CN107378655A - 多维旋转超声展成加工机构及其加工方法 - Google Patents

Abstract

多维旋转超声展成加工机构及其加工方法，采用轴向旋转超声与双径向超声耦合作用，激励进行零件空间型面展成加工。多维超声振动及轴向旋转运动可显著增强超声冲击、抛磨、空化等效应，加速硬脆材料超声去除效率、磨料工作液的循环更新及加工产物的及时排除；通过在线检测超声振动参数、工具与工件间的间隙、温度等参数，利用计算机运算处理及控制，对多维超声振动振幅、加工间隙等关键参数进行实时调节、控制多轴联动进给量，保持展成进给加工中超声系统合理振幅及加工间隙。可显著提高硬脆性材料的加工效率，改善加工精度。本发明机构新颖独特，可有效实现多维旋转超声振动及多轴联动进给运动，本加工方法是以柔克刚、展成运动柔性加工成形，具有多维超声加工及多轴联动数控技术优势，能有效解决各种硬脆材料异形曲面零部件的加工难题。

Description

多维旋转超声展成加工机构及其加工方法

技术领域

本发明属于复合精密、微细特种加工技术领域，特别涉及一种旋转超声展成加工、多维超声加工及硬脆性材料空间曲面加工技术，具体是一种多维旋转超声展成加工机构及其加工方法。

背景技术

目前，硬脆性材料零件在机械制造领域内应用越来越广泛，但传统机械加工方法难以实现高精、高效加工，特别是硬脆性材料的空间异形曲面的加工更加困难，所以实现这类难加工材料、复杂型面零件高精、高效、低成本加工已成为当前制造业面临的重要研究课题。

超声加工是通过悬浮磨粒的锤击、蚀除和磨料悬浮液的空化作用来进行工件型面加工的，常应用于硬脆性材料的加工，具有加工效率高、表面质量好的技术优点。但传统一维超声加工，其超声振动仅沿加工深度方向，只适合拷贝式成形加工，复杂型面的超声加工工具制造困难，且工具头磨损较快，影响加工精度和效率。

超声工具在轴向超声振动的同时附加旋转运动，可有效增强加工区域的超声作用（锤击、空化等）效果，减小超声工具的损耗；设计研制X、Y径向超声振动系统，通过X、Y超声振动耦合作用，使工件在超声工具径向产生辅助二维超声振动，共产生三维旋转加工效果；计算机数字控制系统使超声工具相对工件实现三维超声加工，这种方法利用简单工具可实现复杂型面的展成加工，同时利用控制系统对在线加工参数的测量与控制，保持加工过程稳定优化，实现硬脆性材料异形曲面高精、高效、低成本加工。

本技术方法还可利用附加超声振动的金刚石刀具（或铣刀工具）作为超声工具，在加工区注入冷却液，对工件进行超声辅助多轴联动展成加工。

发明内容

本发明针对单一超声加工技术存在的局限性，提出一种多维旋转超声展成加工机构及其加工方法，由轴向旋转超声与双径向超声耦合作用，激励、辅助数控多轴联动展成加工，通过在线参数实时检测、优化，实现三维旋转超声辅助展成加工，可进行各种硬脆性材料、异形面的柔性、高精加工。

本发明的技术方案是:多维旋转超声展成加工机构，其特征是，包括机构底座，机构底座上设有Y向进给机构，Y向进给机构上设有X向进给机构，X向进给机构上设有Z向进给机构，Z向进给机构的上方设有绕Z轴旋转的旋转进给机构C，旋转进给机构C的上方固定设有圆形底板，圆形底板上设有球形关节、X径向超声振动装置、Y径向超声振动装置、绕Y轴旋转的旋转进给机构B；

所述球形关节位于圆形底板中部，球形关节顶部设有工作台底座；X、Y径向超声振动装置分别横向、纵向设置在圆形底板上，且两装置夹角为90°，旋转进给机构B位于其中一个径向超声振动装置的一侧，并通过转轴与工作台底座相连；所述工作台底座上方连接有工作台，工作台中心放置待加工的工件，工作台上方设有轴向旋转超声振动装置，轴向旋转超声振动装置下端连接工具头。

进一步地，所述机构一侧还设有控制装置，包括提供超声振动的超声电源、用于接收信号及控制机构运作的数字存储示波器、控制计算机、超声波发生器和检测工件移动位置的激光微位移传感器，激光微位移传感器分别与工具头、工件相连，用于检测超声振动参数、工具与工件间的间隙、温度参数。

