CN109648098A - 一种可提高超声振动维数的超声辅助车削装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合超声振动切削加工技术领域，公开了一种可提高超声振动维数的超声辅助车削装置，该装置利用一个二维超声椭圆振动系统，通过对该系统的工作头结构进行部分改进，实现刀具振动轨迹由水平面椭圆振动轨迹向三维振动空间运动轨迹的转换。该装置仅通过改变二维超声振动系统的振幅、频率等振动参数，就能使刀具整个三维空间振动轨迹发生相应的改变，使原来的二维超声振动变成了三维超声振动，实现了振动维度的提高，同时也体现了二维超声振动系统与刀具三维空间振动轨迹的关联性。该装置可以直接安装在车床上进行操作使用，且整个装置结构简单，安装方便，加工省时省力。

Description

一种可提高超声振动维数的超声辅助车削装置

技术领域

本发明属于复合超声振动切削加工技术领域，具体涉及一种可提高超声振动维数的超声辅助车削装置。

背景技术

随着航空航天、半导体和电子工程的发展,晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆难加工材料在这些工程中获得广泛应用，但由于这些硬脆材料成形加工十分困难，严重影响了这些难加工材料的进一步推广应用，使这些硬脆性难加工材料的高精度切削加工技术成为世界各国制造业的一个重要研究课题。超声振动切削技术在硬脆性难加工材料的超精密加工中表现出优良的工艺特性，受到国际学术界和企业界的普遍重视。现有的超声振动辅助切削技术主要有一维超声振动辅助切削技术和二维超声椭圆振动辅助切削技术，而三维超声振动辅助车削技术可进一步提高工件的加工精度、降低工件的表面粗糙度、有效减小切削力、增加材料去除率、延长刀具寿命和显著提高加工效率。

发明内容

为了进一步改善二维椭圆超声振动切削加工的性能，本发明提供一种可提高超声振动维数的超声辅助车削装置，技术方案如下：

一种可提高超声振动维数的超声辅助车削装置，包括第一铰接机构、第二铰接机构、超声变幅系统、L形连接架、固定板、摆杆和弹性钢板；

所述第一铰接机构包括第一铰接部、第二铰接部和两个第三铰接部，第一铰接部、第二铰接部和两个第三铰接部共面设置，所述第一铰接部的一端安装有刀具，第一铰接部的另一端与第二铰接部的一端铰接，第一铰接部绕其与第二铰接部的铰接处沿竖直方向转动，第二铰接部的另一端分别与两个第三铰接部的一端铰接，第一铰接部和第二铰接部一起绕第二铰接部与两个第三铰接部的铰接处沿水平方向转动，两个第三铰接部的另一端分别与超声变幅系统的变幅杆固定装配，两个超声变幅系统装夹在车床刀架上；

第二铰接机构包括第四铰接部和两个第五铰接部，第四铰接部和两个第五铰接部共面设置，第四铰接部的一端装配有U形架，另一端分别与两个第五铰接部的一端铰接，两个第三铰接部的顶部分别装配有支架，两个第五铰接部的另一端分别与两个支架固定装配，第二铰接机构与第一铰接机构倾斜设置，二者之间的夹角为20°～40°；

第一铰接部顶部与L形连接架的底板连接，L形连接架的侧板固定装配有定位销，定位销的端部固定装配有弯曲且有一定弹力的弹性钢板，弹性钢板的两端分别与两个摆杆的内侧固定，弹性钢板提供弹力实现两个摆杆内侧的顶紧，车床刀架固定座装配有固定板，固定板位于两个超声变幅系统之间，固定板顶部转动装配有两个转动销，两个转动销的顶部分别固定装配有摆杆，两个摆杆的外侧分别与U形架的左右两侧内壁滑动装配。

所述第一铰接机构为一体成型结构，其在第一铰接部与第二铰接部的铰接处、第二铰接部与两个第三铰接部的铰接处分别开设有通槽，实现第一铰接部与第二铰接部、第二铰接部与两个第三铰接部之间的柔性铰接。

所述第二铰接机构为一体成型结构，其在第四铰接部与两个第五铰接部的铰接处分别开设有通槽，实现第四铰接部与两个第五铰接部之间的柔性铰接。

两个第三铰接部之间的夹角和两个第五铰接部之间的夹角相同，均为45°～90°。

作为一种优选的方案，两个第三铰接部相互垂直设置，便于超声变幅系统直接安装在车床方刀架上；两个第五铰接部相互垂直设置，既便于安装，在达到预期的振动效果的情况下，又能进一步减小整个装置整体尺寸。

