CN104118064B - 旋转超声振动线切割装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转超声振动线切割装置，包括床身、纵向移动工作平台、横向移动工作平台、工件支架、C型线架、金刚石线锯、上下超声振动装置、上下旋转电机、上下电能传输装置、线锯预紧力装置、线锯往复运动机构、超声波发生器和电气控制装置。上下超声振动装置分别固定在C型线架的上下工作臂上，超声波发生器输出的超声波电能通过压电换能器转变为超声频率的机械振动，驱动金刚石线锯进行超声振动，旋转电机驱动超声振动装置进行圆周旋转运动，往复运动机构驱动超声振动装置和金刚石线锯进行上下往复运动，该旋转超声振动线切割装置结构简单，提高了单位时间内金刚石线锯和被加工工件的接触面积，加工效率高，切削力小，解决了现有超声线切割技术存在的问题。
Description
技术领域
本发明涉及硬脆材料切割技术领域，尤其是涉及一种用于硬脆材料加工用的旋转超声振动线切割装置。
背景技术
石材、宝石、硅晶体、石英晶体、硬质合金等硬脆材料因其具有优良稳定的物理、化学特性，在精密制造、航空航天、化工、电子、生物医学等领域得到了广泛的应用，但是目前硬脆材料加工多采用圆盘锯、带锯、线锯等加工形式，加工困难，加工精度低，成本高，原材料浪费严重，且很难加工形状复杂的工件，金刚石线锯虽然说能够加工出复制的曲面，但是其线锯绕过导轮，线锯张力不同，金刚石颗粒与基体容易脱落，加工性能下降，生产成本提高。
为了克服上述硬脆材料切割技术中的不足，在专利号为：ZL03133682.5,发明名称为《硬脆材料加工用的超声波线切割锯》的专利文献中，公开了一种超声波线切割锯，通过曲柄连杆往复运动结构，使超声振动金刚石线切割锯进行往复运动切割，取得了较好的实验效果，但是曲柄连杆机构往复的线速度不够均匀，金刚石线锯不是旋转切削导致金刚石线锯单边磨损较快，影响了超声振动金刚石线锯的切削效果，因此需要进一步改进来提高超声振动金刚石线切割锯的加工效率和加工精度。
发明内容
本发明提供了一种新型的旋转超声振动线切割装置，目的是为了克服现有超声振动线切割装置中存在的不足，提高超声振动金刚石线切割装置的加工效率和加工精度。
旋转超声振动线切割装置，该装置包括床身、横向移动工作平台、纵向移动工作平台、工件支架、C型线架、金刚石线锯、上超声振动装置、下超声振动装置、上旋转电机、下旋转电机、上电能传输装置、下电能传输装置、线锯预紧力装置、线锯往复运动机构、超声波发生器和电气控制装置，横向移动工作平台通过螺栓联接设置在床身上，所述的横向移动工作平台采用滚珠丝杠驱动形式的工作移动平台或直线电机驱动形式的工作移动平台。纵向移动工作平台通过螺栓联接设置在横向移动工作平台上，所述的纵向移动工作平台采用滚珠丝杠驱动形式的工作移动平台或直线电机驱动形式的工作移动平台。工件支架通过螺栓联接设置在纵向移动工作平台上，利用电气控制装置通过对横向移动工作平台和纵向移动工作平台的配合驱动控制，工件支架带动工件实现横向和纵向的复合二维曲线轨迹移动。
C型线架包括上下工作臂和竖向支撑立柱，上下两工作臂之间的距离通过C型线架竖向支撑立柱内的丝杠螺母副进行调节。
上下超声振动装置均包括压电换能器、变幅杆和外壳，下超声振动装置通过其外壳和下旋转电机的旋转轴相联接，下旋转电机通过螺钉安装在C型线架的下工作臂上，上超声振动装置通过其外壳和上旋转电机的旋转轴相联接，上旋转电机和线锯预紧力装置的下端相连，线锯预紧力装置的上端安装在C型线架的上工作臂上，在上下两超声振动装置的变幅杆之间安装有金刚石线锯。
线锯预紧力装置包括弹簧、导向柱和导向套，弹簧下端和上旋转电机相连，弹簧上端和C型线架的上工作臂相连。导向柱与上旋转电机相连，导向套与上工作臂相连，导向柱通过间隙配合插入到导向套内，保证弹簧在提供预紧力的同时不发生偏斜，金刚石线锯始终保持在绷紧直线状态。
在上旋转电机和上超声振动装置之间安装有上电能传输装置，在下旋转电机和下超声振动装置之间安装有下电能传输装置，电能传输装置的作用是将超声波发生器输出的电能传送到压电换能器，电能传输装置采用碳刷集流环的电能传输装置或是利用电磁感应原理的非接触电能传输装置均可。
线锯往复运动机构包括机床立柱、驱动电机、联轴器、丝杠和螺母副，立柱通过螺钉安装在床身上，驱动电机通过螺钉安装在立柱上方，驱动电机轴通过联轴器和丝杠相连，螺母副通过螺栓和C型线架相联接，丝杠和螺母副通过螺纹旋合联接在一起。驱动电机采用步进电机或伺服电机。通过对驱动电机的正反转控制驱动线锯往复上下移动。