进一步地，X向进给机构、Y向进给机构、Z向进给机构、旋转进给机构B、旋转进给机构C构成的多轴传动机构还与激光微位移传感器连接，用于监测工件空间转动的实时位置，合理控制工件的进给方向和进给速度；在加工时多轴联动进给可不同时使用，例如五轴联动进给可实现任意直纹曲面的加工，X、Y、Z与C（或B）向四轴联动进给可实现平行直纹面的加工，二轴（或三轴）联动进给可实现柱形面的加工，单轴进给可实现拷贝式型面加工或孔加工。

进一步地，所述超声波发生器为频率自动跟踪式发生器。

进一步地，所述圆形底板顶部两侧分别设有安装耳，两安装耳对应位置分别设有开口向下的圆弧槽，所述转轴中部连接工作台底座，两端分别置于相应的圆弧槽内，且其中一端与旋转进给机构B相连（转轴在旋转进给机构B的带动下，顺着圆弧槽运动，即圆弧槽为转轴的运动轨迹）。

本发明的加工机构能实现工具与工件间三维旋转超声振动，辅助、激励实现多轴联动展成加工，满足难加工材料、异形面的加工要求，多轴联动展成进给成形方法，简化了工具制作工艺，提高了加工过程的柔性；加工机理是超声辅助与多轴联动进给机构的复合，加工难度与材料硬度无直接关系，具有以柔克刚，特别适用于硬脆性金属材料加工的特点。

本技术方法不仅可采用带有超声振动的悬浮磨料对工件进行冲击、抛磨、空化等实现硬脆材料复杂曲面的柔性加工；另一方面本发明方法还可选用附加多维旋转超声振动的金刚石刀具（或铣刀工具）作为超声工具，在加工区注入冷却液，对工件进行超声辅助多轴联动展成加工。

多维旋转超声展成加工机构的加工方法，其特征是，首先将工件置于工作台上，启动超声电源，利用控制计算机、激光微位移传感器控制多轴传动机构（X向进给机构、Y向进给机构、Z向进给机构、旋转进给机构B、旋转进给机构C构成多轴传动机构）进行调节；启动轴向旋转超声振动装置、超声波发生器，同时注入超声磨料，在加工过程中根据计算机中的参数显示，来控制传动机构的进给，改变工件的空间位置。

在加工过程中，控制计算机根据激光微位移传感器的参数可测出工件与工具头、X或Y径向超声振动工具头之间的间隙和温度参数，反馈到计算机控制系统中，实时进行振动幅值调节，循环往复加工至加工要求的型面精度。

本发明在空间具有三个方向的超声振动，分别为轴向的旋转超声振动，双径向超声振动，其中轴向的旋转超声振动通过工具头传导进行加工，双径向的超声振动，通过球形关节传导超声振动到工件；工件与工具的距离可通过多轴联动机构来实现。这些进给机构中都设有伺服电机、伺服驱动器与滚珠丝杠导轨，可实现联动微细进给。在加工过程中，工件置于工作台的上方，Z向旋转超声振动装置置于工件的上方。

在超声磨粒加工时，既可选用粒度W10的碳化硼（B₄C）磨料悬浮液，又可以选用金刚石刀具（或铣刀工具）作为超声工具，在加工区注入冷却液，对工件进行超声辅助多轴联动展成加工。轴向旋转超声振动有利于工作液循环更新、加工产物排除，并对加工面有抛光整形作用。双径向超声振动装置通过耦合调制，可得到随动的、跟随展成加工面法向变化的二维超声振动，并形成工具与工件间的加工侧面间隙。

计算机通过实时控制各伺服驱动器，驱动各伺服电机，实现工作台的空间转动；把激光微位移传感器与工具头和工件相连，可实时监测反馈超声振动参数、加工工件与工具间的间隙和温度等参数，控制工件精确的定位进给移动，实现空间曲面的展成式加工。

