CN106695464B - 一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硬脆材料的加工装置，尤指一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统，主要由超声波发生装置、纵扭复合振动装置、硬脆工件和加工测试装置组成，超声波发生装置主要包括超声波发生器、纵向振动超声换能器和超声波无线传输控制系统，纵扭复合振动装置与超声波发生装置驱动连接，主要包括锁紧结构、前端盖、后端盖、压电陶瓷片、扭矩执行机构、纵扭复合转换结构、中空刀具和冷却系统；本发明通过纵扭复合振动加工的方法对材料进行加工可提高硬脆材料的加工质量，采用的超声波发生装置配合纵扭复合振动装置可提供足够的抗拉强度以及合理的共振频率，使硬脆材料在加工中材料得到保护，并且在完成加工后得到高精度的表面质量要求。

Description

一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统

技术领域

本发明涉及一种硬脆材料的加工装置，尤指一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统。

背景技术

对于工业生产与材料研究领域，硬脆材料的加工是一个常见但要求较高的加工工序，为提高硬脆材料的加工质量，纵扭复合超声加工技术在硬脆性材料的加工中受到越来越多的重视，传统的纵扭复合振动获得振动模式的方法包括：纵、扭转换更替振动模式，或利用切向极化的压电陶瓷元件实现振动转换，但是，不同的振动模式所产生的共振频率不同，导致超声电源的激励也就不同，因此无法控制频率以及无法控制加工进度；为克服此类问题，可采用纵扭共振的复合加工系统，但现常用的纵扭共振的传递端多为螺旋口传振杆或斜槽传振杆设计，该设计实现了纵扭共振、振幅比合理的加工方式，但该设计所产生的扭矩力不足以应用于超高频的硬脆材料加工工作中，当纵扭复合振动频率增高时，其预紧力也相应需要提高，若扭矩力不合理的情况下则无法整体协调加工，对于硬脆材料的加工质量也从而得不到报障。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在公开一种硬脆材料的加工装置，尤指一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统，其特征在于，所述的振动加工系统主要由超声波发生装置、纵扭复合振动装置、硬脆工件和加工测试装置组成，所述的超声波发生装置主要包括超声波发生器、纵向振动超声换能器和超声波无线传输控制系统，通过相互间电信号逻辑连接形成超声波能量输出及能量转换输出系统；所述的纵扭复合振动装置与超声波发生装置驱动连接，主要包括锁紧结构、前端盖、后端盖、压电陶瓷片、扭矩执行机构、纵扭复合转换结构、中空刀具和冷却系统，其中的前端盖、压电陶瓷片、后端盖、扭矩执行机构、纵扭复合转换结构依次同轴连接为一体并通过锁紧结构在轴两端进行压紧锁定以组装形成轴向能量传递结构，中空刀具安装在轴向能量传递结构的末端，冷却系统安装在轴向能量传递结构的中心轴处；所述的加工测试装置包括加工过程中的硬脆工件加工应力检测、超声波发生装置中部件电路检测和纵扭复合振动装置中部件负载检测。

所述的锁紧结构由预紧螺栓和固压螺帽组成，预紧螺栓与前端盖、压电陶瓷片、后端盖轴套预紧组装，固压螺帽与纵扭复合转换结构轴套压紧连接，同时后端盖、扭矩执行机构、纵扭复合转换结构三者通过压应力轴套紧密连接。

所述的压电陶瓷片个数至少为四个，厚度为4.6-5.6mm。

所述的纵扭复合转换结构外部主体为筒状结构，其外侧表面开设有纵扭转换槽口，并设置为矩阵式排列的槽口阵列，同时各槽口为不规则倾斜程度的四方体通槽状；纵扭复合转换结构内部为轴套定位结构。

所述的冷却系统主要包括冷却水入口、冷却水出口、冷却水源和中空出水连接管组成，其中冷却水入口设置在预紧螺栓一端的中轴处，冷却水出口设置在固压螺帽一端的中轴处，中部通过中空出水连接管连接冷却水出、入口。

