梁和第一主轴，所述第一主轴上配设有第一超声波切割装置，所述第二龙门机构包括第二横梁和第二主轴，所述第二主轴上配设有第二超声波切割装置；所述工作台设有安装工位、粗加工工位、精加工工位以及卸料工位。两个主轴上分别安装一套超声波切割装置，其装置变幅杆的输出端分别安装匕首刀和圆形刀。匕首刀以切割加工方式工作，圆形刀以旋转铣削方式工作，分别对工件进行粗加工和精加工。本方案不仅能解决更换刀具带来的麻烦，而且能提高机床的加工效率。

Description

超声波复合加工机床及其切削加工方法

技术领域

本发明属于机床以及机床的切削加工方法技术领域，尤其涉及一种双轴、四工位超声波复合加工机床及其切削加工方法。

背景技术

数控机床，如CN101856789A公开的一种定柱动梁式龙门数控洗磨一体机床，包括床身、工作台、左立柱、右立柱、横梁、定距梁、顶梁、电气柜、系统操作面板和工件夹具，在左、右立柱上通过横梁驱动装置设有横梁，在横梁上分别设有镗铣头和万能磨头，镗铣头左右驱动装置与镗铣头上下驱动装置驱动镗铣头，磨头左右驱动装置与磨头上下驱动装置驱动万能磨头，工作台通过滚柱丝杠副设在床身上。该机床，工件在一次装夹后可高精度的连续完成铣削、镗孔、钻孔、磨削、刚性攻丝等多种工序的加工。

不同于传统的高速铣钻工艺，超声切割技术的核心是超声切割装置，其基本原理是利用一个电子超声发生器，先产生频率在15～30kHz范围内的超声波，然后通过置于超声切割装置内的声能－机械能转换的换能器，将原本振幅很小的超声振动转换成同频率的机械振动，再通过变幅杆共振放大，得到足够大的、可以满足切削工件要求的振幅，最后将这部分能量传导至超声切割装置顶端的刀具上，从而对材料进行切削加工。

现有的超声波加工机床多为单轴单工位，不能在一台机床上同时实现对二个工件的粗加工和精密加工，加工效率低，且多应用于加工玻璃、陶瓷、硬质合金等硬脆材料，适宜加工的材料有限。特别是针对复合材料，由于加工复合材料完全不同于加工一般金属材料，它们在材料切削的根本机理上具有很大区别，若将超声波加工机床应用于加工复合材料，还需要对其做进一步的改进和完善。

另外，现有的超声波加工机床刀具制造麻烦，而且，切削加工过程中的换刀并非是简单的刀具更换，需要做到结构和声学两方面的匹配，因此往往是采用更换整个声学系统或整个超声波主轴，所以加工过程中更换不同刀具成为数控超声波加工机床的难题。

发明内容

本发明的目的在于避免超声波加工机床因换刀或换超声波系统所带来的麻烦，而提供一种超声波复合加工机床，这种机床不仅能解决更换刀具带来的麻烦，而且能提高机床的加工效率。

本发明的另一目的在于提供上述机床的切削加工方法。

本发明实现其目的采用的技术方案如下。

超声波复合加工机床，包括床身和工作台，所述机床配设有第一龙门机构和第二龙门机构，所述第一龙门机构包括第一横梁和第一主轴，所述第一主轴上配设有第一超声波切割装置，所述第二龙门机构包括第二横梁和第二主轴，所述第二主轴上配设有第二超声波切割装置；所述工作台设有安装工位、粗加工工位、精加工工位以及卸料工位。

进一步，所述第一超声波切割装置包括第一电源信号线、第一换能器、第一变幅杆和匕首刀，所述第一电源信号线与第一换能器连接，所述第一换能器与第一变幅杆连接，所述匕首刀螺纹连接于第一变幅杆的输出端；

所述第二超声波切割装置包括第二电源信号线、第二换能器、第二变幅杆和圆形刀，所述第二电源信号线与第二换能器连接，所述第二换能器与第二变幅杆连接，所述圆形刀圆心开设通孔并通过螺钉固定连接于第二变幅杆的输出端。

更进一步，所述床身两侧分别设置有左高架桥和右高架桥，所述左高架桥由左立柱和安装在左立柱上的左侧梁组成，所述右高架桥由右立柱和安装在右立柱上的右侧梁组成，所述左侧梁和右侧梁均通过连接板连接有第一横梁和第二横梁。