本发明采用轴向旋转超声与双径向超声耦合作用，激励进行零件空间型面展成加工。多维超声振动及轴向旋转运动可显著增强超声冲击、抛磨、空化等效应，加速硬脆材料超声去除效率、磨料工作液的循环更新及加工产物的及时排除；通过在线检测超声振动参数、工具与工件间的间隙、温度等参数，利用计算机运算处理及控制，对多维超声振动振幅、加工间隙等关键参数进行实时调节、控制多轴联动进给量，保持展成进给加工中超声系统合理振幅及加工间隙。可显著提高硬脆性材料的加工效率，改善加工精度。本发明机构新颖独特，可有效实现多维旋转超声振动及多轴联动进给运动，本加工方法是以柔克刚、展成运动柔性加工成形，具有多维超声加工及多轴联动数控技术优势，能有效解决各种硬脆材料异形曲面零部件的加工难题。

本发明的有益效果为:本发明提供了多维旋转超声展成加工方法，结构新颖，多维旋转超声振动装置使工件辅助以超声振动，有助于展成加工，提高加工效率。工具头、工件和进给机构的伺服驱动器与激光微位移传感器、计算机相连，实时检测及控制工件的空间位置，带动工作台实现空间多轴联动进给，解决了超声加工在加工空间曲面难的缺陷，提高了工件的加工效率与精度。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明球形关节、两个径向超声振动装置、旋转进给机构B之间的连接关系示意图；

图中：1超声电源、2控制计算机、3数字存储示波器、4超声波发生器、5激光微位移传感器、6轴向旋转超声振动装置、7工具头、8工件、9工作台、10 X或Y径向超声振动装置、11工作台底座、12球形关节、13圆形底板、14旋转进给机构B、15旋转进给机构C、16 Z向进给机构、17 X向进给机构、18 Y向进给机构、19机构底座、20转轴、21安装耳、22圆弧槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-2所示，多维旋转超声展成加工机构，Y向进给机构18设在底座19上，X向进给机构17设在Y向进给机构的上方，Z向进给机构16设在X向进给机构的上方，旋转进给机构C 15设置于Z向进给机构16的上方，旋转进给机构C 15的上方设有圆形底板13，球形结构12、两个径向超声振动装置10和旋转进给机构B 14设在圆形底板13上，旋转进给机构B 14位于其中一个径向超声振动装置的一侧，工作台底座11位于球形关节12的上方，工作台底座的上方连接于工作台9，加工工件8置于工作台的中心，最上端的轴向旋转超声振动装置6下端连接工具头7。双（X或Y）径向超声振动装置10的两个装置相同，分别为横向、纵向且装置夹角为90⁰。

在机构一侧还设有控制装置，该装置由提供超声振动的超声电源1、用于接收信号及控制机构运作的数字存储示波器3、控制计算机2，超声波发生器4（频率自动跟踪式发生器）和检测工件移动位置的激光微位移传感器5，激光微位移传感器5与工具头7和工件8相连用于检测超声振动参数、工具7和工件8间的压力与温度等参数；激光微位移传感器5还与多轴联动机构连接，用于监测工件8空间转动的实时位置，合理控制工件的进给方向和进给速度。

在本技术的磨粒加工中，其中工作液需采用粒度W10的碳化硼（B₄C）磨料悬浮液；若选用伴有超声振动的金刚石刀具（或铣刀工具）作为超声工具，在加工区注入冷却液，对工件进行超声辅助多轴联动展成加工。则可以减小切削力，改善加工精度和加工质量，减小刀具磨损，也可以实现超声辅助磨削、铣削精微加工。

实际加工过程中，轴向旋转超声装置8可选购标准旋转超声振动装置进行展成加工，双径向超声振动装置10，可耦合产生超声主振（振幅最大），超声主振方向在工具头径向，并控制保持其跟随展成加工面的法向实时转动，通过球形关节12传导超声振动给工件8，实现材料去除加工。加工形状取决于展成运动包络轨迹及各处加工间隙，实时加工间隙由径向超声振动位移决定（可在线测量、控制）。

通过对轴、径三维旋转超声参数的调制，利用超声激励效应，在工具头与工件间产生超声加工，其间隙、温度等参数可由激光微位移传感器5进行监测，反馈到计算机控制系统进行振动幅值实时调节，并控制加工过程的持续稳定。

X向进给机构17、Y向进给机构18、Z向进给机构16、旋转进给机构B14、旋转进给机构C 15的伺服驱动器连接到激光微位移传感器5、数字存储示波器3、计算机控制装置2，可实时监测反馈工件8与工具头7的空间位置信息，用于加工间隙的调节、控制以及工件精确的定位进给。若计算机检测出超声工具难以对工件进行加工或加工效果不明显，则可通过增大振幅或提高旋转速度来解决。

