CN105619187B - 一种二维超声振动抛光加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二维超声振动抛光加工装置及方法，属于机械制造技术领域。二维超声振动抛光工具通过螺钉紧固到机床z轴上，工件夹具通过螺钉固定到机床x轴上，机床x轴、机床y轴、机床z轴与机床主体通过调试后固定连接。本发明提供抛光加工切平面内的椭圆振动，由x向超声振子和y向超声振子的振动信号，在铰链接头处耦合二维振动，输出到抛光抛光头上，使得抛光抛光头在加工区域获得理想的瞬时随机运动轨迹，振动合成的运动为抛光主运动，能够在抛光头不转的前提下控制抛光力稳定，抛光头仿形能力强，能够加工各种复杂曲面，为确定性抛光，实现抛光材料的稳定均匀去除，仅需控制抛光力即可实现高效、高质抛光。

Description

一种二维超声振动抛光加工装置及方法

技术领域

本发明属于机械制造技术领域。

背景技术

抛光作为超精密加工的最后一道工序，效率和精度这对矛盾的命题一直制约着抛光加工的发展，而椭圆振动抛光则很好的兼顾了这两个矛盾的命题。自二十世纪六十年代隈部淳一郎创造性地将振动切削系统性应用与机械加工以来，振动辅助加工越来越受到切削加工研究者的青睐。从一维振动到二维振动辅助抛光，旨在提高效率和加工质量，超声抛光应用也越来越广泛。

已有应用于抛光的超声加工，大多为辅助抛光手段，往往与旋转加工或特种加工相结合应用，诸如公开号为CN102172852A的文献公开了一种超声磁流变复合抛光技术，一维超声振动旨在改善磁流变抛光效果并提高效率，公开号为CN103817563A的文献公开了一种适用于磨削和抛光的超声振动辅助方法，旨在改善加工效果及微结构表面尖锐处破坏问题，公开号为CN203636513U的文献公开了一种超声辅助化学抛光，将一维超声振动应用于化学抛光，改善研抛条件，等等。这些应用主要将超声作为一种辅助手段，旨在改善效果，且由于工具主运动往往是高速回转的，具有抛光力不稳定性。

公开号为CN104476378A的文献公开了一种单激励超声椭圆振动抛光装置，抛光头纵弯复合振动与工件的往复运动实现抛光，运动方式比较单一，能加工的面型受限；

公开号为CN1616568A的文献公开了一种二维流体振动抛光装置及方法，主要特点是成本低，但抛光为不确定去除，仅适应于平面光整，无法应用于确定性抛光。

发明内容

本发明提供一种二维超声振动抛光加工装置及方法，以解决抛光为不确定去除，抛光力不稳定，加工面型受限的问题。

本发明采取的技术方案是：工件夹具通过螺钉固定到机床x轴上，机床x轴、机床y轴、机床z轴与机床主体通过调试后固定连接，二维超声振动抛光工具通过螺钉紧固到机床z轴上；所述二维超声振动抛光工具的结构是：两个振子固定法兰座与振子固定法兰盖分别与x向超声振子和y向超声振子通过螺纹连接，两个振子固定法兰座垂直布置在工具系统支承座上且通过螺钉连接，从而将x向超声振子和y向超声振子垂直定位在同一平面内，x向超声振子和y向超声振子分别通过双头螺柱连接到铰链接头上，工具杆与抛光头粘接后安装在铰链接头的定位孔上，并通过工具抱紧螺钉夹紧。

所述x向超声振子和y向超声振子结构相同，均为阶梯型，振子联接法兰分别在x向超声振子和y向超声振子的振动节点位置，且两法兰直径和厚度相同，装配时法兰盖从里侧向外压紧。

所述工具系统支承座通过螺纹固定有加强筋。

所述双头螺柱两端均为右螺旋螺纹，使连接更稳定。

所述铰链接头由两个垂直并联的柔性铰链、两个双头螺柱连接孔、工具杆安装孔、工具杆夹紧孔组成。

一种二维超声振动抛光方法，包括下列步骤：

一、将工件固定在工件夹具上，工件夹具随着机床x轴和机床y轴运动，二维超声振动抛光工具提供抛光头的抛光主运动，通过机床z轴进给，抛光头与工件接触；

二、智能数控超声发生器激励x向超声振子和y向超声振子同一平面内相互垂直的纵向振动，发生器为双路输出，发出超声信号频率为f₁、f₂，也分别为抛光头x向和y向振动频率，相位差为θ；x向超声振子和y向超声振子分别在x向和y向的纵向振动在工具杆处耦合二维振动，形成抛光头在抛光加工切平面内瞬时随机运动轨迹，运动公式为：

x＝asin(2πf₁t)

y＝bsin(2πf₂t+θ)