所述的中空刀具与纵扭复合转换结构传动连接，中空刀具为麻花钻，长度为26-29mm，中空刀具的中部通过固压螺帽夹紧固定。

所述的扭矩执行机构活动式连接在后端盖末端，主要由旋转驱动装置与旋转体组成，通过旋转驱动装置驱动旋转体旋转以提供轴向转动的曲轴扭矩。

使用一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统进行钻孔的钻孔方法，其特征在于：所述的钻孔方法包括以下步骤：

1）对硬脆材料进行加工应力的测试，确定硬脆材料的加工能力范围；

2）选定中空刀具为长度27mm的钻孔刀具；

3）选定抗拉强度极限为1200MPa，屈服强度极限为1080MPa性能级别的预紧螺栓；

4）通过加工测试装置对超声波发生装置中部件电路、纵扭复合振动装置中部件负载以及扭矩执行机构转速进行实时监控检测，以实时监测系统运作；

5）设计纵扭复合转换结构的槽口阵列中槽口数目为18个，在外侧表面布局呈3行6列，并控制钻孔加工过程中的纵扭复合振动装置的纵扭共振频率为32.34KHz-36.84KHz之间，然后以输出的纵扭振幅比作为共振检验结果，纵扭振幅比在0.6-0.64之间为佳；

6）控制扭矩执行机构在钻孔加工过程中做旋转运动，以在共振过程中产生切向力；

7）钻孔过程中，超声波发生器与纵向振动超声换能器输出超声波并传递驱动纵扭复合振动装置以形成纵扭复合共振钻孔，在控制范围的共振频率与纵扭复合转换结构的作用下，使共振钻孔过程中保持钻孔的稳定性，并且保护振动加工系统的整体结构以及保证硬脆工件的表面加工质量。

使用一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统进行磨削的磨削方法，其特征在于：所述的磨削方法包括以下步骤：

1）结合硬脆材料硬度及超声波频率加工强度对硬脆材料进行加工应力的测试，确定硬脆材料的加工应力范围；

2）选定长度为26mm的锥形磨削刀具；

3）选定抗拉强度极限为1200MPa，屈服强度极限为1080MPa性能级别的预紧螺栓；

4）通过加工测试装置对超声波发生装置中部件电路、纵扭复合振动装置中部件负载以及扭矩执行机构转速进行实时监控检测，以实时监测系统运作；

5）设计纵扭复合转换结构的槽口阵列中槽口数目为15个，在外侧表面布局呈3行5列，并控制磨削加工过程中的纵扭复合振动装置的纵扭共振频率为34.62KHz，然后以输出的纵扭振幅比作为共振检验结果，纵扭振幅比在0.6-0.64之间为佳；

6）控制扭矩执行机构在磨削加工过程中做旋转运动，以在共振过程中产生切向力；

7）磨削过程中，超声波发生器与纵向振动超声换能器输出超声波并传递驱动纵扭复合振动装置以形成纵扭复合共振加工，在控制范围的共振频率与纵扭复合转换结构的作用下，使共振加工过程中保持磨削的稳定性，并且保护振动加工系统的整体结构以及保证硬脆工件的表面加工质量。

本发明的有益效果体现在：本发明通过超声波以纵扭复合振动加工的方法对材料进行加工可提高硬脆材料的加工质量，所采用的纵扭复合振动装置结构设计符合加工条件需求，采用的超声波发生装置配合纵扭复合振动装置可提供足够的抗拉强度以及合理的共振频率，使得硬脆材料在加工过程中材料质量得到保护，并且在完成加工后得到高精度的表面质量要求，并且相较于传统共振模式而言更易于实现、亦更易于克服阻力、扭矩力过低等问题，也避免了加工变形等情况出现。

