CN104227020A - 40KHz两用超声辅助车削装置 - Google Patents

Abstract

一种40KHz两用超声辅助车削装置，包括换能器、调幅器、机床接口块、夹具基板、两用刀杆等；夹具基板上有两个安装位置，每个安装位置包括两个螺栓孔，两个安装位置的两个螺栓孔的连线互成90度夹角分布，机床接口块通过螺栓连接固定在两个安装位置中的任一个安装位置上；两用刀杆有两个刀片的安装位置；换能器连接有超声发生器，超声发生器的高频辅助振动工作频率为40KHz；本发明实现了车削装置的小型化，并提高了车削装置的切削性能，还实现了高频机械振动方向与切削速度方向以及刀片进给运动方向一致的两种辅助加工方式，提高了车削装置在使用中的灵活性和互换性。

Description

40KHz两用超声辅助车削装置

技术领域

本发明涉及超声辅助车削加工领域，尤其涉及一种高频两用超声辅助车削装置。

背景技术

超声辅助车削，是指车刀在传统正常切削过程中，刀尖同时参与频率为20～50KHz的高频振动的车削形式。利用这种振动切削，使在普通车床上进行超精密加工成为现实，即可以达到圆度、圆柱度、平面度、平行度、直线度均接近零误差，实现以车代磨。根据超声辅助车削系统中高频振动方向与车削速度方向，进给量速度方向的关系，可将超声辅助车削系统分为两类：刀尖高频机械振动与车削速度方向一致，即高频机械振动方向为工件旋转周向；刀尖高频机械振动与车削进给量速度方向一致，即高频机械振动方向为工件轴向。在刀尖高频机械振动与车削速度方向一致的超声辅助车削中，刀片与切削工件的分离作用是振动切削最根本的特点，正是这一特点才使得刀尖每次能以极大的加速度冲击工件进行切削，可以降低切削力和切削温度，可以极大改善切削性能，提高切削效率。在刀尖高频机械振动与进给量速度一致的超声辅助车削中，高频振动的振幅叠加在进给量上，去除了一些表面残余切削面积，提高了表面加工质量。根据表面粗糙度的形成机理，在高频振动振幅足够大，进给量足够小且不引发颤振的条件下，可实现车削表面的镜面加工。

目前超声辅助车削装置在原理和机构上主要可以分为两大类刀片共振装置：一种是纵向-横向弯曲振动刀片系统，是将纵向谐振变幅杆的振动传给刀片，激励刀片产生横向共振，得到刀尖的最大振幅；另一种是纵向振动刀片系统，即变幅杆与刀片直接连接，并带动刀片振动。

然而，目前常见的这些刀片共振装置的性能普遍不佳，一方面，纵向-横向弯曲振动刀片系统不能保证刀尖的精确的振动方向；再者，纵向振动刀片装置由于刀片直接安装在变幅杆上，需要专用刀片，因此存在刀片制造，调整复杂问题，同时由于机床结构的限制，振动切削装置不能沿机床纵向移动，使用不便。

在现有技术中，针对刀尖在振动方向上精确低的问题，业界一般采用工作频率为20KHz左右的超声波振动车削系统及方法，如发明人李志等在CN101912979A专利中提出了一种轴类零件的超声波振动车削系统及方法，该装置针对轴类零件，尤其是超长轴类的加工，可有效降低加工过程中的温度及切削力，降低工件变形，提高表面质量，实现轴类零件的高质量加工。

然而，本领域技术人员清楚，现有技术的这种超声波振动车削系统及方法，仅能完成高频振动方向与车削速度方向一致的超声辅助切削，且该装置的工作频率为20KHz，与目前国内其它超声辅助车削装置一样，都是小于40KHz而位于20～30KHz范围内，基于驻波的特点，频率的降低将引发两相邻波节间距离的增大，导致超声辅助车削装置的长度与体积增大，所以会造成使用不便。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种高频两用超声辅助车削装置，以大幅提高超声辅助车削装置在使用中的灵活性和互换性。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是开发一种高频两用超声辅助车削装置，以在提高能量传递效率的基础上，大幅提高超声辅助车削装置在使用中的灵活性和互换性，并且要求其结构简单，易于推广及使用。