其中x为抛光头x方向位移函数，y为抛光头y向位移函数，a、b为实验标定所得抛光头x向、y向振幅，t为时间变量，π为圆周率常数；

三、当抛光头在x向、y向具有同一振幅和频率、相位差为π/2时，抛光头的运动速度公式如下：

x＝asin(2πft)，y＝acos(2πft)，v_x＝2πfacos(2πft)，v_y＝-2πfasin(2πft)，

|v|＝2πfa，

其中，a为抛光头x向和y向振幅，f为抛光头振动频率，t为时间变量，x，y为抛光头x、y向位移，v_x、v_y为对应速度，|v|为抛光头合速度，此时抛光头线速度大小为与时间无关的常数，则单位时间d_t抛光去除深度Δδ为：

Δδ＝kpvd_t，其中k为Preston系数，v为抛光头与工件相对速度，p为抛光正压力，t为抛光时间，因f单位为kHz，故振动合成抛光头线速度远远大于通过机床运动所致线速度，则v为抛光头振动合成线速度值|v|，则Δδ＝kpvd_t＝kp|v|d_t＝2kpπfad_t，去除深度δ为：δ＝Δδgt＝2kpπfat，

四、精抛，当抛光头振动频率比为0.909，振幅相同，相位差为π/2时，即：f₁/f₂＝0.909,a＝b,θ＝π/2。

本发明的优点在于：提供抛光加工切平面内的椭圆振动，由x向超声振子和y向超声振子的振动信号，在铰链接头处耦合二维振动，输出到抛光抛光头上，使得抛光抛光头在加工区域获得理想的瞬时随机运动轨迹，振动合成的运动为抛光主运动，能够在抛光头不转的前提下控制抛光力稳定，抛光头仿形能力强，能够加工各种复杂曲面，为确定性抛光，实现抛光材料的稳定均匀去除，仅需控制抛光力即可实现高效、高质抛光。

本发明提供的二维超声振动抛光，在接触区域抛光头的瞬时轨迹随机，使得待去除表面各向异性更突出，能够获得更加平整的表面；

本发明提供的二维超声振动抛光，比一维振动功率大得多，加工效率会提高；且当x向超声振子和y向超声振子具有同一振幅和频率、相位差为90度时，线速度大小是与频率和振幅成正比而与时间无关的函数，据Preston经验方程，单位时间去除深度与线速度成正比，振动频率高达几十KHz,数量级上比普通抛光要高得多，去除效率显著提高；相比单向振动线速度为正弦曲线，而二维振动线速度是固定值时刻保持在峰值，保证最大量去除。

x向超声振子和y向超声振子后盖板长度不同，使得各自变幅杆节点位置至铰链接头的长度相同，且该复合阶梯型变幅杆能稳定输出较大的振幅。

铰链接头具有垂直并联的柔性铰链，具有放大振幅及实现铰链接头在x向振动和y向振动下的弯曲变形，从而将两个垂直的纵向振动合成为工具杆在切平面内的二维振动。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明二维超声振动抛光工具的结构示意图；

图3是本发明二维超声振动抛光工具安装位结构示意图；

图4是本发明超声振子结构示意图；

图5是本发明双头螺柱结构示意图；

图6是本发明铰链接头示意图；

图7是本发明抛光头瞬时运动轨迹图；

其中：1、机床主体，2、二维超声振动抛光工具，3、工件夹具，4、机床x轴，5、机床y轴，6、机床z轴，201、x向超声振子,202、振子固定法兰座，203、振子固定法兰盖，204、工具系统支承座,205、双头螺柱，206、铰链接头，207、y向超声振子,208、工具杆，209、工具抱紧螺钉，210、加强筋，211、振子联接法兰，212、抛光头，2061、双头螺柱连接孔，2062、柔性铰链，2063、工具杆安装孔，2064、工具杆夹紧孔。