作为一种优选的方案，第二铰接机构与第一铰接机构之间的夹角为30°，不仅使第一铰接部的振动效果达到预期期望值，同时还进一步达到了减小整个装置整体尺寸的效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种可提高超声振动维数的超声辅助车削装置，该装置利用一个二维超声椭圆振动系统，通过对该系统的工作头结构进行部分改进，实现了刀具振动轨迹由水平面椭圆振动轨迹向三维振动空间运动轨迹的转换。该装置仅通过改变二维超声振动系统的振幅、频率等振动参数，就能使刀具整个三维空间振动轨迹发生相应的改变，使原来的二维超声振动变成了三维超声振动，实现了振动维度的提高，同时也体现了二维超声振动系统与刀具三维空间振动轨迹的关联性。该装置可以直接安装在车床上进行操作使用，且整个装置结构简单，安装方便，加工省时省力。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明第一铰接机构和第二铰接机构的装配结构示意图；

图3为本发明弹性钢板的装配结构示意图。

其中：超声变幅系统1；L形连接架2；固定板3；摆杆4；弹性钢板5；第一铰接部6；第二铰接部7；第三铰接部8；刀具9；紧定块10；车床刀架11；通槽12；第四铰接部13；第五铰接部14；U形架15；支架16；支撑杆17；定位销18；转动销19；斜台20；三角形肋板21；T形架22。

具体实施方式

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图1至图3所示，本发明提供了一种可提高超声振动维数的超声辅助车削装置，包括第一铰接机构、第二铰接机构、超声变幅系统1、L形连接架2、固定板3、摆杆4和弹性钢板5；

第一铰接机构包括第一铰接部6、第二铰接部7和两个第三铰接部8，第一铰接部6、第二铰接部7和两个第三铰接部8共面设置，第一铰接部6的一端安装有刀具9，第一铰接部6的另一端与第二铰接部7的一端铰接，第一铰接部6绕其与第二铰接部7的铰接处沿竖直方向转动，第二铰接部7的另一端分别与两个第三铰接部8的一端铰接，第一铰接部6和第二铰接部7一起绕第二铰接部7与两个第三铰接部8的铰接处沿水平方向转动，且两个第三铰接部8互相垂直设置，两个第三铰接部8的另一端分别与超声变幅系统1的变幅杆固定装配，两个超声变幅系统1对称的装夹在车床刀架11相邻两个面上，超声变幅系统1的壳体内侧通过T形架22固定有紧定块10，利用车床刀架11上的紧固螺栓顶压紧定块10，以达到固定超声变幅系统1的目的。

第一铰接机构为一体成型结构，采用工具钢材质制成，其在第一铰接部6与第二铰接部7的铰接处、第二铰接部7与两个第三铰接部8的铰接处分别开设有通槽12，实现第一铰接部6与第二铰接部7、第二铰接部7与两个第三铰接部8之间的柔性铰接。

第一铰接部6的一端的上表面开设有一个菱形刀具槽，在菱形刀具槽的中心点位置开设有一个螺纹通孔，用于将刀具9安装在菱形刀具槽内，为了加快刀具9的散热，在菱形刀具槽的两后棱边的交点处设有一个盲孔，其深度与菱形刀具槽的深度相等，菱形刀具槽的左右两侧各设有三个呈三角形分布的螺纹孔，用于固定安装L形连接架2的底板。

第二铰接机构包括第四铰接部13和两个第五铰接部14，第四铰接部13和两个第五铰接部14共面设置，第四铰接部13的一端上表面设置有U形槽，并通过螺栓与U形架15装配，另一端分别与两个第五铰接部14的一端铰接，两个第五铰接部互相垂直设置；两个第三铰接部8的顶部分别装配有支架16，支架16顶部均倾斜设置有支撑杆17，两个第五铰接部14的另一端均开有盲孔，分别与支撑杆17过盈配合，支撑杆17与水平方向的夹角为锐角，且夹角面向刀具9方向，第二铰接机构与第一铰接机构倾斜设置，二者之间的夹角为30°。

第二铰接机构为一体成型结构，采用工具钢材质制成，其在第四铰接部13与两个第五铰接部14的铰接处分别开设有通槽12，实现第四铰接部13与两个第五铰接部14之间的柔性铰接。

第一铰接机构和第二铰接机构的通槽12的截面均为半圆形，其目的是减少铰接处的刚度，便于本发明工作时刀具9上下及左右振动。

第一铰接部6顶部与L形连接架2的底板连接，L形连接架2的侧板固定装配有定位销18，定位销18的端部固定装配有弯曲且有一定弹力的弹性钢板5，弹性钢板5的两端分别与两个摆杆4的内侧装配固定，弹性钢板5提供弹力实现两个摆杆4内侧的顶紧，固定板3位于两个超声变幅系统1之间，车床刀架11的固定座前端通过紧定螺栓顶压固定板3，固定板3顶部转动装配有两个转动销19，两个转动销19的顶部分别固定装配有摆杆4，摆杆4的中心线与水平方向呈45°夹角，两个摆杆4的外侧分别与U形架15的左右两侧内壁滑动装配。