多维旋转超声展成加工机构在加工时，首先将工件8置于工作台9上，启动超声电源1，利用控制计算机2、激光微位移传感器5控制多轴传动机构（即X向进给机构17、Y向进给机构18、Z向进给机构16、旋转进给机构B 14、旋转进给机构C 15）进行调节；启动轴向旋转超声振动装置6、超声波发生器4，同时注入超声磨料，在加工过程中根据控制计算机2中的参数显示，来控制传动机构的进给，改变工件8的空间位置。

在加工过程中，控制计算机2根据激光微位移传感器5的参数可测出工件8与工具头7、双径向超声振动工具头之间的间隙和温度等参数，反馈到计算机控制系统中，进行振动幅值调节，循环往复加工至加工要求的型面精度。

本发明是一种复合加工、微细精密加工技术，采用轴向旋转超声与双径向超声耦合作用激励进行零件表面展成加工，将大大增强超声效应，加速工件表面蚀除效应及加工产物的及时排除；通过在线检测超声振动参数、工具与工件间的间隙和温度等参数，利用计算机运算处理，对关键参数进行实时调节、控制，合理控制展成进给加工中超声强度的大小，有效提高加工效率、改善加工精度，通过计算机实时控制多轴联动机构，有效地满足硬脆性材料空间曲面工件的微细精密加工。本发明结构新颖，可大大提高零件的加工效率，解决各种硬脆性材料异形曲面零部件的加工问题。

Claims (6)

1.一种多维旋转超声展成加工机构，其特征是，包括机构底座（19），机构底座上设有Y向进给机构（18），Y向进给机构上设有X向进给机构（17），X向进给机构上设有Z向进给机构（16），Z向进给机构的上方设有绕Z轴旋转的旋转进给机构C（15），旋转进给机构C的上方固定设有圆形底板（13），圆形底板上设有球形关节（12）、X径向超声振动装置（10）、Y径向超声振动装置（10）、绕Y轴旋转的旋转进给机构B（14）；

所述球形关节位于圆形底板中部，球形关节顶部设有工作台底座（11）；X、Y径向超声振动装置分别横向、纵向设置在圆形底板上，且两装置夹角为90°，旋转进给机构B位于其中一个径向超声振动装置的一侧，并通过转轴（20）与工作台底座相连；所述工作台底座上方连接有工作台（9），工作台中心放置待加工的工件（8），工作台上方设有轴向旋转超声振动装置（6），轴向旋转超声振动装置下端连接工具头（7）。

2.根据权利要求1所述的多维旋转超声展成加工机构，其特征是，所述机构一侧还设有控制装置，包括提供超声振动的超声电源（1）、用于接收信号及控制机构运作的数字存储示波器（3）、控制计算机（2）、超声波发生器（4）和检测工件移动位置的激光微位移传感器（5），激光微位移传感器分别与工具头、工件相连，用于检测超声振动参数、工具与工件间的间隙、温度参数。

3.根据权利要求2所述的多维旋转超声展成加工机构，其特征是，X向进给机构、Y向进给机构、Z向进给机构、旋转进给机构B、旋转进给机构C构成的多轴传动机构还与激光微位移传感器连接，用于监测工件空间转动的实时位置，合理控制工件的进给方向和进给速度。

4.根据权利要求2所述的多维旋转超声展成加工机构，其特征是，所述超声波发生器为频率自动跟踪式发生器。

5.根据权利要求1所述的多维旋转超声展成加工机构，其特征是，所述圆形底板顶部两侧分别设有安装耳（21），两安装耳对应位置分别设有开口向下的圆弧槽（22），所述转轴中部连接工作台底座，两端分别置于相应的圆弧槽内，且其中一端与旋转进给机构B相连。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的多维旋转超声展成加工机构的加工方法，其特征是，首先将工件置于工作台上，启动超声电源，利用控制计算机、激光微位移传感器控制多轴传动机构进行调节；启动轴向旋转超声振动装置、超声波发生器，同时注入超声磨料，在加工过程中根据控制计算机中的参数显示，来控制传动机构的进给，改变工件的空间位置；

在加工过程中，控制计算机根据激光微位移传感器的参数可测出工件与工具头、X或Y径向超声振动工具头之间的间隙和温度参数，反馈到计算机控制系统中，实时进行振动幅值调节，循环往复加工至加工要求的型面精度。