CN103909300A - 一种电泳与超声振动辅助微细铣削加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种电泳与超声振动辅助微细铣削加工装置。包括有立式滑块、微细超声主轴、微细超声主轴电源发生器及控制面板、电泳辅助电源、微细超声平台电源发生器及控制面板、运动控制系统、微三维运动平台、微细超声平台、铣刀、电泳辅助圆形电极，本发明在普通超声振动辅助微铣削加工过程中加入具有超微磨粒的溶液，同时通过电泳圆形辅助电极，在微铣刀上加上辅助电压，使两者之间产生辅助电场，驱动微细磨粒运动或吸附到微铣刀上，使加工时磨粒对工件起到磨削作用，同时固结的磨粒还可以对铣刀起到保护作用，减少刀具磨损。磨粒还可以在超声振动的驱动下对工件进行冲击，提高材料去除效率，提高铣削加工的效率。

Description

一种电泳与超声振动辅助微细铣削加工装置

技术领域

本发明是一种电泳与超声振动辅助微细铣削加工装置，特别是一种涉及金属或非金属难加工材料的平面或三维曲面的微铣削加工装置，属于微细结构复合加工技术领域。

背景技术

随着科学技术的不断发展，微小零件被日益广泛应用，产品微型化在光学、机械、电子、医药、生物、航天、军事等领域具有广阔的应用前景，这使微制造技术迅速成为一项倍受关注的先进制造技术。微细加工技术是制造微小型零件的主要加工方法，其中微铣削加工是微细加工领域中的一项重要的先进制造技术。

目前微铣削技术研究主要从加工设备、加工机理和加工工艺三个方面展开，研究重点主要集中于加工表面质量、切削力、残余应力、刀具的磨损和寿命、切屑状态、对微小零件的加工能力等方面。利用微细切削特别是微细铣削技术加工微小零件是一个有潜力的发展方向。在微小型机床上进行微细铣削加工具有成本低、柔性强的特点，尤其适合于加工多种工程材料以及带有复杂曲面的三维微结构。随着技术的发展，为了改善普通微铣削中出现的各种问题，国内外学者对微铣削技术进行了深入研究，主要运用复合加工技术来改善传统微铣削加工中出现的问题，这些多技术合成的成功应用值得引起关注，其中超声振动微铣削是其中一种新兴先进加工技术。

超声振动切削加工技术是近几十年来得到迅速发展的一种复合加工技术，超声振动辅助微铣削技术是一种通过在传统微铣削加工的基础上加入超声振动，用于解决在微铣削过程中出现的各种工艺问题的技术手段，如表面粗糙度较大、加工表面微小翻边和毛刺等问题。同时改善微铣削工件表面残余应力状态，改善微切削状态及效果，提高微铣削工件的精度、表面质量、耐腐蚀特性和使用寿命，是一种广泛使用的先进加工技术。

普通微铣削加工中刀具磨损将是制约微铣削的突出问题，其次微铣削加工时通常微铣床需要很高的转速，这就提高了对微铣床的要求，制造困难成本较贵。微铣刀本身需要很好的耐磨性能，对微铣刀加工较为复杂，而在超声振动微铣削加工中，加工效率低下、表面粗糙度不高、对刀具磨损严重等问题一直没有得到很好解决，而且由于超声振动及微铣削加工都会产生很大的热量，这会使刀刃尖端局部区域的温度升高，导致刀刃加快磨损，不利于铣刀的持续加工；同时工件被加工区热变形增大且难以控制。加工完后的工件表面出现热应力且降低了加工精度。因为刀具材料的硬度比被加工材料的硬度低，普通的微细铣削加工与超声振动辅助微铣削加工在加工时都存在一定制约性。

  目前对微铣削加工中，国内外学者大多数通过复合加工技术来提高工艺技术及加工效果，如微铣削和激光预热的结合、微铣削和椭圆振动的结合、微铣削和电火花加工的结合等。超声振动辅助微铣削是在微铣削加工技术的基础上，将超声振动辅助技术运用上去，改善铣刀的切削机理，使铣刀的振动发生变化，抑制无规律的振动，减小切削力，以达到提高加工效率，减少表面粗糙度，提高加工质量的效果。

