CN108526912B - 激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备及其工作方法，属于超声振动切削技术领域，包括气浮平台、XYZ移动总成、微动单元、工件夹具、激光辅助加工装置以及超声电主轴总成。本发明所涉及的激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床解决了市场主流超声椭圆振动铣床中只能进行一维或二维超声振动的问题，设计的微动平台优化了微动单元正交方向超声振动时的耦合问题，通过闭环控制系统的实时监测与调整，精确的控制椭圆的振动轨迹，通过结合激光辅助加工技术，加强了机床整体的稳定性，进一步提高了加工效果。

Description

激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备及其工作方法
技术领域
本发明属于超声振动切削技术领域，特别是涉及到一种激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床。
背景技术
随着加工制造业的不断发展，衍生出许多新型加工方法，其中超声椭圆振动辅助加工技术以及激光辅助加工技术尤为热门，该两种加工方法对硬脆材料的加工优势突出，在精密与超精密加工领域的应用越来越多，特别是在航空航天等领域有着显著优势。
超声椭圆振动技术在车削、钻削等传统加工方法上的应用越来越多，逐渐成为了精密与超精密加工的优选加工方法。超声椭圆振动加工最早是由日本学者社本英二和森脇俊道在CIRP国际会议上提出来的，它指的是通过将超声椭圆振动附加于切削刀具或加工工件，使刀尖相对于加工工件按椭圆轨迹进行振动，从而实现高频间歇性振动切削，使刀具、工件与切屑的“分离”特性更为明显，有助于切屑的及时排出以及冷却液的进入，降低加工区产生的热量，相比于传统加工方式，超声椭圆振动加工具有很多优势。
激光辅助技术同样具有许多传统加工方式所不具备的优点，激光辅助加工技术最早是由美国学者StephenM.Copley和MichaelBass所提出的，可应用于车削、铣削、磨削等领域。激光辅助加工是指将高功率热源投射在切削刃前的工件表面，在材料被切除前加热到很高的温度，使材料发生软化，从而能大大减少加工时的阻力，提高加工速度，减少刀具磨损。同单纯的传统加工方式相比具有减小材料残余应力并减少刀具磨损，有效避免材料裂纹和刀具崩刃等优点。
以上所述的两种技术在铣床上的应用均很少，超声椭圆振动技术无法解决超声振动时微动单元正交方向的解耦问题，且在加工工件时，受加工阻力的影响，超声振动在进给方向受阻，振幅与预设值之间出现偏差，不易精确控制椭圆振动轨迹，传统超声椭圆振动加工硬脆材料时，切屑多是颗粒形状，降低了加工精度，而且刀具也极易崩刃，激光辅助加工技术的应用可以软化待加工工件，使切屑以平滑的条状产生，保证了加工表面质量，同时增加了刀具的使用寿命，提高了加工过程中机床的稳定性。因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备及其工作方法，满足了超声微动单元自解耦性能优越且便于精确控制椭圆振动轨迹的需求，结合了激光辅助加工技术，进一步优化了加工效果。
激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备，其特征是：包括气浮平台、XYZ移动总成、微动单元、工件夹具、激光辅助加工装置以及超声电主轴总成；
所述气浮平台上设置有垫块；
所述XYZ移动总成包括X向移动单元、Y向移动单元以及Z向移动单元，且所述X向移动单元、Y向移动单元以及Z向移动单元均包括底板、导轨、滑块、丝杠以及电机，所述电机与丝杠连接，所述丝杠与滑块连接，所述滑块设置在导轨上；
所述X向移动单元通过螺栓设置在垫块上，所述X向移动单元的滑块上通过螺栓固定设置有直角支撑块，所述直角支撑块的直角端面通过螺栓固定设置有第一转接板；
所述Z向移动单元设置在第一转接板上；
所述Y向移动单元设置在Z向移动单元的滑块上；
所述微动单元包括支架、横向超声波发生器、第二转接板、空气导轨、左支架、竖向超声波发生器、右支架、底座、微动台以及柔性铰链，所述第二转接板通过螺栓固定设置在Z向移动单元的滑块上，所述底座的一侧为平面，另一侧设置有凹腔，底座的平面端与第二转接板通过空气导轨连接，底座的凹腔内壁上通过两个柔性铰链设置有微动台，底座上通过支架固定设置有横向超声波发生器；所述微动台上通过左支架与右支架固定设置有竖向超声波发生器；
所述工件夹具包括夹具底座、夹具支架、调节螺栓、滑块Ⅰ以及光杆，所述夹具底座与微动台通过螺栓固定连接，所述夹具支架与夹具底座通过螺栓固定连接，夹具支架的两侧设置有调节螺栓，夹具支架上设置有光杆；所述滑块Ⅰ设置为两个，与光杆滑动连接；