再进一步，所述第一龙门机构还包括第一十字滑座、第一Y向拖板和第一行走驱动装置，所述第一主轴通过滑枕式摆动头安装在第一十字滑座上，所述第一十字滑座通过第一Y向拖板与第一行走驱动装置连接，所述第一十字滑座上设置有第一Z轴传动机构,所述第一Z轴传动机构包括Z轴导轨和丝杆副；

所述第二龙门机构还包括第二十字滑座、第二Y向拖板和第二行走驱动装置，所述第二主轴通过滑枕式摆动头安装在第二十字滑座上，所述第二十字滑座通过第二Y向拖板与第二行走驱动装置连接，所述第二十字滑座上设置有第二Z轴传动机构，所述第二Z轴传动机构包括Z轴导轨和丝杆副。

进一步，所述第一主轴通过第一固定螺栓与第一变幅杆上的法兰连接；

所述第二主轴通过第二固定螺栓与第二变幅杆上的法兰连接。

进一步，所述工作台上设置有挡块，所述粗加工工位安装有与挡块配设的行程开关a，所述精加工工位安装有与挡块配设的行程开关b，所述卸料工位安装有与挡块配设的行程开关c。

超声波复合加工机床的切削加工方法，其特征在于包括以下步骤：

1）在粗加工工位上安装第一工件，在安装工位上安装第二工件；

2）在粗加工工位上，第一超声波切割装置上的匕首刀对第一工件进行超声波切割，切削大部分加工余量，实现粗加工；

3）机床发出指令，工作台右移，当第一工件右移至精加工工位且第二工件右移至粗加工工位时，工作台停止移动；

4）在精加工工位上，第二超声波切割装置上的圆形刀对第一工件进行超声波切削，切削小部分加工余量，实现精加工；同时，在粗加工工位上，第一超声波切割装置上的匕首刀对第一工件进行超声波切割，切削大部分加工余量，实现粗加工；

5）机床发出指令，工作台右移，第一工件右移至卸料工位，同时第二工件右移至精加工工位，工作台停止移动；

6）在精加工工位上，第二超声波切割装置上的圆形刀对第二工件进行超声波切削，切削小部分加工余量，实现精加工；

7）停止加工，将卸料工位上第一工件卸下；

8）工作台左移，第二工件退回至安装工位并卸下。

进一步，所述工作台上设置有挡块，所述粗加工工位安装有与挡块配设的行程开关a，所述精加工工位上安装有与挡块配设的行程开关b，所述卸料工位上安装有与挡块配设的行程开关c；步骤3）中，挡块碰到行程开关b，工作台停止运动；步骤5）中，挡块碰到行程开关c，工作台停止运动；步骤7）中，挡块碰到行程开关a，工作台停止运动。

在本发明中，机床有两个主轴，两个主轴上分别安装一套超声波切割装置，其装置变幅杆的输出端分别安装匕首刀和圆形刀。匕首刀以切割加工方式工作，圆形刀以旋转铣削方式工作，分别对工件进行粗加工和精加工。匕首刀用于挖去多余毛坯材料，它在垂直方向做V形运动，将大片的毛坯料切开，并在毛坯了上切出工件的型面；圆形刀作旋转铣削加工运动，它用于处理尖形刀切割后在工件表面留下的锯齿痕，最终将工件表面按照工艺要求修整成所需的平面或曲面。本机床适用于加工如玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、各种蜂窝材料、预浸纤维材料和各种泡沫材料等复合材料。

