CN104625172A - 超声振动辅助微铣削系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声振动辅助微铣削系统，包括水平放置的底座和安装在其上的X向滑台、Y向滑台和Z向滑台；X向滑台、Y向滑台和Z向滑台均设有导轨、安装在导轨上的滑块和电机以及由电机驱动的丝杠，丝杠支撑在导轨上，滑块与丝杠螺纹连接；X向滑台的导轨下面设有垫块，垫块固定在底座上，在X向滑台的滑块上安装有沿X向设置的电主轴，在电主轴的输出端安装有微铣刀；Y向滑台的导轨固定在底座上；Z向滑台的导轨与立柱固接，Z向滑台的导轨和立柱均固接在Y向滑台的滑块上；在Z向滑台的滑块上安装有超声振动平台。本发明能够实现高转速下复杂零件的高精度加工以及对硬脆材料的铣削加工。

Description

超声振动辅助微铣削系统
技术领域
本发明属于机械加工设备技术领域，特别是一种利用超声振动辅助铣削加工的超声振动辅助微铣削系统。
背景技术
在工业的各个领域内对高精密的微小零件的需求正在不断增加，尤其是在航空航天、生物医学、电子通讯、环保等方面，微小零件的制造技术对于这些领域的发展至关重要。研究和发展精密加工、超精密微细加工和纳米加工技术，已经成为现代制造技术的一个重要发展方向。
目前，一些脆硬材料如陶瓷、硅、金刚石和光学玻璃，在航天、航空、汽车、冶金、机械加工等领域得到越来越广泛的应用，而对这类材料的铣削还存在刀具磨损严重、发热量大、加工效率低等问题，所以探索一种既能利用铣削优点又能加工硬脆材料的方法势在必行。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种超声振动辅助微铣削系统，该系统能够实现高转速下复杂零件的高精度加工以及对硬脆材料的加工，并且有利于断屑，可以改善切削加工状态，降低切削力，降低刀具磨损，提高刀具寿命，提高切削效率。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种超声振动辅助微铣削系统，包括水平放置的底座和安装在其上的X向滑台、Y向滑台和Z向滑台；所述X向滑台、所述Y向滑台和所述Z向滑台均设有导轨、安装在所述导轨上的滑块和电机以及由所述电机驱动的丝杠，所述丝杠支撑在所述导轨上，所述滑块与所述丝杠螺纹连接；所述X向滑台的导轨下面设有垫块，所述垫块固定在所述底座上，在所述X向滑台的滑块上安装有沿X向设置的电主轴，在所述电主轴的输出端安装有微铣刀；所述Y向滑台的导轨固定在所述底座上；所述Z向滑台的导轨与立柱固接，所述Z向滑台的导轨和所述立柱均固接在所述Y向滑台的滑块上；在所述Z向滑台的滑块上安装有超声振动平台，所述超声振动平台包括从下至上依次设置的承载板、下振动板和上振动板；所述下振动板通过Z向直线运动导轨与所述承载板连接；在Z方向上，所述下振动板的一侧中部连接有Z向振动子，所述下振动板的另一侧中部设有Z向弓形弹簧片，所述Z向弓形弹簧片的两端固定在Z向微调装置的输出端，所述Z向弓形弹簧片的中心线与所述Z向微调装置的中心线重合，所述Z向弓形弹簧片的最高点与所述下振动板的侧面接触；所述Z向振动子由同轴固接的Z向超声换能器和Z向超声变幅杆组成，所述Z向超声变幅杆与所述下振动板连接，所述Z向超声变幅杆固定在所述承载板上；所述上振动板通过Y向直线运动导轨与所述下振动板连接；在Y方向上，所述上振动板的一侧中部连接有Y向振动子，所述上振动板的另一侧中部设有Y向弓形弹簧片，所述Y向弓形弹簧片的两端固定在Y向微调装置的输出端，所述Y向弓形弹簧片的中心线与所述Y向微调装置的中心线重合，所述Y向弓形弹簧片的最高点与所述上振动板的侧面接触；所述Y向振动子由同轴固接的Y向超声换能器和Y向超声变幅杆组成，所述Y向超声变幅杆与所述上振动板连接，所述Y向超声变幅杆固定在所述下振动板上。
所述Z向超声换能器和所述Y向超声换能器均为夹心式压电陶瓷换能器。
所述X向超声变幅杆和所述Y向超声变幅杆结构相同，均采用带过渡圆弧的阶梯形，并在节点处设有连接法兰盘。
所述夹心式压电陶瓷换能器设有超声电源，所述夹心式压电陶瓷换能器包括从后至前依次设置的后盖板、多个并联的压电陶瓷片和前盖板，每片压电陶瓷设有正负两个铜电极，所述铜电极通过导线与所述超声电源连接，所述前盖板采用轻金属制成并采用阶梯形结构，所述后盖板采用重金属制成。