为实现上述目的，本发明提供了一种40KHz两用超声辅助车削装置，其通过40KHz的工作频率，以及夹具基板与机床接口块的互成90度的两种安装方位和两用刀杆上相应的两个刀片的安装位置，实现了该装置的小型化，并提高了该装置的切削性能，还实现了高频机械振动方向与切削速度方向以及刀片进给运动方向一致的两种辅助加工方式，提高了该装置在使用中的灵活性和互换性。本发明的具体方案如下所述：

一种40KHz两用超声辅助车削装置，包括刀片、换能器和调幅器，所述换能器与所述调幅器通过螺纹连接，所述调幅器上有调幅器夹持节点；还包括机床接口块、夹具基板、两用刀杆、调幅器夹紧块和两用刀杆夹紧块；所述夹具基板上有两个所述机床接口块的安装位置；所述两用刀杆上有两用刀杆夹持节点，所述夹具基板上有所述调幅器夹紧块和所述两用刀杆夹紧块，所述两用刀杆夹紧块和所述调幅器夹紧块分别位于所述两用刀杆夹持节点处和所述调幅器夹持节点处；所述两用刀杆有两个所述刀片的安装位置；所述两用刀杆与所述调幅器相连接；所述换能器在超声发生器驱动下工作，所述超声发生器输出高频交流电信号频率为40KHZ。

优选地，所述夹具基板上的每个所述安装位置包括两个螺栓孔，一个所述安装位置的两个所述螺栓孔的连线与另一个所述安装位置的两个所述螺栓孔的连线成90度夹角，所述机床接口块通过螺栓连接固定在两个所述安装位置中的任一个所述安装位置上。

优选地，所述两用刀杆的在所述夹具基板上的安装方位平行于所述机床接口块安装在所述夹具基板上的所述安装位置的两个螺栓孔连接点的连线时，所述两用刀杆的高频振动方向与所述刀片的进给运动的方向一致。

优选地，所述两用刀杆的在所述夹具基板上的安装方位垂直于所述机床接口块安装在所述夹具基板上的所述安装位置的两个螺栓孔连接点的连线时，所述两用刀杆的高频振动方向与所述刀片的切削速度的方向一致。

优选地，所述机床接口块与所述两用刀杆夹紧块和所述调幅器夹紧块分别位于所述夹具基板上两个相平行的侧面上。

优选地，所述两用刀杆上有两个紧固所述刀片的内螺纹。

优选地，两个紧固所述刀片的所述内螺纹的轴线呈垂直角度分布。

此处设计目的在于，40KHz的工作频率，实现了切削装置的小型化，并提高其切削性能，因为基于驻波的特点，频率的升高将引发两相邻波节间距离的降低，以20KHz与40KHz驻波为例，40KHz两相邻波节间距离约为20KHz两相邻波节间距离的一半，具体反映在超声辅助车削装置中，高频超声辅助车削装置的长度与体积将远远小于低频超声辅助车削装置的长度与体积；所以对于超声辅助车削装置，工作频率提高到40KHz，有助于该装置的小型化，同时，也提高了该装置的切削性能；该装置能同时完成高频振动方向与车削速度方向和刀片进给运动方向一致的两个方向的加工，以针对不同地机床或工件进行选择，以产生最佳的加工方案，有利于扩大超声辅助切削装置的应用范围，并提高其加工效果。

优选地，所述两用刀杆与所述调幅器通过螺纹连接，且所述两用刀杆、所述调幅器和所述换能器同轴线。

优选地，所述两用刀杆夹紧块和所述调幅器夹紧块通过螺栓与所述夹具基板相连接。

优选地，高频机械振动在两用刀杆中以驻波形式传播，所述两用刀杆的所述刀片的安装位置，位于驻波的波腹位置处。

此处设计目的在于，各部件之间通过螺栓连接，保证了连接的可靠性，并在提高了能量的传递效率的基础上，提高了该装置在使用过程中的灵活性，增加了经济效益；刀片的螺栓紧固的安装方法，方便了系统的调整校正，同时也能满足日常加工需要。