与传统超声波加工机床相比，本发明还具有以下有益效果：

（1）在一台机床上实现同时对二个工件的粗加工和精加工，加工效率高；

（2）一次安装可减少工件多次安装引起的安装误差，保证加工精度；

（3）超声波声学系统与发生器的电连接不用转换或接插，提高了电连接系统的可靠性；

（4）不需更换超声波主轴，保证了超声波主轴与机床主轴之间的同轴度；

（5）采用龙门式动梁结构，工作时，工作台静止状态，机床为整体结构。与工作台运动或纯动梁结构机床相比较，双轴动梁四工位加工机床整体尺寸小；

（6）由于超声切割技术的切割质量优异，具有无毛刺、无刀具磨损、无炭化材料、侧向切割力小、加工速度快、加工精度高、无粉尘污染和干切绿色环保等优点，应用广泛。

附图说明

图1为本发明机床的主视图；

图2为图1俯视图；

图3为第一龙门机构的结构示意图；

图4为第二龙门机构的结构示意图；

图5为第一超声波主轴装置的结构示意图；

图6为第二超声波主轴装置的结构示意图；

图7为本发明机床的初始工作状态图；

图8为对应图7本发明机床的工作台右移一个工位的工作状态图；

图9为对应图7本发明机床的工作台右移二个工位的工作状态图。

图中：1-床身、2-右高架桥、3-工作台、4-第一超声波切割装置、5-第一龙门机构、6-第二龙门机构、7-第二超声波切割装置、8-双作用油缸、9-连接块、10-第二工件、11-第一工件、12-第一横梁、13-第二横梁、14-左侧梁、15-右侧梁、16-第二行走驱动装置、17-第一行走驱动装置、18-第一十字滑座、19-第一Z轴传动机构、20-第一主轴、21-匕首刀、22-第二主轴、23-第二十字滑座、24-第二Z轴传动机构、25-圆形刀、26-第一换能器、27-第一电源信号线、28-第一变幅杆、29-第一固定螺栓、30-第二换能器、31-第二电源信号线、32-第二变幅杆、33-第二固定螺栓、34-挡块、35-行程开关a、36-行程开关b、37-行程开关c、I-安装工位、II-粗加工工位、Ⅲ-精加工工位、IV-卸料工位。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

超声波复合加工机床，采用双轴、四工位龙门结构，包括床身1和工作台3。作为优选，可另设置有数控伺服系统，超声波控制系统，以及排屑、防护、液压、气动和检测系统等辅助部分。

所述床身1是整体结构。双作用油缸8固定在工作台3下方的床身1上，双作用油缸8的推杆两端用连接块9连接工作台4。工作台3两侧通过一副直线导轨沿X方向运动。双作用油缸8有左移、静止和右移三种工作状态，从而实现工作台3的左移、静止和右移。

床身1两侧分别设置有左高架桥和右高架桥2，所述左高架桥由左立柱和安装在左立柱上的左侧梁14组成，所述右高架桥2由右立柱和安装在右立柱上的右侧梁15组成，所述左侧梁14和右侧梁15通过连接板连接第一横梁12和第二横梁13。左侧梁14和右侧梁15均安装有直线导轨和滚球丝杆副，由双交流伺服电机驱动滚珠丝杆副带动第一龙门机构5和第二龙门机构6沿X轴前后双向移动。

所述第一龙门机构5包括第一横梁12、第一十字滑座18、第一Z轴传动机构19、第一行走驱动装置17和第一主轴20。所述第一主轴20连接第一超声波切割装置4并通过滑枕式摆动头安装在第一十字滑座18上，所述第一十字滑座18通过第一Y向拖板与第一行走驱动装置17连接，所述第一十字滑座18上设置有第一Z轴传动机构19,所述第一Z轴传动机构19包括Z轴导轨和丝杆副。

所述第一超声波切割装置4包括第一电源信号线27、第一换能器26、第一变幅杆28和匕首刀21，所述第一电源信号线27与第一换能器26连接，所述第一换能器26与第一变幅杆28连接，所述匕首刀21螺纹连接于第一变幅杆28的输出端。

作为优选，所述第一主轴20通过第一固定螺栓29与第一变幅杆28上的法兰连接。

当超声发生器产生频率在20kHz范围内的超声波，通过第一电源信号线27将超声波频率电源输入第一换能器26，使其进行声能－机械能转换，将原本振幅很小的超声振动转换成同频率的机械振动，再通过第一变幅杆28共振放大，得到足够大的、可以满足切割工件要求的振幅和能量，最后将这部分能量传导至第一超声切割装置4顶端的匕首刀21上，刀具在垂直方向做V形运动，将大片的毛坯料切开，并在毛坯料上切出工件的型面，挖去多余毛坯材料，对复合材料进行粗切割加工。

所述第二龙门机构6包括第二横梁13、第二十字滑座23、第二Z轴传动机构24和第二行走驱动装置16和第二主轴22。所述第二主轴22上配设有第二超声波切割装置7。所述第二主轴22通过滑枕式摆动头安装在第二十字滑座23上，所述第二十字滑座23通过第二Y向拖板与第二行走驱动装置16连接，所述第二十字滑座23上设置有第二Z轴传动机构24，所述第二Z轴传动机构24包括Z轴导轨和丝杆副。