具体实施方式

二维超声振动抛光工具2通过螺钉紧固到机床z轴6上，工件夹具3通过螺钉固定到机床x轴4上，机床x轴、机床y轴5、机床z轴6与机床主体1通过调试后固定连接；

本发明所述二维超声振动抛光工具2的结构是：由201、x向超声振子,202、振子固定法兰座，203、振子固定法兰盖，204、工具系统支承座,205、双头螺柱，206、铰链接头，207、y向超声振子,208、工具杆，209、工具抱紧螺钉，210、加强筋，212、抛光头组成，两个振子固定法兰座202与振子固定法兰盖203分别与x向超声振子201和y向超声振子207通过螺纹连接，两个振子固定法兰座202垂直布置在工具系统支承座204上且通过螺钉连接，从而将x向超声振子201和y向超声振子207垂直定位在同一平面内，x向超声振子和y向超声振子分别通过双头螺柱205连接到铰链接头206上，工具杆208与抛光头212粘接后安装在铰链接头206的定位孔上，并通过工具抱紧螺钉209夹紧。

所述x向超声振子201和y向超声振子结构相同，均为阶梯型，振子联接法兰211分别在x向超声振子和y向超声振子的振动节点位置，且两法兰直径和厚度相同，装配时法兰盖从里侧向外压紧。

所述工具系统支承座204通过螺纹固定有加强筋210。

所述双头螺柱205两端均为右螺旋螺纹，使连接更稳定。

所述铰链接头206由两个垂直并联的柔性铰链2062、两个双头螺柱连接孔2061、工具杆安装孔2063、工具杆夹紧孔2064组成，计算声波在铰链接头206的传播波长，即可确定铰链接头外形尺寸，理论计算及仿真可优化柔性铰链2062尺寸，工具杆夹紧孔用以工具抱紧螺钉209的螺纹联接。

一种二维超声振动抛光方法，包括下列步骤：

一、将工件固定在工件夹具3上，工件夹具随着机床x轴4和机床y轴5运动，二维超声振动抛光工具2提供抛光头212的抛光主运动，通过机床z轴6进给，抛光头212与工件接触，抛光头与工件的相对运动对工件表面进行确定性去除抛光；

二、智能数控超声发生器激励x向超声振子和y向超声振子同一平面内相互垂直的纵向振动，发生器为双路输出，发出超声信号频率为f₁、f₂，也分别为抛光头x向和y向振动频率，相位差为θ；x向超声振子和y向超声振子分别在x向和y向的纵向振动在工具杆处耦合二维振动，形成抛光头在抛光加工切平面内瞬时随机运动轨迹，运动公式为：

x＝asin(2πf₁t)；y＝bsin(2πf₂t+θ)；

其中x为抛光头x方向位移函数，y为抛光头y向位移函数，a、b为实验标定所得抛光头x向、y向振幅，t为时间变量，π为圆周率常数；

三、当抛光头在x向、y向具有同一振幅和频率、相位差为π/2时，抛光头的运动速度公式如下：

x＝asin(2πft)，y＝acos(2πft)，v_x＝2πfacos(2πft)，v_y＝-2πfasin(2πft)，

|v|＝2πfa，

其中，a为抛光头x向和y向振幅，f为抛光头振动频率，t为时间变量，x，y为抛光头x、y向位移，v_x、v_y为对应速度，|v|为抛光头合速度，据公式可看出，在振动频率和振幅固定时，抛光头瞬时运动轨迹为以振幅为半径的圆，如图7所示，为整个抛光头端面上所有点的瞬时运动轨迹，对材料进行去除时，抛光头端面各点瞬时圆轨迹运动，使得去除表面面型各向异性，面型均匀稳定；此时抛光头线速度大小为与时间无关的常数，则单位时间d_t抛光去除深度Δδ为：

Δδ＝kpvd_t，其中k为Preston系数，需通过实验标定，v为抛光头与工件相对速度，p为抛光正压力，t为抛光时间，因f单位为kHz，故振动合成抛光头线速度远远大于通过机床运动所致线速度，则v为抛光头振动合成线速度值|v|，则Δδ＝kpvd_t＝kp|v|d_t＝2kpπfad_t，去除深度δ为：δ＝Δδgt＝2kpπfat，

据上式知，去除深度的数量级明显增大很多，去除效率大大增高；对一维振动抛光，振动线速度为关于时间变量的正(余)弦函数，而本发明所述二维超声振动抛光，振动线速度时刻保持在峰值，保证最大量去除，多方面使得去除效率大大提高。