从上述技术方案可以看出，本发明一种40KHz两用超声辅助车削装置，通过40KHz的工作频率，以及夹具基板与机床接口块的互成90度的两种安装方位和两用刀杆上相应的两个刀片的安装位置，实现了该装置的小型化，并提高了该装置的切削性能，还实现了高频机械振动方向与切削速度方向以及刀片进给运动方向一致的两种辅助加工方式，提高了该装置在使用中的灵活性和互换性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一种40KHz两用超声辅助车削装置的主要部件示意图；

图2是本发明的一种40KHz两用超声辅助车削装置的两用刀杆的刀片安装位置示意图；

图3是本发明装置的高频振动方向与刀片进给运动方向一致时的示意图；

图4是本发明装置的高频振动方向与车削速度方向一致时的示意图；

图5是本发明的装置在两用夹具基板上的安装位置分布示意图。

图中，1为换能器，2为调幅器夹持节点，3为调幅器，4为两用刀杆夹持节点，5为两用刀杆，6为刀片，7为夹具基板，8为机床接口块，9为两用刀杆的夹紧块，10为调幅器的夹紧块，11为刀片垂直于两用刀杆轴线的安装位置，12为刀片平行于两用刀杆轴线的安装位置，13为夹具基板顶部安装机床接口块的螺栓孔，14为夹具基板底部安装机床接口块的螺栓孔，15为换能器侧安装机床接口块的螺栓孔，16为两用刀杆侧安装机床接口块的螺栓孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种40KHz两用超声辅助车削装置做进一步的描述。

实施例：

如图1至图5所示，图1是本发明的一种40KHz两用超声辅助车削装置的主要部件示意图；在图1中展示了本发明的40KHz两用超声辅助车削装置，包括刀片6、换能器1和调幅器3，所述换能器1与所述调幅器3通过螺纹连接，所述调幅器3上有调幅器夹持节点2；进一步的，还包括机床接口块8、夹具基板7、两用刀杆5、调幅器的夹紧块10和两用刀杆的夹紧块9；所述夹具基板7上有两个安装位置，每个所述安装位置包括两个螺栓孔，两个所述安装位置的两个所述螺栓孔的连线成90度夹角分布，所述机床接口块8通过螺栓连接固定在两个所述安装位置中的任一个所述安装位置上；所述两用刀杆5上有两用刀杆夹持节点4，所述夹具基板7上有所述调幅器的夹紧块10和所述两用刀杆的夹紧块9，所述两用刀杆的夹紧块9和所述调幅器的夹紧块10分别位于所述两用刀杆夹持节点4处和所述调幅器夹持节点2处；所述换能器1在超声发生器驱动下工作，所述超声发生器输出高频交流电信号频率为40KHZ；40KHz的工作频率，实现了切削装置的小型化，并提高其切削性能，因为基于驻波的特点，频率的升高将引发两相邻波节间距离的降低，以20KHz与40KHz驻波为例，40KHz两相邻波节间距离约为20KHz两相邻波节间距离的一半，具体反映在超声辅助车削装置中，高频超声辅助车削装置的长度与体积将远远小于低频超声辅助车削装置的长度与体积；所以，对于超声辅助车削装置，工作频率提高到40KHz，有助于该装置的小型化，同时，也提高了该装置的切削性能。

请参阅图2，图2是本发明的一种40KHz两用超声辅助车削装置的两用刀杆的刀片安装位置示意图；所述两用刀杆5有两个所述刀片6的安装位置，分别为刀片垂直于两用刀杆轴线的安装位置11和刀片平行于两用刀杆轴线的安装位置12，两个所述刀片6的安装位置所在的平面处各有一个紧固所述刀片6的内螺纹，两个所述内螺纹的轴线相互垂直；所述两用刀杆5与所述调幅器3相连接。