附图说明

图1是本发明的纵扭复合振动装置的结构示意简图。

图2是本发明的纵扭复合振动装置的截面剖视图。

附图标注说明：1-锁紧结构，2-前端盖，3-后端盖，4-压电陶瓷片，5-扭矩执行机构，6-纵扭复合转换结构，7-中空刀具，8-冷却系统，11-预紧螺栓，12-固压螺帽，61-槽口阵列，81-冷却水入口，82-冷却水出口，83-中空出水连接管。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式：

一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统，所述的振动加工系统主要由超声波发生装置、纵扭复合振动装置、硬脆工件和加工测试装置组成，所述的超声波发生装置主要包括超声波发生器、纵向振动超声换能器和超声波无线传输控制系统，通过相互间电信号逻辑连接形成超声波能量输出及能量转换输出系统；

所述的纵扭复合振动装置与超声波发生装置驱动连接，主要包括锁紧结构1、前端盖2、后端盖3、压电陶瓷片4、扭矩执行机构5、纵扭复合转换结构6、中空刀具7和冷却系统8，其中的前端盖2、压电陶瓷片4、后端盖3、扭矩执行机构5、纵扭复合转换结构6依次同轴连接为一体并通过锁紧结构1在轴两端进行压紧锁定以组装形成轴向能量传递结构，中空刀具7安装在轴向能量传递结构的末端，冷却系统8安装在轴向能量传递结构的中心轴处；所述的锁紧结构1由预紧螺栓11和固压螺帽12组成，预紧螺栓11与前端盖2、压电陶瓷片4、后端盖3轴套预紧组装，固压螺帽12与纵扭复合转换结构6轴套压紧连接，同时后端盖3、扭矩执行机构5、纵扭复合转换结构6三者通过压应力轴套紧密连接，从而连接为整体的轴向能量传递结构；所述的压电陶瓷片4个数至少为四个，厚度为4.6-5.6mm，压电陶瓷片4的形状为圆环片状，内外径分别为10mm和25mm，相互同轴连接，对超声波能量进行传感作用；所述的扭矩执行机构5活动式连接在后端盖3末端，主要由旋转驱动装置与旋转体组成，通过旋转驱动装置驱动旋转体旋转以提供轴向转动的曲轴扭矩；所述的纵扭复合转换结构6外部主体为筒状结构，其外侧表面开设有纵扭转换槽口，并设置为矩阵式排列的槽口阵列61，同时各槽口为不规则倾斜程度的四方体通槽状；纵扭复合转换结构6内部为轴套定位结构；一般情况下，采用斜槽式槽口在振动传递过程中容易增加负荷使整体结构产生变形，影响加工质量，而采用规则的槽口阵列61时，由于纵扭振动所产生的扭矩力对规则结构作用时也会产生变形，因此也会影响工件的加工质量，所以本实施例采用矩阵式排列的槽口阵列61，扭矩力方向分散，从而整体结构稳定，不易产生变形，保证了工件加工质量；所述的中空刀具7与纵扭复合转换结构6传动连接，中空刀具7为麻花钻，长度为26-29mm，中空刀具7的中部通过固压螺帽12夹紧固定；所述的冷却系统8主要包括冷却水入口81、冷却水出口82、冷却水源和中空出水连接管83组成，其中冷却水入口81设置在预紧螺栓11一端的中轴处，冷却水出口82设置在固压螺帽12一端的中轴处，中部通过中空出水连接管83连接冷却水出、入口；

所述的加工测试装置包括加工过程中的硬脆工件加工应力检测、超声波发生装置中部件电路检测和纵扭复合振动装置中部件负载检测。

使用一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统进行钻孔的钻孔方法，其特征在于：所述的钻孔方法包括以下步骤：

1）对硬脆材料进行加工应力的测试，确定硬脆材料的加工能力范围；

2）选定中空刀具7为长度27mm的钻孔刀具；

3）选定抗拉强度极限为1200MPa，屈服强度极限为1080MPa性能级别的预紧螺栓11；

4）通过加工测试装置对超声波发生装置中部件电路、纵扭复合振动装置中部件负载以及扭矩执行机构5转速进行实时监控检测，以实时监测系统运作；

5）设计纵扭复合转换结构6的槽口阵列61中槽口数目为18个，在外侧表面布局呈3行6列，并控制钻孔加工过程中的纵扭复合振动装置的纵扭共振频率为32.34KHz-36.84KHz之间，然后以输出的纵扭振幅比作为共振检验结果，纵扭振幅比在0.6-0.64之间为佳；