所述第二超声波切割装置7包括第二电源信号线31、第二换能器30、第二变幅杆32和圆形刀25，所述第二电源信号线31与第二换能器30连接，所述第二换能器30与第二变幅杆32连接，所述圆形刀25圆心设置通孔并通过螺钉固定于第二变幅杆32的输出端。

作为优选，所述第二主轴22通过第二固定螺栓33与第二变幅杆32上的法兰连接。

当超声发生器产生频率在20kHz范围内的超声波，通过第二电源信号线31将超声波频率电源输入第二换能器30，使其进行声能－机械转转换，将原本振幅很小的超声振动转换成同频率的机械振动，再通过第二变幅杆32共振放大，得到足够大的、可以满足切割工件要求的振幅和能量，最后将这部分能量传导至第二超声波切割装置7顶端的圆形刀25上，它用于处理匕首刀21切割后在工件表面留下的锯齿痕，最终通过铣削加工方式将工件表面按照工艺要求修整成所需的平面或曲面，对复合材料进行精细切削加工。

匕首刀21和圆形刀25在摆动头的作用下，可以实现A、C轴的联动控制运动。因此匕首刀21和圆形刀25可分别进行5个运动轴（X、Y、Z、A、C）的控制联动。超声主轴产生的超声振动的振幅为30～50μm，沿切割主轴轴线的方向振动，切割功率为数百瓦。

当两主轴同时工作时，所述工作台3上方的加工区域分为四个工位，分别为：位于第一横梁12左侧的安装工位I、位于第一横梁12下方的粗加工工位II、位于第二横梁13下方的精加工工位Ⅲ、以及位于第二横梁13右侧的卸料工位IV。

在工作台3上设置挡块34，在粗加工工位II安装行程开关a35，在精加工工位Ⅲ上安装行程开关b36，在卸料工位IV上安装行程开关c37。机床的数控系统发出指令移动工作台3，当工作台3上的挡块34接触到任一行程开关，工作台3停止移动并停留在该工位。

超声波复合加工机床的操作方法，包括以下步骤：

1）在粗加工工位II上安装第一工件11，在安装工位I上安装第二工件10；

2）在粗加工工位II上，第一超声波切割装置4上的匕首刀21对第一工件11进行超声波切割，切削大部分加工余量，实现粗加工；

3）机床发出指令，工作台3右移，当第一工件11右移至精加工工位Ⅲ且第二工件10右移至粗加工工位II时，挡块34碰到行程开关b36，工作台3停止移动；

4）在精加工工位Ⅲ上，第二超声波切割装置7上的圆形刀25对第一工件11进行超声波切削，切削小部分加工余量，实现精加工；同时，在粗加工工位II上，第一超声波切割装置4上的匕首刀21对第一工件11进行超声波切割，切削大部分加工余量，实现粗加工；

5）机床发出指令，工作台3右移，当第一工件11右移至卸料工位IV且第二工件10右移至精加工工位Ⅲ时，挡块34碰到行程开关c37,工作台3停止移动；

6）在精加工工位Ⅲ上，第二超声波切割装置7上的圆形刀25对第二工件10进行超声波切削，切削小部分加工余量，进行精加工；

7）停止加工，将卸料工位IV上第一工件11卸下；

8）工作台3左移，挡块34碰到行程开关a35,工作台3停止移动，第二工件10退回至安装工位I并卸下。

本发明按照实施例进行了说明，在不脱离本发明原理的前提下，本装置还可以作出若干变形和改进，如用解析法或者转化矩阵法计算振动模态。应当指出，凡采用等同替换或等效变换等方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.超声波复合加工机床的切削加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）超声波复合加工机床包括床身（1）、工作台（3）、第一龙门机构（5）和第二龙门机构（6），所述第一龙门机构（5）包括第一横梁（12）和第一主轴（20），所述第一主轴（20）上配设有第一超声波切割装置（4），所述第二龙门机构（6）包括第二横梁（13）和第二主轴（22），所述第二主轴（22）上配设有第二超声波切割装置（7）；所述工作台（3）设有安装工位（I）、粗加工工位（II）、精加工工位（Ⅲ）以及卸料工位（IV）；

在粗加工工位（II）上安装第一工件（11），在安装工位（I）上安装第二工件（10）；

2）在粗加工工位（II）上，第一超声波切割装置（4）上的匕首刀（21）对第一工件（11）进行超声波切割，切削大部分加工余量，实现粗加工；

所述第一超声波切割装置（4）包括第一电源信号线（27）、第一换能器（26）、第一变幅杆（28）和匕首刀（21），所述第一电源信号线（27）与第一换能器（26）连接，所述第一换能器（26）与第一变幅杆（28）连接，所述匕首刀（21）螺纹连接于第一变幅杆（28）的输出端；