请参阅图3，图3是本发明装置的高频振动方向与刀片进给运动方向一致时的示意图，在图3中，所述两用刀杆5的在所述夹具基板7上的安装方位平行于所述机床接口块8安装在所述夹具基板7上的所述安装位置的两个螺栓孔连接点的连线，所述两用刀杆5的高频振动方向与所述刀片6进给运动方向一致，此时，刀片6安装在刀片平行于两用刀杆轴线的安装位置12。

请参阅图4，图4是本发明装置的高频振动方向与车削速度方向一致时的示意图，在图4中，所述两用刀杆5的在所述夹具基板7上的安装方位垂直于所述机床接口块8安装在所述夹具基板7上的所述安装位置的两个螺栓孔连接点的连线，所述两用刀杆5的高频振动方向与切削速度方向一致，此时，刀片6安装在刀片垂直于两用刀杆轴线的安装位置11。

当加工工件为长轴类时建议采用高频振动方向与车削速度方向一致的加工方法；当加工工件为短轴类零件且对表面粗糙度要求较高时，建议采用高频振动方向与刀片6进给运动方向一致的加工方法。

在实施例中，所述机床接口块8与所述两用刀杆的夹紧块9和所述调幅器的夹紧块10分别位于所述夹具基板7上两个相平行的侧面上。

在实施例中，高频机械振动在两用刀杆5中以驻波形式传播，所述两用刀杆5的所述刀片6的安装位置，位于驻波的波腹位置处。

在实施例中，换能器1，调幅器与两用刀杆5通过螺栓紧固连接，建立高频机械振动的传播路径，通过螺栓的连接，可有效保证高频振动传播路径的同轴度，维持振动方向的稳定性和可靠性，提高传递效率；刀片6通过螺栓紧固连接与两用刀杆5的刀片6安装位置处，并且该处连接需保证足够的连接牢固程度，以确保加工过程的安全和高效，刀片6在连接好后，可利用阻抗分析仪对刀片6整体进行阻抗分析，观察共振频率是否接近40KHz，如果不接近，则可调整连接刀片6与40KHz超声切削两用刀杆5的螺栓的预紧力，直到符合规定的频率要求；在上述超声装置安装完毕后，将该装置即可安装于夹具基板7上，通过调幅器夹持节点2和两用刀杆夹持节点4进行夹紧操作，并可通过此处配置的螺栓调整夹紧力与夹紧位置；然后可将机床接口块8安装于夹具基板7的安装位置上。

请参阅图5，图5是本发明的装置在两用夹具基板上的安装位置分布示意图；在图5中，两用刀杆5的高频振动方向与所述刀片6进给运动方向一致时，机床接口块8与夹具基板7上的换能器侧安装机床接口块的螺栓孔15，以及两用刀杆侧安装机床接口块的螺栓孔16相连接；两用刀杆5的高频振动方向与切削速度方向一致时，机床接口块8与夹具基板7上的夹具基板顶部安装机床接口块的螺栓孔13以及夹具基板底部安装机床接口块的螺栓孔14相连接。将机床接口块8安装于传统车削机床原本夹持刀杆的刀架处，通过垫片调整位置后，即完成了该40KHz两用超声辅助车削装置的安装。

所以，该装置能同时完成高频振动方向与车削速度方向和刀片6进给运动方向一致的两个方向的加工，以针对不同地机床或工件进行选择，以产生最佳的加工方案，有利于扩大超声辅助切削装置的应用范围，并提高其加工效果；各部件之间通过螺栓连接，保证了连接的可靠性，并在提高了能量的传递效率的基础上，提高了该装置在使用过程中的灵活性，增加了经济效益；刀片6的螺栓紧固的安装方法，方便了系统的调整校正，同时也能满足日常加工需要。