四、上述参数适用于粗抛及半精抛阶段，对于精抛而言，要尽可能获得微小局部平整，就要使得去除点局部面型各向异性，则需要调整参数，通过仿真可知，当抛光头振动频率比为0.909，振幅相同，相位差为π/2时，即：

f₁/f₂＝0.909,a＝b,θ＝π/2，

在接触区域抛光头的瞬时轨迹随机，使得待去除表面各向异性更突出，去除表面形貌更均匀，表面质量会更好。

Claims (6)

1.一种二维超声振动抛光加工装置，工件夹具通过螺钉固定到机床x轴上，机床x轴、机床y轴、机床z轴与机床主体通过调试后固定连接，其特征在于：二维超声振动抛光工具通过螺钉紧固到机床z轴上；所述二维超声振动抛光工具的结构是：两个振子固定法兰座与振子固定法兰盖分别与x向超声振子和y向超声振子通过螺纹连接，两个振子固定法兰座垂直布置在工具系统支承座上且通过螺钉连接，从而将x向超声振子和y向超声振子垂直定位在同一平面内，x向超声振子和y向超声振子分别通过双头螺柱连接到铰链接头上，工具杆与抛光头粘接后安装在铰链接头的定位孔上，并通过工具抱紧螺钉夹紧。

2.根据权利要求1所述的一种二维超声振动抛光加工装置，其特征在于：所述x向超声振子和y向超声振子结构相同，均为阶梯型，振子联接法兰分别在x向超声振子和y向超声振子的振动节点位置，且两法兰直径和厚度相同，装配时法兰盖从里侧向外压紧。

3.根据权利要求1所述的一种二维超声振动抛光加工装置，其特征在于：所述工具系统支承座通过螺纹固定有加强筋。

4.根据权利要求1所述的一种二维超声振动抛光加工装置，其特征在于：所述双头螺柱两端均为右螺旋螺纹。

5.根据权利要求1所述的一种二维超声振动抛光加工装置，其特征在于：所述铰链接头由两个垂直并联的柔性铰链、两个双头螺柱连接孔、工具杆安装孔、工具杆夹紧孔组成。

6.一种二维超声振动抛光方法，其特征在于包括下列步骤：

一、将工件固定在工件夹具上，工件夹具随着机床x轴和机床y轴运动，二维超声振动抛光工具提供抛光头的抛光主运动，通过机床z轴进给，抛光头与工件接触；

二、智能数控超声发生器激励x向超声振子和y向超声振子同一平面内相互垂直的纵向振动，发生器为双路输出，发出超声信号频率为f₁、f₂，也分别为抛光头x向和y向振动频率，相位差为θ；x向超声振子和y向超声振子分别在x向和y向的纵向振动在工具杆处耦合二维振动，形成抛光头在抛光加工切平面内瞬时随机运动轨迹，运动公式为：

x＝asin(2πf₁t)

y＝bsin(2πf₂t+θ)

其中x为抛光头x方向位移函数，y为抛光头y向位移函数，a、b为实验标定所得抛光头x向、y向振幅，t为时间变量，π为圆周率常数；

三、当抛光头在x向、y向具有同一振幅和频率、相位差为π/2时，抛光头的运动速度公式如下：

x＝asin(2πft)，y＝acos(2πft)，v_x＝2πfacos(2πft)，v_y＝-2πfasin(2πft)，

|v|＝2πfa，

其中，a为抛光头x向和y向振幅，f为抛光头振动频率，t为时间变量，x，y为抛光头x、y向位移，v_x、v_y为对应速度，|v|为抛光头合速度，此时抛光头线速度大小为与时间无关的常数，则单位时间d_t抛光去除深度Δδ为：

Δδ＝kpvd_t，其中k为Preston系数，v为抛光头与工件相对速度，p为抛光正压力，t为抛光时间，因f单位为kHz，故振动合成抛光头线速度远远大于通过机床运动所致线速度，则v为抛光头振动合成线速度值|v|，则Δδ＝kpvd_t＝kp|v|d_t＝2kpπfad_t，去除深度δ为：δ＝Δδgt＝2kpπfat，

四、精抛：当抛光头振动频率比为0.909，振幅相同，相位差为π/2时，即：f₁/f₂＝0.909,a＝b,θ＝π/2。