所述超声电主轴总成包括超声电主轴夹具、超声电主轴、夹紧螺栓以及主控单元，所述超声电主轴夹具设置在气浮平台上；所述超声电主轴通过夹紧螺栓固定设置在超声电主轴夹具上；所述主控单元设置在气浮平台上，主控单元的输出端口分别与X向移动单元、Y向移动单元以及Z向移动单元的电机竖向超声波发生器、横向超声波发生器以及超声电主轴连接；
所述激光辅助加工装置包括激光发射器以及激光发射器夹具，所述激光发射器通过激光发射器夹具固定设置在超声电主轴夹具上。
所述横向超声波发生器和竖向超声波发生器的尖端均设置有外螺纹。
所述滑块Ⅰ上设置有夹持槽Ⅰ和夹持槽Ⅱ。
激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备的工作方法，其特征是：使用光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、根据待加工工件的形状以及尺寸，调节工件夹具，用适合该工件的夹持槽紧固工件；
步骤二、通过调用对刀程序控制XYZ移动总成完成对刀；
步骤三、打开超声振动系统，使横向超声波发生器、竖向超声波发生器与超声电主轴分别按设定参数产生超声振动，形成了三维的超声椭圆振动；
步骤四、打开激光辅助加工系统，将激光对准刀具前方待加工表面位置；
步骤五、根据预先设定的目标零件的尺寸、形状等参数编写加工程序并生成G代码，通过调用G代码对工件进行加工。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
1、超声椭圆振动使工件、刀具以及切屑三者的“分离特性”更为彻底，加工过程中刀具后刀面不会与已加工表面接触，防止已加工表面的二次磨损，保证了加工质量；切削液更容易流入切削区域，充分润滑和冷却刀具，有助于降低切削力和切削温度，减小切削热给工件和刀具带来的电化学影响并可以将加工工件固有特性(导电、硬度等)对加工性能的影响降到最低。
2、微动台的自解耦设计，解决了超声振动时两方向的振动相互耦合的问题(即两个方向的超声振动相互之间的干扰问题)，闭环控制系统实时监测并调节振动参数，使实际椭圆轨迹更接近预设的理想轨迹，进一步提高了加工表面的质量；
3、加工过程中，激光辅助加工装置正对刀具前方工件的待加工表面，切削前对该区域进行激光加热，可以降低加工区域的硬度，减小切削力，减小刀具磨损，增加工件表面精度；由于工件进行超声椭圆振动，使刀具相对于工件的实际加工轨迹为椭圆螺旋线，刀具前刀面与切屑产生的摩擦力方向与其他加工方式产生的摩擦力方向相反，刀具可以利用反向的摩擦力将切屑排出，抑制了积削瘤和毛刺的产生，提高了加工精度。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备结构示意图。
图2为本发明激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备气浮平台结构示意图。
图3为本发明激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备X、Y、Z向移动单元结构示意图。
图4为本发明激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备XYZ移动总成结构示意图。
图5为本发明激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备微动单元结构示意图。
图6为本发明激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备工件夹具结构示意图。
图7为本发明激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备激光辅助加工装置结构示意图。
图8为本发明激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备超声电主轴总成结构示意图。
图9为本发明激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备工作方法流程示意框图。
图中1-气浮平台、2-XYZ移动总成、3-微动单元、4-工件夹具、5-激光辅助加工装置、6-超声电主轴总成、201-垫块、202-X向移动单元、203-直角支撑块、204-第一转接板、205-Z向移动单元、206-Y向移动单元、211-底板、212-导轨、213-滑块、214-丝杠、215-电机、301-支架、302-横向超声波发生器、303-第二转接板、304-空气导轨、305-左支架、306-竖向超声波发生器、307-右支架、308-底座、309-微动台、310-柔性铰链、401-夹具底座、402-夹具支架、403-调节螺栓、404-滑块Ⅰ、405-光杆、501-激光发射器、502-激光发射器夹具、601-超声电主轴夹具、602-超声电主轴、603-夹紧螺栓、604-主控单元。
具体实施方式