以高频振动方向与刀片6进给运动方向一致为例，将本发明装置应用到传统车削的机床中，比较使用本发明装置与不使用本发明装置情况下的表面质量，以表面粗糙度作为表明质量的衡量指标，试验表明，本发明装置的使用可降低加工件的表面粗糙度最大达30％；并通过研究级立体显微镜STEREO DISCOVERY V.20进行分析，发现在使用本发明装置的情况下，工件表面加工形状更为稳定，残余面积更小，表面粗糙度数值更低。

从上述实施例可以看出，本发明一种40KHz两用超声辅助车削装置，通过40KHz的工作频率，以及夹具基板7与机床接口块8的互成90度的两种安装方位和两用刀杆5上相应的两个刀片6的安装位置，实现了该装置的小型化，并提高了该装置的切削性能，还实现了高频机械振动方向与切削速度方向以及刀片6进给运动方向一致的两种辅助加工方式，提高了该装置在使用中的灵活性和互换性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种40KHz两用超声辅助车削装置，包括刀片、换能器和调幅器，所述换能器与所述调幅器通过螺纹连接，所述调幅器上有调幅器夹持节点；其特征在于，还包括机床接口块、夹具基板、两用刀杆、调幅器夹紧块和两用刀杆夹紧块；所述夹具基板上有两个所述机床接口块的安装位置；所述两用刀杆上有两用刀杆夹持节点，所述夹具基板上有所述调幅器夹紧块和所述两用刀杆夹紧块，所述两用刀杆夹紧块和所述调幅器夹紧块分别位于所述两用刀杆夹持节点处和所述调幅器夹持节点处；所述两用刀杆有两个用于安装所述刀片的安装位置；所述两用刀杆与所述调幅器相连接；所述换能器在超声发生器驱动下工作，所述超声发生器输出高频交流电信号频率为40KHZ。

2.根据权利要求1所述的40KHz两用超声辅助车削装置，其特征在于，所述夹具基板上的每个所述安装位置包括两个螺栓孔，一个所述安装位置的两个所述螺栓孔的连线与另一个所述安装位置的两个所述螺栓孔的连线成90度夹角，所述机床接口块通过螺栓连接固定在两个所述安装位置中的任一个所述安装位置上。

3.根据权利要求2所述的40KHz两用超声辅助车削装置，其特征在于，所述两用刀杆的在所述夹具基板上的安装方位平行于所述机床接口块安装在所述夹具基板上的所述安装位置的两个螺栓孔连接点的连线时，所述两用刀杆高频振动的方向与所述刀片的进给运动的方向一致。

4.根据权利要求2所述的40KHz两用超声辅助车削装置，其特征在于，所述两用刀杆的在所述夹具基板上的安装方位垂直于所述机床接口块安装在所述夹具基板上的所述安装位置的两个螺栓孔连接点的连线时，所述两用刀杆的高频振动方向与所述刀片的切削速度的方向一致。

5.根据权利要求1所述的40KHz两用超声辅助车削装置，其特征在于，所述机床接口块与所述两用刀杆夹紧块和所述调幅器夹紧块分别位于所述夹具基板上两个相平行的侧面上。

6.根据权利要求1所述的40KHz两用超声辅助车削装置，其特征在于，所述两用刀杆上有两个紧固所述刀片的内螺纹。

7.根据权利要求6所述的40KHz两用超声辅助车削装置，其特征在于，两个紧固所述刀片的所述内螺纹的轴线呈垂直角度分布。

8.根据权利要求1所述的40KHz两用超声辅助车削装置，其特征在于，所述两用刀杆与所述调幅器通过螺纹连接，且所述两用刀杆、所述调幅器和所述换能器同轴线。

9.根据权利要求1所述的40KHz两用超声辅助车削装置，其特征在于，所述两用刀杆夹紧块和所述调幅器夹紧块通过螺栓与所述夹具基板相连接。

10.根据权利要求1所述的40KHz两用超声辅助车削装置，其特征在于，高频机械振动在两用刀杆中以驻波形式传播，所述两用刀杆的所述刀片的安装位置，位于驻波的波腹位置处。