超声波发生器输出两路超声波电能，且输出至上下两压电换能器的超声波电能存在180°的相位差，压电换能器将超声波电能转变为超声频率的机械振动，即当上压电换能器的变幅杆前端收缩向上振动时，下压电换能器的变幅杆前端就伸长向上振动，当上压电换能器的变幅杆前端伸长向下振动时，下压电换能器的变幅杆前端就收缩向下振动，进而两压电换能器驱动金刚石线锯进行同向的轴向超声振动。
上下旋转电机是带有旋转编码器的转速和相位可控电机，上下旋转电机驱动上下两个超声振动装置进行同步圆周旋转运动，并由往复运动机构驱动超声振动装置和金刚石线锯进行上下往复运动。
工作时，金刚石线锯处于高频超声振动、上下往复运动和圆周旋转运动的复合运动状态。工件在工件支架的带动下实现横向和纵向的复合二维曲线轨迹运动，当工件和金刚石线锯相接触时，即可实现工件的旋转超声振动线切割加工。相比现有文献介绍的超声波线切割锯，该旋转超声振动线切割装置提高了单位时间内金刚石线锯和被加工工件的的接触面积，结构简单、加工效率高，切削力小，控制简单、解决了现有超声线切割技术存在的问题,应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的上超声振动装置结构示意图。
图3是本发明的下超声振动装置结构示意图。
图中标号说明：1.床身，2.横向移动工作平台，3.纵向移动工作平台，4.工件支架，5.下工作臂，6.下旋转电机，7.下电能传输装置，8.下超声振动装置，801.A变幅杆，802.A压电换能器，803.A外壳，9.金刚石线锯，10.上超声振动装置，101.B变幅杆，102.B压电换能器，103.B外壳，11.上电能传输装置，12.上旋转电机，13.线锯预紧力装置，131.弹簧，132.导向柱，133.导向套，14.上工作臂，15.竖向支撑立柱，16.驱动电机，17.联轴器，18.立柱，19.螺母副，20.丝杠。
具体实施方式
结合图1-3所示，旋转超声振动线切割装置包括床身1、横向移动工作平台2、纵向移动工作平台3、工件支架4、C型线架、金刚石线锯9、上超声振动装置10、下超声振动装置8、上旋转电机12、下旋转电机6、上电能传输装置11、下电能传输装置7、线锯预紧力装置13、线锯往复运动机构、超声波发生器和电气控制装置，滚珠丝杠驱动形式的横向移动工作平台2通过螺栓联接设置在床身1上，滚珠丝杠驱动形式的纵向移动工作平台3通过螺栓联接设置在横向移动工作平台2上，工件支架4通过螺栓联接设置在纵向移动工作平台3上，通过横向移动工作平台2和纵向移动工作平台3的配合驱动，工件支架4带动工件实现横向和纵向的复合二维曲线轨迹移动，横向移动工作台2和纵向移动工作台3的移动速度均在0-4000mm/min可调，工件支架4尺寸为240x360mm。
上下超声振动装置均包括压电换能器、变幅杆和外壳，压电换能器直径为30mm，压电陶瓷片材料为PZT-8，尺寸为：Ф30×Ф15×5，压电陶瓷片的片数为2，压电换能器的固有频率为20.1KHz，压电换能器功率为200W，变幅杆末端输出振幅为24微米。
下超声振动装置8通过其A外壳803和下旋转电机6的旋转轴相联接，下旋转电机6通过螺钉安装在C型线架的下工作臂5上，上超声振动装置10通过其B外壳103和上旋转电机12的旋转轴相联接，上旋转电机12和线锯预紧力装置13的下端相连，线锯预紧力装置13的上端安装在C型线架的上工作臂14上，在上下两超声振动装置的变幅杆之间安装有金刚石线锯9。
线锯预紧力装置13包括弹簧131、导向柱132和导向套133，弹簧131下端和上旋转电机12相连，弹簧131上端和C型线架的上工作臂14相连。导向柱132与上旋转电机12相连，导向套133与上工作臂14相连，导向柱132通过间隙配合插入到导向套133内，间隙大小为0.03mm，保证弹簧131在提供预紧力的同时不发生偏斜，弹簧预紧力为30N，金刚石线锯9始终保持竖直方向。
在上下两超声振动装置的变幅杆之间安装有金刚石线锯9，金刚石线锯9直径为0.5mm，金刚石粒度为200#，金刚石线锯9长度为500mm，C型线架的下工作臂5上安装有用来手动调节位置用的丝杠螺母副，用来调节C型线架中上下工作臂之间的距离，在上旋转电机12和上超声振动装置10之间安装有利用电磁感应原理设计的上非接触电能传输装置11，在下旋转电机6和下超声振动装置8之间安装有利用电磁感应原理设计的下非接触电能传输装置7。