激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备及其工作方法，如图1和图2所示，其结构由气浮平台1、XYZ移动总成2、微动单元3、工件夹具4、激光辅助加工装置5、超声电主轴总成6以及其他辅助零部件组成。气浮平台1为本发明的实施基础，XYZ移动总成2、微动单元3、工件夹具4、激光辅助加工装置5、超声电主轴总成6以及其他辅助零部件都以此为安装基础。
如图3所示，X向移动单元202、Y向移动单元206以及Z向移动单元205均包括底板211、导轨212、滑块213、丝杠214以及电机215，所述电机215与丝杠214连接，所述丝杠214与滑块213连接，所述滑块213设置在导轨212上；工作时电机215带动丝杠214转动，使滑块213沿导轨212方向移动。
如图4所示，垫块201通过螺栓与气浮平台1连接，X向移动单元202通过螺栓与垫块201连接，垫块201起到了转接气浮平台1与X向移动单元202的作用，直角支撑块203通过螺栓固定在X向移动单元202的滑块213上，在直角支撑块203的竖直端面通过螺栓固定第一转接板204，Z向移动单元205设置在第一转接板204上，所述的Y向移动单元206通过螺栓固连在Z向移动单元205的滑块213上，所述X、Y、Z三个方向的移动单元均采用相同电机215进行驱动，使控制方便。
如图5所示，所述的微动单元3设置在Z向移动单元205上，第二转接板303通过螺栓固定在Z向移动单元205的滑块213上，第二转接板303上设置有空气导轨304，底座308与第二转接板303通过空气导轨304联结，微动台309设置在底座308的凹腔中，微动台309两侧各通过两个柔性铰链310连接至底座308凹腔的内壁上，位于底座308一侧连接有横向超声波发生器302，横向超声波发生器302尖端有外螺纹，在支架301的支撑下与底座308固连，横向超声波发生器302带动底座308沿空气导轨304方向进行超声振动，位于微动台309上连接有竖向超声波发生器306，竖向超声波发生器306尖端有外螺纹，在左支架305与、右支架307的支撑下与微动台309固连，竖向超声波发生器306带动微动台309沿竖直方向进行超声振动，该两个正交方向超声振动的振幅与相位差通过主控单元504调节，进而实现二维的超声椭圆振动。
如图6所示，夹具底座401与微动台309通过螺栓连接，夹具支架402与夹具底座401通过螺栓连接，滑块Ⅰ404可以沿光杆405滑动，两侧的调节螺栓403分别旋进夹具支架402两侧的螺纹孔中，分别顶在左右两滑块Ⅰ404两侧，通过旋转调节螺栓403夹紧工件，由于工件的大小、形状不一，所述的滑块Ⅰ404两侧分别开有不同形状和大小的夹持槽406与夹持槽407，根据具体工件的尺寸形状调换两滑块Ⅰ404的位置可以稳固的夹紧工件。
如图7和图8所示，超声电主轴夹具601通过螺栓与气浮平台1连接，通过拧紧夹紧螺栓603使超声电主轴602固定在超声电主轴夹具601上，激光发射器501由激光发射器夹具502夹持，并固定于超声电主轴夹具601上，位于气浮平台1还设置有主控单元604，所述的主控单元604的各个控制端口分别与X向移动单元202、Y向移动单元206以及Z向移动单元205的电机215、竖向超声波发生器306、横向超声波发生器302、超声电主轴602相连接，工作时超声电主轴602进行超声振动，与微动单元3共同形成三维超声椭圆振动。
如图9所示，激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备的工作方法，包括以下步骤：
步骤一：根据待加工工件的形状、尺寸，调节工件夹具，用适合该工件的夹持槽紧固工件；
步骤二：通过调用对刀程序控制XYZ移动总成2完成对刀；
步骤三：打开超声振动系统，使横向超声波发生器302、竖向超声波发生器306与超声电主轴602分别按设定参数产生超声振动，形成了三维的超声椭圆振动；
步骤四：打开激光辅助加工系统，将激光对准刀具前方待加工表面位置；
步骤五：根据预先设定的目标零件的尺寸、形状等参数编写加工程序并生成G代码，通过调用G代码对工件进行加工。
本发明的创新点在于：
1、将激光辅助加工技术与超声椭圆振动加工技术结合应用于传统铣削中，相较于传统铣削加工方式，本发明所采用的复合加工方法在铣削之前对工件待加工表面进行激光辅助加工，材料的可切削性在高温下发生改变，使材料软化，降低了切削力，减少了加工阻力，减少刀具崩刃和磨损，减小材料残余应力，，有效避免材料裂纹，降低了机床加工时的振动，提高了加工的稳定性；
2、发明了适用于三维超声椭圆振动的微动平台，设计了自解耦结构，极大削弱了传统振动平台的耦合问题，提高了实际振动轨迹的精确度，进而提高了工件加工精度，同时超声振动控制系统采用了闭环控制系统，检测单元实时监测超声振动频率以及振幅，当出现误差时会及时做出修正，使超声振动系统稳定工作；
3、本发明所涉及的复合加工方式可以产生优点倍增的加工效果，在加工硬脆材料时，软化了的材料降低了超声椭圆振动加工硬脆材料时所额外产生的加工震颤，从而激光辅助加工与超声椭圆振动铣削的结合更有利于机床整体的加工稳定性。