所述Z向直线运动导轨和所述Y向直线运动导轨均采用滚动摩擦导轨。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明的超声振动微铣削系统，通过数控系统控制电机带X向滑台、Y向滑台、Z向滑台的运动，并且可以实现三轴联动，能够实现高转速下复杂零件的高精度加工。另外采用在微铣床上加装超声振动平台的结构，利用超声振动辅助铣削，能够改善切削加工状态，降低切削力，降低刀具磨损，提高刀具寿命，提高切削效率并有利于断屑，能够实现对硬脆材料的加工。在运动平台上加装超声振动平台，能够避免对主轴的改动，同时又可以利用超声振动辅助铣削的优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的超声振动平台结构示意图；
图3为图2的主视图；
图4为图2的左视图；
图5为图2的俯视图；
图6是本发明的超声换能器结构示意图；
图7是本发明的超声变幅杆结构示意图。
图中：1、底座；2、垫块；3、X向滑台的电机；4、X向滑台；5、X向滑台的滑块；6、电主轴；7、主轴夹持装置；8、Z向滑台的电机；9、Z向滑台；10、立柱；11、Z向滑台的滑块；12、微铣刀；13、Y向滑台的电机；14、Y向滑台的滑块；15、Y向滑台；16、超声振动平台；17、承载板；18、下振动板；19、上振动板；20、Y向超声换能器；21、Z向超声换能器；22、Y向微调装置；23、Z向微调装置；24、Z向超声变幅杆；25、28、Z向轨道；26、27、滑块；29、Y向超声变幅杆；30、33、滑块；31、32、Z向轨道；34、Y向弓形弹簧片；35、Z向弓形弹簧片；36、预应力螺栓；37、后盖板；38、铜电极；39、压电陶瓷片；40、前盖板；41、连接法兰盘；42、过渡圆弧。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1～图7，一种超声振动辅助微铣削系统，包括水平放置的底座1和安装在其上的X向滑台4、Y向滑台15和Z向滑台9；所述X向滑台4、所述Y向滑台15和所述Z向滑台9均设有导轨、安装在所述导轨上的滑块和电机以及由所述电机驱动的丝杠，所述丝杠支撑在所述导轨上，所述滑块与所述丝杠螺纹连接；所述X向滑台4的导轨下面设有垫块2，所述垫块固定在所述底座1上，在所述X向滑台4上设有沿X向设置的电主轴6，在所述电主轴6的输出端安装有微铣刀12；所述Y向滑台15的导轨固定在所述底座1上；所述Z向滑台9的导轨与立柱10固接，所述Z向滑台9的导轨和所述立柱10均固接在所述Y向滑台15的滑块14上；在所述Z向滑台9的滑块11上安装有超声振动平台16，所述超声振动平台16包括从下至上依次设置的承载板17、下振动板18和上振动板19；所述承载板17与所述Z向滑台的滑块11固接；所述下振动板18通过Z向直线运动导轨与所述承载板17连接；在本实施例中，Z向直线运动导轨有两根，一根由Z向轨道31和滑块30组成，另一根由Z向轨道32和滑块33组成。
在Z方向上，所述下振动板18的一侧中部连接有Z向振动子，所述下振动板18的另一侧中部设有Z向弓形弹簧片35，所述Z向弓形弹簧片35的两端采用螺栓固定在Z向微调装置23的输出端，所述Z向弓形弹簧片35的中心线与所述Z向微调装置23的中心线重合，所述Z向弓形弹簧片35的最高点与所述下振动板18的侧面接触；所述Z向振动子由同轴固接的Z向超声换能器21和Z向超声变幅杆24组成，所述Z向超声变幅杆24与所述下振动板18连接，所述Z向超声变幅杆24固定在所述承载板17上。
所述上振动板19通过Y向直线运动导轨与所述下振动板18连接。在本实施例中，Y向直线运动导轨有两根，一根由Y向轨道25和滑块26组成，另一根由Y向轨道28和滑块27组成。
在Y方向上，所述上振动板19的一侧中部连接有Y向振动子，所述上振动板19的另一侧中部设有Y向弓形弹簧片34，所述Y向弓形弹簧片34的两端采用螺栓固定在Y向微调装置22的输出端，所述Y向弓形弹簧片34的中心线与所述Y向微调装置22的中心线重合，所述Y向弓形弹簧片34的最高点与所述上振动板19的侧面接触；所述Y向振动子由同轴固接的Y向超声换能器20和Y向超声变幅杆29组成，所述Y向超声变幅杆29与所述上振动板19连接，所述Y向超声变幅杆29固定在所述下振动板18上。
所述垫块2用于保证加工处于最大行程范围；所述立柱10用于提高Z向滑台9的刚性。电主轴6采用主轴夹持装置7支撑，主轴夹持装置7的夹持范围设置在距离电主轴6尾端45mm～85mm处。