L形连接架2与第一铰接部6相接触部分的形状为两个锯齿状，每个锯齿状的接触板上都布有三个呈三角形分布的螺纹孔，L形连接架2与第一铰接部6通过三个螺纹孔进行螺纹连接。L形连接架2与弹性钢板5相连接部位设有斜台20，斜台20的斜面与竖直方向呈45°夹角，定位销18垂直装配于斜台20的上端面上；为提高L形连接架2的工作刚度，L形连接架2选用不易变形的高强度轴承钢材质加工，L形连接架2竖直板和底板相向位置处沿对称面设有一个三角形肋板21。

本发明的工作原理如下：

启动机床电源，机床主轴高速旋转，同时启动超声波发生器，左右两个超声变幅系统1开始同时工作，超声变幅系统1将放大后的正弦信号传递给第三铰接部8，两个第三铰接部8水平振动，由于两个超声变幅系统1彼此之间有一定相位差，使第一铰接部6和第二铰接部7共同绕竖直轴线产生往复的椭圆振动轨迹，同时带动刀具9沿水平面做轨迹为椭圆的往复振动，当第三铰接部8收到正交方向两个有一定相位差的激振力时，固定在第三铰接部8上的支架16将这两个激振力分别传递给两个第五铰接部14，使两个第五铰接部14产生振动，以推动第四铰接部13绕垂直于第四铰接部13上表面的轴线作往复循环振动，从而带动装配在第四铰接部13上的U形支架16相对于摆杆4往复滑动，使两个摆杆4之间的夹角随着第四铰链部13的往复振动不断发生变化，从而使弹性钢板5不断的压缩扩张往复变化，从而通过L形支架2驱动第一铰接部6绕其与第二铰接部7的铰接处上下往复振动，实现刀具9的上下往复振动，加上第一铰接机构驱动刀具9进行沿水平面作轨迹为椭圆的循环运动，最终实现了刀具9的三维空间振动轨迹的生成。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种可提高超声振动维数的超声辅助车削装置，其特征在于，包括第一铰接机构、第二铰接机构、超声变幅系统、L形连接架、固定板、摆杆和弹性钢板；

所述第一铰接机构包括第一铰接部、第二铰接部和两个第三铰接部，第一铰接部、第二铰接部和两个第三铰接部共面设置，所述第一铰接部的一端安装有刀具，第一铰接部的另一端与第二铰接部的一端铰接，第一铰接部绕其与第二铰接部的铰接处沿竖直方向转动，第二铰接部的另一端分别与两个第三铰接部的一端铰接，第一铰接部和第二铰接部一起绕第二铰接部与两个第三铰接部的铰接处沿水平方向转动，两个第三铰接部的另一端分别与超声变幅系统的变幅杆固定装配，两个超声变幅系统装夹在车床刀架上；

第二铰接机构包括第四铰接部和两个第五铰接部，第四铰接部和两个第五铰接部共面设置，第四铰接部的一端装配有U形架，另一端分别与两个第五铰接部的一端铰接，两个第三铰接部的顶部分别装配有支架，两个第五铰接部的另一端分别与两个支架固定装配，第二铰接机构与第一铰接机构倾斜设置，二者之间的夹角为20°～40°；

第一铰接部顶部与L形连接架的底板连接，L形连接架的侧板固定装配有定位销，定位销的端部固定装配有弯曲且有一定弹力的弹性钢板，弹性钢板的两端分别与两个摆杆的内侧固定，弹性钢板提供弹力实现两个摆杆内侧的顶紧，车床刀架固定座装配有固定板，固定板位于两个超声变幅系统之间，固定板顶部转动装配有两个转动销，两个转动销的顶部分别固定装配有摆杆，两个摆杆的外侧分别与U形架的左右两侧内壁滑动装配。

2.根据权利要求1所述的一种可提高超声振动维数的超声辅助车削装置，其特征在于，所述第一铰接机构为一体成型结构，其在第一铰接部与第二铰接部的铰接处、第二铰接部与两个第三铰接部的铰接处分别开设有通槽，实现第一铰接部与第二铰接部、第二铰接部与两个第三铰接部之间的柔性铰接。

3.根据权利要求1所述的一种可提高超声振动维数的超声辅助车削装置，其特征在于，所述第二铰接机构为一体成型结构，其在第四铰接部与两个第五铰接部的铰接处分别开设有通槽，实现第四铰接部与两个第五铰接部之间的柔性铰接。

4.根据权利要求1所述的一种可提高超声振动维数的超声辅助车削装置，其特征在于，两个第三铰接部之间的夹角和两个第五铰接部之间的夹角相同，均为45°～90°。

5.根据权利要求1所述的一种可提高超声振动维数的超声辅助车削装置，其特征在于，所述第二铰接机构与第一铰接机构之间的夹角为30°。