6）控制扭矩执行机构5在钻孔加工过程中做旋转运动，以在共振过程中产生切向力；

7）钻孔过程中，超声波发生器与纵向振动超声换能器输出超声波并传递驱动纵扭复合振动装置以形成纵扭复合共振钻孔，在控制范围的共振频率与纵扭复合转换结构6的作用下，使共振钻孔过程中保持钻孔的稳定性，并且保护振动加工系统的整体结构以及保证硬脆工件的表面加工质量。

使用一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统进行磨削的磨削方法，其特征在于：所述的磨削方法包括以下步骤：

1）结合硬脆材料硬度及超声波频率加工强度对硬脆材料进行加工应力的测试，确定硬脆材料的加工应力范围；

2）选定长度为26mm的锥形磨削刀具；

3）选定抗拉强度极限为1200MPa，屈服强度极限为1080MPa性能级别的预紧螺栓11；

4）通过加工测试装置对超声波发生装置中部件电路、纵扭复合振动装置中部件负载以及扭矩执行机构5转速进行实时监控检测，以实时监测系统运作；

5）设计纵扭复合转换结构6的槽口阵列61中槽口数目为15个，在外侧表面布局呈3行5列，并控制磨削加工过程中的纵扭复合振动装置的纵扭共振频率为34.62KHz，然后以输出的纵扭振幅比作为共振检验结果，纵扭振幅比在0.6-0.64之间为佳；

6）控制扭矩执行机构5在磨削加工过程中做旋转运动，以在共振过程中产生切向力；

7）磨削过程中，超声波发生器与纵向振动超声换能器输出超声波并传递驱动纵扭复合振动装置以形成纵扭复合共振加工，在控制范围的共振频率与纵扭复合转换结构6的作用下，使共振加工过程中保持磨削的稳定性，并且保护振动加工系统的整体结构以及保证硬脆工件的表面加工质量。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明的技术范围作任何限制，本行业的技术人员，在本技术方案的启迪下，可以做出一些变形与修改，凡是依据本发明的技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统，其特征在于，所述的振动加工系统主要由超声波发生装置、纵扭复合振动装置、硬脆工件和加工测试装置组成，所述的超声波发生装置主要包括超声波发生器、纵向振动超声换能器和超声波无线传输控制系统，通过相互间电信号逻辑连接形成超声波能量输出及能量转换输出系统；所述的纵扭复合振动装置与超声波发生装置驱动连接，主要包括锁紧结构、前端盖、后端盖、压电陶瓷片、扭矩执行机构、纵扭复合转换结构、中空刀具和冷却系统，其中的前端盖、压电陶瓷片、后端盖、扭矩执行机构、纵扭复合转换结构依次同轴连接为一体并通过锁紧结构在轴两端进行压紧锁定以组装形成轴向能量传递结构，中空刀具安装在轴向能量传递结构的末端，冷却系统安装在轴向能量传递结构的中心轴处；所述的加工测试装置包括加工过程中的硬脆工件加工应力检测、超声波发生装置中部件电路检测和纵扭复合振动装置中部件负载检测。

2.根据权利要求1所述的一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统，其特征在于，所述的锁紧结构由预紧螺栓和固压螺帽组成，预紧螺栓与前端盖、压电陶瓷片、后端盖轴套预紧组装，固压螺帽与纵扭复合转换结构轴套压紧连接，同时后端盖、扭矩执行机构、纵扭复合转换结构三者通过压应力轴套紧密连接。

3.根据权利要求1所述的一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统，其特征在于，所述的压电陶瓷片个数至少为四个，厚度为4.6-5.6mm。