在本实施例中，所述Z向超声换能器21和所述Y向超声换能器20均为夹心式压电陶瓷换能器。所述夹心式压电陶瓷换能器设有超声电源，所述夹心式压电陶瓷换能器包括从后至前依次设置后盖板37、多个并联的压电陶瓷片39和前盖板40，后盖板37、多个并联的压电陶瓷片39和前盖板40采用预应力螺栓36连接在一起，每个压电陶瓷片设有正负两个铜电极38，所述铜电极38通过导线与所述超声电源连接，所述前盖板40采用轻金属制成并采用阶梯形结构，所述后盖板37采用重金属制成。所述Z向超声变幅杆24和所述Y向超声变幅杆29结构相同，均采用带过渡圆弧42的阶梯形，并在节点处设有连接法兰盘41。过渡圆弧42可以避免应力集中。所述Z向直线运动导轨和所述Y向直线运动导轨均采用滚动摩擦导轨。
本发明的工作原理：
上述超声振动辅助微铣削系统，加工方式属于卧式加工，加工行程为50mm×50mm×50mm。滑台的重复定位精度为±0.5um，主轴最高转速为80000rpm，超声振动频率在20kHz左右。启动前将待加工工件固定在上振动板上。接通各控制器电源和各向振动子的电源。主轴控制器通过控制线与电主轴连接，直接控制电主轴的启停，正反转和转速；主轴控制器可以实现电主轴无极变速；滑台控制器的输入端与计算机相连，输出端分别与X向滑台的电机3、Y向滑台的电机13和Z向滑台的电机8相连，用于控制三个滑台电机的独立启停、正反转和转速，并且可以实现三轴联动。超声振动平台16实现工件相对于刀具的超声振动。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超声振动辅助微铣削系统，其特征在于，包括水平放置的底座和安装在其上的X向滑台、Y向滑台和Z向滑台；
所述X向滑台、所述Y向滑台和所述Z向滑台均设有导轨、安装在所述导轨上的滑块和电机以及由所述电机驱动的丝杠，所述丝杠支撑在所述导轨上，所述滑块与所述丝杠螺纹连接；
所述X向滑台的导轨下面设有垫块，所述垫块固定在所述底座上，在所述X向滑台的滑块上安装有沿X向设置的电主轴，在所述电主轴的输出端安装有微铣刀；
所述Y向滑台的导轨固定在所述底座上；
所述Z向滑台的导轨与立柱固接，所述Z向滑台的导轨和所述立柱均固接在所述Y向滑台的滑块上；
在所述Z向滑台的滑块上安装有超声振动平台，所述超声振动平台包括从下至上依次设置的承载板、下振动板和上振动板；所述下振动板通过Z向直线运动导轨与所述承载板连接；在Z方向上，所述下振动板的一侧中部连接有Z向振动子，所述下振动板的另一侧中部设有Z向弓形弹簧片，所述Z向弓形弹簧片的两端固定在Z向微调装置的输出端，所述Z向弓形弹簧片的中心线与所述Z向微调装置的中心线重合，所述Z向弓形弹簧片的最高点与所述下振动板的侧面接触；所述Z向振动子由同轴固接的Z向超声换能器和Z向超声变幅杆组成，所述Z向超声变幅杆与所述下振动板连接，所述Z向超声变幅杆固定在所述承载板上；所述上振动板通过Y向直线运动导轨与所述下振动板连接；在Y方向上，所述上振动板的一侧中部连接有Y向振动子，所述上振动板的另一侧中部设有Y向弓形弹簧片，所述Y向弓形弹簧片的两端固定在Y向微调装置的输出端，所述Y向弓形弹簧片的中心线与所述Y向微调装置的中心线重合，所述Y向弓形弹簧片的最高点与所述上振动板的侧面接触；所述Y向振动子由同轴固接的Y向超声换能器和Y向超声变幅杆组成，所述Y向超声变幅杆与所述上振动板连接，所述Y向超声变幅杆固定在所述下振动板上。
2.根据权利要求1所述的超声振动辅助微铣削系统，其特征在于，所述Z向超声换能器和所述Y向超声换能器均为夹心式压电陶瓷换能器。
3.根据权利要求1所述的超声振动辅助微铣削系统，其特征在于，所述Z向超声变幅杆和所述Y向超声变幅杆结构相同，均采用带过渡圆弧的阶梯形，并在节点处设有连接法兰盘。
4.根据权利要求2所述的超声振动辅助微铣削系统，其特征在于，所述夹心式压电陶瓷换能器设有超声电源，所述夹心式压电陶瓷换能器包括从后至前依次设置的后盖板、多个并联的压电陶瓷片和前盖板，每片压电陶瓷设有正负两个铜电极，所述铜电极通过导线与所述超声电源连接，所述前盖板采用轻金属制成并采用阶梯形结构，所述后盖板采用重金属制成。
5.根据权利要求1所述的超声振动辅助微铣削系统，其特征在于，所述Z向直线运动导轨和所述Y向直线运动导轨均采用滚动摩擦导轨。
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