Claims (4)

1.激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备，其特征是：包括气浮平台(1)、XYZ移动总成(2)、微动单元(3)、工件夹具(4)、激光辅助加工装置(5)以及超声电主轴总成(6)；
所述气浮平台(1)上设置有垫块(201)；
所述XYZ移动总成(2)包括X向移动单元(202)、Y向移动单元(206)以及Z向移动单元(205)，且所述X向移动单元(202)、Y向移动单元(206)以及Z向移动单元(205)均包括底板(211)、导轨(212)、滑块(213)、丝杠(214)以及电机(215)，所述电机(215)与丝杠(214)连接，所述丝杠(214)与滑块(213)连接，所述滑块(213)设置在导轨(212)上；
所述X向移动单元(202)通过螺栓设置在垫块(201)上，所述X向移动单元(202)的滑块(213)上通过螺栓固定设置有直角支撑块(203)，所述直角支撑块(203)的直角端面通过螺栓固定设置有第一转接板(204)；
所述Z向移动单元(205)设置在第一转接板(204)上；
所述Y向移动单元(206)设置在Z向移动单元(205)的滑块(213)上；
所述微动单元(3)包括支架(301)、横向超声波发生器(302)、第二转接板(303)、空气导轨(304)、左支架(305)、竖向超声波发生器(306)、右支架(307)、底座(308)、微动台(309)以及柔性铰链(310)，所述第二转接板(303)通过螺栓固定设置在Z向移动单元(205)的滑块(213)上，所述底座(308)的一侧为平面，另一侧设置有凹腔，底座(308)的平面端与第二转接板(303)通过空气导轨(304)连接，底座(308)的凹腔内壁上通过两个柔性铰链(310)设置有微动台(309)，底座(308)上通过支架(301)固定设置有横向超声波发生器(302)；所述微动台(309)上通过左支架(305)与右支架(307)固定设置有竖向超声波发生器(306)；
所述工件夹具(4)包括夹具底座(401)、夹具支架(402)、调节螺栓(403)、滑块Ⅰ(404)以及光杆(405)，所述夹具底座(401)与微动台(309)通过螺栓固定连接，所述夹具支架(402)与夹具底座(401)通过螺栓固定连接，夹具支架(402)的两侧设置有调节螺栓(403)，夹具支架(402)上设置有光杆(405)；所述滑块Ⅰ(404)设置为两个，与光杆(405)滑动连接；
所述超声电主轴总成(6)包括超声电主轴夹具(601)、超声电主轴(602)、夹紧螺栓(603)以及主控单元(604)，所述超声电主轴夹具(601)设置在气浮平台(1)上；所述超声电主轴(602)通过夹紧螺栓(603)固定设置在超声电主轴夹具(601)上；所述主控单元(604)设置在气浮平台(1)上，主控单元(604)的输出端口分别与X向移动单元(202)、Y向移动单元(206)以及Z向移动单元(205)的电机(215)、竖向超声波发生器(306)、横向超声波发生器(302)以及超声电主轴(602)连接；
所述激光辅助加工装置(5)包括激光发射器(501)以及激光发射器夹具(502)，所述激光发射器(501)通过激光发射器夹具(502)固定设置在超声电主轴夹具(601)上。
2.根据权利要求1所述的激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备，其特征是：所述横向超声波发生器(302)和竖向超声波发生器(306)的尖端均设置有外螺纹。
3.根据权利要求1所述的激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备，其特征是：所述滑块Ⅰ(404)上设置有夹持槽Ⅰ(406)和夹持槽Ⅱ(407)。
4.激光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备的工作方法，其特征是：使用权利要求1所述的光辅助卧式三维超声椭圆振动铣床设备，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、根据待加工工件的形状以及尺寸，调节工件夹具(4)，用适合该工件的夹持槽紧固工件；
步骤二、通过调用对刀程序控制XYZ移动总成(2)完成对刀；
步骤三、打开超声振动系统，使横向超声波发生器(302)、竖向超声波发生器(306)与超声电主轴(602)分别按设定参数产生超声振动，形成了三维的超声椭圆振动；
步骤四、打开激光辅助加工系统，将激光对准刀具前方待加工表面位置；
步骤五、根据预先设定的目标零件的尺寸、形状等参数编写加工程序并生成G代码，通过调用G代码对工件进行加工。
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