发明内容

本发明的目的在于针对目前微铣削加工以及超声振动辅助微铣削加工中存在刀具磨损严重、加工效率低以及无法加工硬脆性材料等问题，提出一种电泳与超声振动辅助微细铣削加工装置。本发明采用超微磨粒的电泳特性，改善普通超声振动辅助微铣削工艺技术，抑制刀具的崩刃破损，提高加工效率，降低加工表面的粗糙度，以及实现硬脆性材料的微铣削加工。

    本发明的技术方案是：本发明的电泳与超声振动辅助微细铣削加工装置,包括有立式滑块、微细超声主轴、微细超声主轴电源发生器及控制面板、电泳辅助电源、微细超声平台电源发生器及控制面板、运动控制系统、微三维运动平台、微细超声平台、铣刀、超微磨粒、电泳辅助圆形电极、工作液槽，铣刀通过夹具安装在可旋转的微细超声主轴上，微细超声主轴通过夹具使铣刀与微细超声主轴紧密相连，微细超声主轴安装在立式滑台上，立式滑台能够驱动微细超声主轴上下运动以便于加工时进行粗对刀，微细超声平台安装在工作液槽中，工件装设在微细超声平台上，且浸没于工作液槽的磨料工作液中，铣刀的加工部分也同样浸没于工作液槽的磨料工作液中，工作液槽安装于微三维运动平台上，运动控制系统控制微三维运动平台在X、Y、Z轴三个方向运动，且微细超声平台电源发生器及控制面板与微细超声平台连接，微细超声主轴与微细超声主轴电源发生器及控制面板连接，电泳辅助电源的阳极与铣刀连接，电泳辅助电源的阴极与电泳辅助电极连接，在铣刀与电泳辅助电极之间形成辅助电场，使工作液中的超微磨粒在电场力的作用下吸附到铣刀附近或直接附着在铣刀的刀刃上。

本发明针对目前微铣削加工以及超声振动辅助微铣削加工中（刀具磨损严重、加工效率低以及无法加工硬脆性材料等问题），本发明提出一种电泳与超声振动辅助微铣削的新工艺技术，采用超微磨粒的电泳特性，改善普通超声振动辅助微铣削工艺技术，有望抑制刀具的崩刃破损，提高加工效率，降低加工表面的粗糙度，以及实现硬脆性材料的微铣削加工。

本发明与现有的技术相比，具有如下优点：

1）本发明超声振动的铣刀或者工件，由于超声振动的原因，在很小的位移上产生很大的加速度，在局部产生很大的能量，同时对工件作冲击作用，辅助微铣削加工，改善去除材料的效果。

2）本发明微铣刀与电泳辅助圆形电极之间施加可调直流电压，形成辅助电场，对超微磨粒产生电场力的牵引作用，能够使超微磨粒运动并吸附到铣刀或工件附近，由于超声振动效果，使磨粒冲击工件，提高加工效率，加工质量及表面粗糙度。

3）本发明通过调节电压的大小，使磨粒在附着在铣刀刀刃上，由于电泳效应，磨粒与铣刀间存在结合力，加工时还可以对工件起到磨削作用。

4）本发明在加工时进行电泳辅助驱动磨料运动至铣刀附近或附着在铣刀刀刃处，对工件有磨削作用，改善切削特性，弥补现有技术的不足，实现硬脆性材料平面微结构以及三维微结构的加工；

5）本发明在加工溶液中添加超微磨粒，超声振动驱动下冲击工件，提高加工效率；

 6）本发明能够对非金属难加工材料平面微结构及复杂三维结构进行铣削加工； 

本发明是一种可以对被加工工件进行平面复杂微铣削或者三维曲面微铣削加工，改善切削性能，减少切削力，降低加工表面的粗糙度，减少残余应力，提高铣削加工的效率及实现对难加工材料的加工的电泳与超声振动辅助微细铣削加工装置。

