CN107639239A - 一种自由曲面变幅杆的超声波振动辅助车削装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由曲面变幅杆的超声波振动辅助车削装置，包括壳体、换能器和车刀；所述换能器固定在所述壳体上，所述换能器包括将单一方向的振动在传递过程中改变方向的自由曲面变幅杆，以及压电陶瓷组和后盖板，所述自由曲面变幅杆为输入端面为垂直平面、输出端面垂直于输入端面的自由曲面弯曲结构；所述后盖板上固定的螺杆穿过所述压电陶瓷组的中间圆孔与所述自由曲面变幅杆的输入端相连接，并施加一预紧力压紧所述压电陶瓷组；所述车刀固定在所述自由曲面变幅杆的输出端。本发明可通过一个激励源来实现刀尖的椭圆振动，且结构简单，安装方便。

Description

一种自由曲面变幅杆的超声波振动辅助车削装置

技术领域

本发明涉及超精密加工，特别涉及一种自由曲面变幅杆的超声波振动辅助车削装置。

背景技术

光学透镜在航天航空、国防装备、电子通讯等领域的应用越来越多。精密注塑是大规模生产这类零件的主要方式之一。在其加工过程中，模芯的表面质量对产品的质量非常关键。为了保证足够的强度和加工表面光洁度，一般采用模具钢来制作模芯。为了达到高面形精度和高表面质量，采用金刚石刀具结合超精密车削机床是首选方案。虽然天然金刚石是目前最硬的材料，但是在加工黑色金属的时候往往会发生严重的化学磨损，导致加工质量的显著下降。

目前，解决此问题的方法之一就是在模芯上附着一层镍磷合金镀层，然后采用金刚石刀具在镍磷合金层直接切削出理想的镜面。此方法的缺点是加工镍磷合金镀层增加了生产成本，并且镍磷合金层在循环热载荷的作用下容易脱离基体，使模芯的使用寿命降低。另外一种方法就是采用超声辅助车削方法。目前的超声波振动辅助车削装置根据刀具的振动形式可以分为一维直线振动装置和二维椭圆振动装置。其中一维直线振动装置中的变幅杆采用的是单激励纵向振动形式，二维椭圆振动装置中的变幅杆采用的是双激励多向复合共振形式。两种装置相比较，后者可以更大幅度的降低切削力和切削热，但是由于需要两个激励源，结构设计复杂且安装调试难度大。单激励纵向一维直线振动装置在加工较深的凹形截面工件时，由于刀具伸出较短，工件与装置容易发生干涉。

发明内容

本发明的目的是解决黑色金属材料的光学自由曲面零件的无干涉镜面加工问题，提供一种自由曲面变幅杆的超声波振动辅助车削装置，本装置可通过一个激励源来实现刀尖的椭圆振动，且结构简单，安装方便。

本发明所采用的技术方案是：一种自由曲面变幅杆的超声波振动辅助车削装置，包括壳体、换能器和车刀；所述换能器固定在所述壳体上，所述换能器包括将单一方向的振动在传递过程中改变方向的自由曲面变幅杆，以及压电陶瓷组和后盖板，所述自由曲面变幅杆为输入端面为垂直平面、输出端面垂直于输入端面的自由曲面弯曲结构；所述后盖板上固定的螺杆穿过所述压电陶瓷组的中间圆孔与所述自由曲面变幅杆的输入端相连接，并施加一预紧力压紧所述压电陶瓷组；所述车刀固定在所述自由曲面变幅杆的输出端。

所述压电陶瓷组包括交替排列的环形压电陶瓷片和铜片。

所述自由曲面变幅杆的输入端设置有法兰，安装时，通过压盖配合螺纹联接压紧所述法兰，使由曲面变幅杆固定在壳体上。

所述自由曲面变幅杆的频率为40KHz-80KHz，所述车刀刀尖的振动方向随着自由曲面变幅杆频率的改变而改变。

所述壳体的后端外设置有用于与车削机床联接的筋板，所述筋板上开设有筋板孔；所述壳体的前端设置有用于容纳所述换能器的压电陶瓷组的腔体；所述壳体的侧壁上、位于所述腔体的位置开设有用于穿过超声波电源联接的导线的引线孔；所述腔体的两侧开设有用于调整安装位置的通槽。

所述车刀采用单晶金刚石车刀或聚晶金刚石车刀。

本发明的有益效果是：

(1)变幅杆是采用自由曲面形状设计，可以把单一方向的振动在传递过程中改变方向；

(2)本装置的工作频率在40KHz到80KHz之间，车刀刀尖的振动方向随着频率的改变而改变，可以适应自由曲面的车削，避免发生车刀的后刀面与工件干涉；

(3)本装置可以用于金刚石车刀超精密车削黑色金属，可以有效地抑制刀具磨损，从而保证镜面的生成；

(4)本装置采用单一激励，结构简单紧凑，便于安装和调整，对机床类型的适应性强。

附图说明

图1：本发明整体外部结构图；

图2：本发明壳体结构正视图；

图3：本发明壳体结构俯视图；

图4：本发明自由曲面变幅杆结构图；

图5：本发明换能器装配图。

附图标注：1、壳体；2、压盖；3、车刀；4、自由曲面变幅杆；5、法兰；6、后盖板；7、压电陶瓷片；8、铜片；9、筋板；10、筋板孔；11、引线孔；12、腔体；13、通槽；14、通槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如附图1至图5所示，一种自由曲面变幅杆的超声波振动辅助车削装置，包括壳体1、换能器和车刀3。