4.根据权利要求1所述的一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统，其特征在于，所述的纵扭复合转换结构外部主体为筒状结构，其外侧表面开设有纵扭转换槽口，并设置为矩阵式排列的槽口阵列，同时各槽口为不规则倾斜程度的四方体通槽状；纵扭复合转换结构内部为轴套定位结构。

5.根据权利要求2所述的一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统，其特征在于，所述的冷却系统主要包括冷却水入口、冷却水出口、冷却水源和中空出水连接管组成，其中冷却水入口设置在预紧螺栓一端的中轴处，冷却水出口设置在固压螺帽一端的中轴处，中部通过中空出水连接管连接冷却水出、入口。

6.根据权利要求1或2所述的一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统，其特征在于，所述的中空刀具与纵扭复合转换结构传动连接，中空刀具为麻花钻，长度为26-29mm，中空刀具的中部通过固压螺帽夹紧固定。

7.根据权利要求1所述的一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统，其特征在于，所述的扭矩执行机构活动式连接在后端盖末端，主要由旋转驱动装置与旋转体组成，通过旋转驱动装置驱动旋转体旋转以提供轴向转动的曲轴扭矩。

8.使用权利要求1所述的一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统进行钻孔的钻孔方法，其特征在于：所述的钻孔方法包括以下步骤：

1）对硬脆材料进行加工应力的测试，确定硬脆材料的加工能力范围；

2）选定中空刀具为长度27mm的钻孔刀具；

3）选定抗拉强度极限为1200MPa，屈服强度极限为1080MPa性能级别的预紧螺栓；

4）通过加工测试装置对超声波发生装置中部件电路、纵扭复合振动装置中部件负载以及扭矩执行机构转速进行实时监控检测，以实时监测系统运作；

5）设计纵扭复合转换结构的槽口阵列中槽口数目为18个，在外侧表面布局呈3行6列，并控制钻孔加工过程中的纵扭复合振动装置的纵扭共振频率为32.34KHz-36.84KHz之间，然后以输出的纵扭振幅比作为共振检验结果，纵扭振幅比在0.6-0.64之间为佳；

6）控制扭矩执行机构在钻孔加工过程中做旋转运动，以在共振过程中产生切向力；

7）钻孔过程中，超声波发生器与纵向振动超声换能器输出超声波并传递驱动纵扭复合振动装置以形成纵扭复合共振钻孔，在控制范围的共振频率与纵扭复合转换结构的作用下，使共振钻孔过程中保持钻孔的稳定性，并且保护振动加工系统的整体结构以及保证硬脆工件的表面加工质量。

9.使用权利要求1所述的一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统进行磨削的磨削方法，其特征在于：所述的磨削方法包括以下步骤：

1）结合硬脆材料硬度及超声波频率加工强度对硬脆材料进行加工应力的测试，确定硬脆材料的加工应力范围；

2）选定长度为26mm的锥形磨削刀具；

3）选定抗拉强度极限为1200MPa，屈服强度极限为1080MPa性能级别的预紧螺栓；

4）通过加工测试装置对超声波发生装置中部件电路、纵扭复合振动装置中部件负载以及扭矩执行机构转速进行实时监控检测，以实时监测系统运作；

5）设计纵扭复合转换结构的槽口阵列中槽口数目为15个，在外侧表面布局呈3行5列，并控制磨削加工过程中的纵扭复合振动装置的纵扭共振频率为34.62KHz，然后以输出的纵扭振幅比作为共振检验结果，纵扭振幅比在0.6-0.64之间为佳；

6）控制扭矩执行机构在磨削加工过程中做旋转运动，以在共振过程中产生切向力；

7）磨削过程中，超声波发生器与纵向振动超声换能器输出超声波并传递驱动纵扭复合振动装置以形成纵扭复合共振加工，在控制范围的共振频率与纵扭复合转换结构的作用下，使共振加工过程中保持磨削的稳定性，并且保护振动加工系统的整体结构以及保证硬脆工件的表面加工质量。