附图说明

图1为本发明利用超声主轴振动加工时的结构示意图；

图2为图1中A处的局部放大图；

图3为本发明利用超声工作平台的振动加工时的结构示意图；

图4为图3中B处的局部放大图。

具体实施方式

实施例：

本发明的结构示意图如图1、2、3、4所示，本发明的电泳与超声振动辅助微细铣削加工装置，包括有立式滑块1、微细超声主轴2、微细超声主轴电源发生器及控制面板3、电泳辅助电源4、微细超声平台电源发生器及控制面板5、运动控制系统6、微三维运动平台7、微细超声平台8、工件9、铣刀10、超微磨粒11、电泳辅助圆形电极12、工作液槽13，铣刀10通过夹具安装在可旋转的微细超声主轴2上，微细超声主轴2通过专用夹具使铣刀10与微细超声主轴2紧密相连，微细超声主轴2安装在立式滑台1上，立式滑台1能够驱动微细超声主轴2上下运动以便于加工时进行粗对刀，微细超声平台8安装在工作液槽13中，工件9装设在微细超声平台8上，且浸没于工作液槽13的磨料工作液中，铣刀10的加工部分也同样浸没于工作液槽13的磨料工作液中，否则无法通过电泳特性吸附磨粒，工作液槽13安装于微三维运动平台7上，运动控制系统6控制微三维运动平台7在X、Y、Z轴三个方向运动，且微细超声平台电源发生器及控制面板5与微细超声平台8连接，微细超声主轴2与微细超声主轴电源发生器及控制面板3连接，电泳辅助电源4的阳极与铣刀10连接，电泳辅助电源4的阴极与电泳辅助电极12连接，在铣刀10与电泳辅助电极12之间形成辅助电场，使工作液中的超微磨粒11在电场力的作用下吸附到铣刀10附近或直接附着在铣刀10的刀刃上，提高加工区域磨料的浓度。上述微三维平台7的最小分辨率为0.1微米。图中所示的超微磨粒11悬浮于工作液中，平均粒径小于1微米。超微磨粒11本身并不带电。由于其表面能相对较大，能够将溶液中的负电荷吸附到磨粒表面，这就使整个磨粒表现出负电特性。超微磨粒11的平均粒径越小，其电泳特性越明显。电泳与超声振动辅助微铣削加工是根据超微磨粒的电泳特性，通过辅助电场驱动较大磨粒运动并吸附到铣刀附近，一方面通过超声振动使磨粒对工件产生冲击作用，另一方面电泳效应可以使较细磨粒吸附并附着在刀刃处，由于较细磨粒的附着具有一定的结合力，不仅对工件起到磨削作用，还可以起到保护刀刃的作用，减小刀具磨损，提高加工效率、加工质量及铣刀的使用寿命；本发明的新型加工系统中主轴和加工平台都可通过超声波电源发生器而达到超声振动的效果，微铣刀在超声振动的周期性强制规律振动中可以起到抑制无规律颤动效果，改善加工特性，减小切削力。同时由于电泳特性和超声振动影响，可使加工中对溶液进行扰动，从而使溶液中的超微磨粒相对于被加工表面运动，达到磨粒自我更新的目的。

上述微细超声主轴2及微细超声平台8分别可以在微细超声主轴电源发生器及控制面板3和微细超声平台电源发生器及控制面板5的控制下带动铣刀10和工件9产生超声振动，微细超声主轴2及微细超声平台8能同时产生超声振动，或能独立产生超声振动。

  为了安装方便，上述工作液槽13通过辅助夹具14安装于微三维运动平台7上。

本实施例中，上述铣刀10为普通微细加工所用微铣刀，可在没有超声振动的情况下，进行普通机械微铣削加工。上述电泳辅助电源4为可调直流电源。上述工件9为金属或非金属难加工材料。

    本发明的工作原理是：如图1、2、3、4所示，电泳与超声振动辅助微细铣削加工装置加工时，微细超声主轴2在立式滑块1的带动下可以上下运动，微细超声主轴2下面对应着工作液槽13及超声工作平台8，超声工作平台8固定在工作液槽13内，工件9固定在超声工作平台上，浸没于工作液中，铣刀10加工时也必须浸没于工作液中，否则无法起到电泳效应的辅助效果，整个工作台通过辅助夹具14固定在微三维运动平台7上，加工过程中，先由微三维运动平台7和立式滑块1负责进给和对刀，打开电泳辅助电源4，控制超微磨粒11开始向铣刀附近运动，开始加工时，打开超声电源发生器，微细超声主轴2及微细超声平台8分别可以在微细超声主轴电源发生器及控制面板3和微细超声平台电源发生器及控制面板5的控制下带动铣刀10和工件9产生超声振动，可同时产生超声振动也可以独立产生超声振动，进而进行电泳与超声振动辅助微细铣削加工。