所述壳体1安装在超精密车床的刀座上，配合刀座上的高度微调机构可进行刀具高度的精密微调，其主要功能为固定换能器，保证车刀3的前刀面处于水平位置。所述壳体1的后端外设置有筋板9，所述筋板9上开设有筋板孔10，所述壳体1通过所述筋板9和所述筋板孔10与车削机床直接联接。所述壳体1的前端设置有腔体12，所述腔体12用于容纳所述换能器的压电陶瓷组。所述壳体1的侧壁上、位于所述腔体12的位置开设有引线孔11，所述引线孔11用于穿过超声波电源联接的导线，将高频电信号引到换能器上。所述腔体12的两侧分别开设有通槽13、14，所述通槽13、14用于调整本发明车削装置的安装位置。

所述换能器固定在所述壳体1上，所述换能器包括自由曲面变幅杆4，以及压电陶瓷组和后盖板6，所述换能器的装配方式为夹心式换能器典型结构。所述自由曲面变幅杆4采用输入端面为垂直平面、输出端面垂直于输入端面的自由曲面弯曲结构，能将单一方向的振动在传递过程中改变方向，即，把自由曲面变幅杆4输入端的单一方向振动激励传递到其输出端，使输出端安装的车刀3振动方向可变；所述自由曲面变幅杆4的输入端设置有法兰5，安装时，通过压盖2配合螺纹联接压紧所述法兰5，使由曲面变幅杆固定在壳体1上。所述压电陶瓷组固定在所述壳体1的腔体12内，包括交替排列的环形压电陶瓷片7和铜片8，本实施例中，所述压电陶瓷片7和铜片8均为4片。所述后盖板6上固定有螺杆，所述后盖板6通过所述螺杆穿过所述压电陶瓷组(交替排列的压电陶瓷片7和铜片8)的中间圆孔与所述自由曲面变幅杆4的输入端螺纹连接，并施加一预紧力压紧所述压电陶瓷组(交替排列的压电陶瓷片7和铜片8)。

所述车刀3通过螺钉固定在所述自由曲面变幅杆4的输出端，所述车刀3刀尖的振动方向随着自由曲面变幅杆4频率的改变而改变，其中，所述自由曲面变幅杆4的频率为40KHz-80KHz。所述车刀3可根据加工需要采用单晶金刚石车刀3或聚晶金刚石车刀3。

本发明装置结构简单紧凑，可以适用于各种不同超精密车床，作为机床附件使用。其具体结构尺寸可根据机床刀座和加工需求专门定制，设计流程是：根据加工工件尺寸选择压电陶瓷组的发射功率和结构尺寸；根据压电陶瓷组的尺寸和加工工件的凹形截面尺寸确定自由曲面变幅杆4的结构尺寸；最后根据自由曲面变幅杆4的结构尺寸和机床刀座设计壳体1的结构和压盖2。车刀3振幅可由输入的超声信号电压大小进行无极调节。

本发明装置工作过程为：开启超声波电源，对换能器两端加载一定频率的交流电信号来驱动换能器振动，从而带动端部的车刀3进行高频振动，车刀3刀尖的振动轨迹为一椭圆。自由曲面变幅杆4的特点是随着激励信号频率从40KHz到80KHz变化，车刀3刀尖振动椭圆的长轴方向随之改变。通过调整电源频率和工作电压来获得合适的车刀3刀尖振动方向和振幅，通过与三轴超精密车削机床进给率的合理搭配来实现黑色金属材料自由曲面的镜面切削。

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 (6)

1.一种自由曲面变幅杆的超声波振动辅助车削装置，其特征在于，包括壳体、换能器和车刀；所述换能器固定在所述壳体上，所述换能器包括将单一方向的振动在传递过程中改变方向的自由曲面变幅杆，以及压电陶瓷组和后盖板，所述自由曲面变幅杆为输入端面为垂直平面、输出端面垂直于输入端面的自由曲面弯曲结构；所述后盖板上固定的螺杆穿过所述压电陶瓷组的中间圆孔与所述自由曲面变幅杆的输入端相连接，并施加一预紧力压紧所述压电陶瓷组；所述车刀固定在所述自由曲面变幅杆的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种自由曲面变幅杆的超声波振动辅助车削装置，其特征在于，所述压电陶瓷组包括交替排列的环形压电陶瓷片和铜片。

3.根据权利要求1所述的一种自由曲面变幅杆的超声波振动辅助车削装置，其特征在于，所述自由曲面变幅杆的输入端设置有法兰，安装时，通过压盖配合螺纹联接压紧所述法兰，使由曲面变幅杆固定在壳体上。

4.根据权利要求1所述的一种自由曲面变幅杆的超声波振动辅助车削装置，其特征在于，所述自由曲面变幅杆的频率为40KHz-80KHz，所述车刀刀尖的振动方向随着自由曲面变幅杆频率的改变而改变。

5.根据权利要求1所述的一种自由曲面变幅杆的超声波振动辅助车削装置，其特征在于，所述壳体的后端外设置有用于与车削机床联接的筋板，所述筋板上开设有筋板孔；所述壳体的前端设置有用于容纳所述换能器的压电陶瓷组的腔体；所述壳体的侧壁上、位于所述腔体的位置开设有用于穿过超声波电源联接的导线的引线孔；所述腔体的两侧开设有用于调整安装位置的通槽。

6.根据权利要求1所述的一种自由曲面变幅杆的超声波振动辅助车削装置，其特征在于，所述车刀采用单晶金刚石车刀或聚晶金刚石车刀。