线锯往复运动机构包括机床立柱18、驱动电机16、丝杠20和螺母副19，立柱18通过螺钉安装在床身1上，驱动电机16通过螺钉安装在立柱18上方，驱动电机16轴通过联轴器17和丝杠20相连，螺母副19通过螺栓和C型线架相联接。驱动电机16采用步进电机，通过对驱动电机16的正反转控制驱动线锯往复上下移动，线锯的上下移动速度在0-2000mm/min可调。
超声波发生器输出两路超声波电能，且输出至上下两压电换能器的超声波电能存在180°的相位差，压电换能器将超声波电能转变为超声频率的机械振动，即当上压电换能器102的变幅杆101前端收缩向上振动时，下压电换能器802的变幅杆801前端就伸长向上振动，当上压电换能器102的变幅杆101前端伸长向下振动时，下压电换能器802的变幅杆801前端就收缩向下振动，进而两压电换能器驱动金刚石线锯9进行同向的轴向超声振动，上下旋转电机驱动上下两个超声振动装置进行同步旋转，并由往复运动机构驱动超声振动装置和金刚石线锯9进行上下往复运动。
工作时，金刚石线锯9处于高频超声振动、上下往复运动和圆周旋转运动的复合运动状态。超声振动频率为20.1KHz，超声振动装置旋转速度为800r/min,上下往复运动速度为1000mm/min,金刚石线锯9的轴向预紧力为30N，侧向压力为8N，对厚度为20mm，长宽200x100mm的SiC玻璃进行直线切削加工，金刚石线锯9切削进给速度达到35mm/min。
Claims (10)
1.旋转超声振动线切割装置，该装置包括床身、横向移动工作平台、纵向移动工作平台、工件支架、C型线架、金刚石线锯、上超声振动装置、下超声振动装置、上旋转电机、下旋转电机、上电能传输装置、下电能传输装置、线锯预紧力装置、线锯往复运动机构、超声波发生器和电气控制装置，其特征在于：横向移动工作平台通过螺栓联接设置在床身上，纵向移动工作平台通过螺栓联接设置在横向移动工作平台上，工件支架通过螺栓联接设置在纵向移动工作平台上，C型线架包括上工作臂、下工作臂和竖向支撑立柱，上下两工作臂之间的距离通过C型线架竖向支撑立柱内的丝杠螺母副进行调节，上下超声振动装置均包括压电换能器、变幅杆和外壳，下超声振动装置通过其外壳和下旋转电机的旋转轴相联接，下旋转电机通过螺钉安装在C型线架的下工作臂上，上超声振动装置通过其外壳和上旋转电机的旋转轴相联接，上旋转电机和线锯预紧力装置的下端相连，线锯预紧力装置的上端安装在C型线架的上工作臂上，在上下两超声振动装置的变幅杆之间安装有金刚石线锯，线锯预紧力装置包括弹簧、导向柱和导向套，弹簧下端和上旋转电机相连，弹簧上端和C型线架的上工作臂相连，导向柱与上旋转电机相连，导向套与上工作臂相连，导向柱通过间隙配合插入到导向套内，在上旋转电机和上超声振动装置之间安装有上电能传输装置，在下旋转电机和下超声振动装置之间安装有下电能传输装置，线锯往复运动机构包括机床立柱、驱动电机、联轴器、丝杠和螺母副，立柱通过螺钉安装在床身上，驱动电机通过螺钉安装在立柱上方，驱动电机通过联轴器和丝杠相连，螺母副通过螺栓和C型线架相联接，丝杠和螺母副通过螺纹旋合联接在一起。
2.根据权利要求1所述的旋转超声振动线切割装置，其特征在于：所述的横向移动工作平台是滚珠丝杠驱动形式的工作移动平台。
3.根据权利要求1所述的旋转超声振动线切割装置，其特征在于：所述的横向移动工作平台是直线电机驱动形式的工作移动平台。
4.根据权利要求1所述的旋转超声振动线切割装置，其特征在于：所述的纵向移动工作平台是滚珠丝杠驱动形式的工作移动平台。
5.根据权利要求1所述的旋转超声振动线切割装置，其特征在于：所述的纵向移动工作平台是直线电机驱动形式的工作移动平台。
6.根据权利要求1-5中任意一条所述的旋转超声振动线切割装置，其特征在于：所述的电能传输装置是碳刷集流环电能传输装置。
7.根据权利要求1-5中任意一条所述的旋转超声振动线切割装置，其特征在于：所述的电能传输装置是利用电磁感应原理的的非接触电能传输装置。
8.根据权利要求1-5中任意一条所述的旋转超声振动线切割装置，其特征在于：所述的驱动电机是步进电机。
9.根据权利要求1-5中任意一条所述的旋转超声振动线切割装置，其特征在于：所述的驱动电机是伺服电机。
10.根据权利要求1-5中任意一条所述的旋转超声振动线切割装置，其特征在于：所述的上旋转电机和下旋转电机是带有旋转编码器的转速和相位可控电机。
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