     电泳与超声振动辅助微细铣削加工，主要是根据超微磨粒的电泳特性，通过辅助电场驱动磨粒运动并吸附到铣刀附近，一方面通过超声振动使磨粒对工件产生冲击作用，另一方面电泳效应可以使较细磨粒吸附并附着在刀刃处，由于较细磨粒的附着具有一定的结合力，不仅对工件起到磨削作用，还可以起到保护刀刃的作用，减小刀具磨损，提高加工效率、加工质量及铣刀的使用寿命；同时由于电泳特性和超声振动影响，可使加工中对溶液进行扰动，从而使溶液中的超微磨粒相对于被加工表面运动，达到磨粒自我更新的目的。这样就可以利用电泳与超声振动辅助微铣削，对被加工工件进行平面复杂微铣削或者三维曲面微铣削加工，改善切削性能，减少切削力，降低加工表面的粗糙度，减少残余应力，提高铣削加工的效率及实现对难加工材料的加工。

Claims (7)

1.一种电泳与超声振动辅助微细铣削加工装置，其特征在于包括有立式滑块（1）、微细超声主轴（2）、微细超声主轴电源发生器及控制面板（3）、电泳辅助电源（4）、微细超声平台电源发生器及控制面板（5）、运动控制系统（6）、微三维运动平台（7）、微细超声平台（8）、铣刀（10）、超微磨粒（11）、电泳辅助圆形电极（12）、工作液槽（13），铣刀（10）通过夹具安装在可旋转的微细超声主轴（2）上，微细超声主轴（2）通过夹具使铣刀（10）与微细超声主轴（2）紧密相连，微细超声主轴（2）安装在立式滑台（1）上，立式滑台（1）能够驱动微细超声主轴（2）上下运动以便于加工时进行粗对刀，微细超声平台（8）安装在工作液槽（13）中，工件（9）装设在微细超声平台（8）上，且浸没于工作液槽（13）的磨料工作液中，铣刀（10）的加工部分也同样浸没于工作液槽（13）的磨料工作液中，工作液槽（13）安装于微三维运动平台（7）上，运动控制系统（6）控制微三维运动平台（7）在X、Y、Z轴三个方向运动，且微细超声平台电源发生器及控制面板（5）与微细超声平台（8）连接，微细超声主轴（2）与微细超声主轴电源发生器及控制面板（3）连接，电泳辅助电源（4）的阳极与铣刀（10）连接，电泳辅助电源（4）的阴极与电泳辅助电极（12）连接，在铣刀（10）与电泳辅助电极（12）之间形成辅助电场，使工作液中的超微磨粒（11）在电场力的作用下吸附到铣刀（10）附近或直接附着在铣刀（10）的刀刃上。

2.根据权利要求1所述的电泳与超声振动辅助微细铣削加工装置，其特征在于上述微细超声主轴（2）及微细超声平台（8）分别在微细超声主轴电源发生器及控制面板（3）和微细超声平台电源发生器及控制面板（5）的控制下带动铣刀（10）和工件（9）产生超声振动，微细超声主轴（2）及微细超声平台（8）能同时产生超声振动，或能独立产生超声振动。

3.根据权利要求1所述的电泳与超声振动辅助微细铣削加工装置，其特征在于上述铣刀（10）为普通微细加工所用微铣刀。

4.根据权利要求1所述的电泳与超声振动辅助微细铣削加工装置，其特征在于上述电泳辅助电源（4）为可调直流电源。

5.根据权利要求1至4任一项所述的电泳与超声振动辅助微细铣削加工装置，其特征在于上述作液槽（13）通过辅助夹具（14）安装于微三维运动平台（7）上。

6.根据权利要求5所述的电泳与超声振动辅助微细铣削加工装置，其特征在于上述微三维平台（7）的最小分辨率为0.1微米。

7.根据权利要求5所述的电泳与超声振动辅助微细铣削加工装置，其特征在于上述工件（9）为金属或非金属难加工材料。