3）机床发出指令，工作台（3）右移，当第一工件（11）右移至精加工工位（Ⅲ）且第二工件（10）右移至粗加工工位（II）时，工作台（3）停止移动；

4）在精加工工位（Ⅲ）上，第二超声波切割装置（7）上的圆形刀（25）对第一工件（11）进行超声波切削，切削小部分加工余量，实现精加工；同时，在粗加工工位（II）上，第一超声波切割装置（4）上的匕首刀（21）对第一工件（11）进行超声波切割，切削大部分加工余量，实现粗加工；

所述第二超声波切割装置（7）包括第二电源信号线（31）、第二换能器（30）、第二变幅杆（32）和圆形刀（25），所述第二电源信号线（31）与第二换能器（30）连接，所述第二换能器（30）与第二变幅杆（32）连接，所述圆形刀（25）圆心开设通孔并通过螺钉固定连接于第二变幅杆（32）的输出端；

5）机床发出指令，工作台（3）右移，第一工件（11）右移至卸料工位（IV），同时第二工件（10）右移至精加工工位（Ⅲ），工作台（3）停止移动；

6）在精加工工位（Ⅲ）上，第二超声波切割装置（7）上的圆形刀（25）对第二工件（10）进行超声波切削，切削小部分加工余量，实现精加工；

7）停止加工，将卸料工位（IV）上第一工件（11）卸下；

8）工作台（3）左移，第二工件（10）退回至安装工位（I）并卸下。

2.如权利要求1所述的超声波复合加工机床的切削加工方法，其特征在于：所述床身（1）两侧分别设置有左高架桥和右高架桥（2），所述左高架桥由左立柱和安装在左立柱上的左侧梁（14）组成，所述右高架桥（2）由右立柱和安装在右立柱上的右侧梁（15）组成，所述左侧梁（14）和右侧梁（15）均通过连接板连接有第一横梁（12）和第二横梁（13）。

3.如权利要求2所述的超声波复合加工机床的切削加工方法，其特征在于：

所述第一龙门机构（5）还包括第一十字滑座（18）、第一Y向拖板和第一行走驱动装置（17），所述第一主轴（20）通过滑枕式摆动头安装在第一十字滑座（18）上，所述第一十字滑座（18）通过第一Y向拖板与第一行走驱动装置（17）连接，所述第一十字滑座（18）上设置有第一Z轴传动机构（19）,所述第一Z轴传动机构（19）包括Z轴导轨和丝杆副；

所述第二龙门机构（6）还包括第二十字滑座（23）、第二Y向拖板和第二行走驱动装置（16），所述第二主轴（22）通过滑枕式摆动头安装在第二十字滑座（23）上，所述第二十字滑座（23）通过第二Y向拖板与第二行走驱动装置（16）连接，所述第二十字滑座（23）上设置有第二Z轴传动机构（24），所述第二Z轴传动机构（24）包括Z轴导轨和丝杆副。

4.如权利要求1所述的超声波复合加工机床的切削加工方法，其特征在于：

所述第一主轴（20）通过第一固定螺栓（29）与第一变幅杆（28）上的法兰连接；

所述第二主轴（22）通过第二固定螺栓（33）与第二变幅杆（32）上的法兰连接。

5.如权利要求1所述的超声波复合加工机床的切削加工方法，其特征在于：所述工作台（3）上的设置有挡块（34），所述粗加工工位（II）安装有与挡块（34）配设的行程开关a（35），所述精加工工位（Ⅲ）安装有与挡块（34）配设的行程开关b（36），所述卸料工位（IV）安装有与挡块（34）配设的行程开关c（37）。

6.如权利要求1所述的超声波复合加工机床的切削加工方法，其特征在于：所述工作台（3）上的设置有挡块（34），所述粗加工工位（II）安装有与挡块（34）配设的行程开关a（35），所述精加工工位（Ⅲ）上安装有与挡块（34）配设的行程开关b（36），所述卸料工位（IV）上安装有与挡块（34）配设的行程开关c（37）；步骤3）中，挡块（34）碰到行程开关b（36），工作台（3）停止运动；步骤5）中，挡块（34）碰到行程开关c（37），工作台（3）停止运动；步骤7）中，挡块（34）碰到行程开关a（35），工作台（3）停止运动。