CN110281088A - 智能超声线锯 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能超声线锯，由超声驱动部分和线锯装夹部分组成；超声驱动部分包括压电片、电极线、反作用质量、变幅杆、中心螺栓、端盖，利用电源驱动使压电片产生高频振动，并经变幅杆将振动幅值放大，以传递给线锯装夹部分；线锯装夹部分包括线锯框架、紧定螺母、紧定螺栓、金刚丝、力传感器、固定端子，其中，线锯框架上设置有线锯槽、防旋槽和金刚丝孔；线锯装夹部分将金刚丝线锯固定在线锯槽内，并施加一定预紧力，高频振动的情况下对硬脆材料产生切割作用；本发明使线锯产生高频往复运动，有利于润滑液的渗透，金刚丝长度短，振动小，预紧力可调，对硬脆材料切割存在明显优势。

Description

智能超声线锯
技术领域
本发明涉及一种硬脆材料加工领域，具体为一种智能超声线锯。
背景技术
随着科技的发展，硬脆性材料依靠其优异的化学、物理、光学以及机械性能，在航空航天、汽车以及石油化工和机械加工等行业广泛应用。然而，硬脆性使得材料加工变得困难，刀具磨损严重，致使零件的加工精度及表面质量难以保证，严重制约了硬脆材料的应用。因此，硬脆性材料的高效率、高精度加工技术已成为迫切问题。
应用于硬脆材料切割的主要技术包括游离磨料和固结金刚石磨料线锯切割技术两种，其中固结金刚石磨料线锯是由不锈钢丝与固结在不锈钢丝上的金刚石磨粒组成，其固结方法有电镀法与树脂粘结法。固结金刚石磨料线锯切割技术具有切缝窄、切片质量好、切割效率高等优点，已成为硬脆材料切割的主流技术。
现有固结金刚石磨料线锯加工技术采用封闭线锯的方法，在导轮旋转作用下带动线锯高速运行，固定在金属丝上的金刚石磨粒获得相同的速度。当工件以一定速度进给，磨料直接作用于待加工部位，由磨削压力产生裂纹并不断破碎扩大从而实现工件材料的去除，实现切割的效果。然而，现有技术中也存在如下问题：线锯长度通常为上百米，张力难以控制，磨削过程不稳定，精度较差；磨削过程为单向磨削，润滑效果差，磨削区温度高，影响加工质量；线锯弦长较长，振动明显，容易发生断丝现象。
发明内容
本发明针对传统线锯存在的问题，提出一种智能超声线锯，利用超声波振动带动线锯实现高频往复运动，从而对硬脆材料进行切割。
本发明提出的智能超声线锯，主要由两部分组成，一部分为超声驱动部分，一部分为线锯装夹部分。
其中，超声驱动部分由压电片、电极线、反作用质量、变幅杆、中心螺栓、端盖等组成，其作用在于利用电源驱动使压电片产生高频振动，并经变幅杆将振动幅值放大，以传递给线锯装夹部分。
压电片、反作用质量、变幅杆由中心螺栓串接在一起，其中压电片位于反作用质量和变幅杆之间；
压电片、反作用质量和中心螺栓位于端盖内部；
压电片是一种智能材料，当外部交流电源接入后，压电片可以产生形变和振动，本发明即利用压电材料的性质，将交流电信号通过电源接口引入电极线以驱动压电片振动；
变幅杆的主要作用是把压电片的振动位移或速度放大，并传递给线锯；
反作用质量的作用是与变幅杆组成力平衡系统；
端盖位于超声驱动部分的最外层，主要起到防护作用。端盖上设置了电路通道，可以将外部电源引入；设置了冷却入口和出口，使冷却气体由冷却入口进入内部，换热后由冷却出口排出，实现对压电片降温的作用。
线锯装夹部分由线锯框架、紧定螺母、紧定螺栓、金刚丝、力传感器、固定端子等组成，其中，线锯框架上设置有线锯槽、防旋槽和金刚丝孔；线锯装夹部分作用在于将金刚丝线锯固定在线锯槽内，并施加一定预紧力，高频振动的情况下对硬脆材料产生切割作用。
金刚丝长度在一米以内，可以为单股也可以为多股同时使用。
线锯框架与变幅杆固定连接，其连接方式可以为焊接、胶结或螺纹连接；
其中，防旋槽为多边形结构，紧定螺栓的螺帽端位于防旋槽内，可防止紧定螺栓在金刚丝预紧过程中转动；
金刚丝位于线锯槽内，一端穿过金刚丝孔后通过力传感器与固定端子相连，另一端穿过紧定螺栓内部的金刚丝通道，一直延伸到线锯槽的外部，并与紧定螺栓固定在一起，该固定方式为焊接；
紧定螺栓的作用是为金刚丝施加预紧力，其方法为金刚丝一端穿过紧定螺栓内部的金刚丝通道后与紧定螺栓的端部固定，当旋转紧定螺母时，由于紧定螺栓的螺帽端部位于防旋槽内，紧定螺栓在紧定螺母的作用下带动金刚丝向一侧移动，进而实现预紧作用；
力传感器的作用是测试金刚丝的作用力，包括初始的预紧力以及切割过程中的切割力；当预紧力达到要求后，即停止紧定螺母的旋转；当切割过程中的力出现突变时，即需要检查整机的运行情况。
压电片、电极线、反作用质量、变幅杆、中心螺栓、端盖等组成超声驱动部分，可以利用电源驱动使压电片产生高频振动，并经变幅杆将振动幅值放大，以传递给线锯装夹部分。
线锯框架、线锯槽、紧定螺母、紧定螺栓、防旋槽、金刚丝、金刚丝孔、力传感器、固定端子等组成线锯装夹部分，将金刚丝线锯固定在线锯槽内，并施加一定预紧力，高频振动的情况下对硬脆材料产生切割作用。
本发明的优势在于：
(1)金刚丝线锯仅在超声波发生器的带动下运动，该运动形式为高频往复运动，有利于机床提供的润滑液向切割界面渗透，提高硬脆材料的切割效率；
(2)相比传统金刚丝线锯，本发明提出的线的金刚丝不需要经过导向轮，也不需要弯折，降低了断丝的风险；且长度较短，直径可以根据实际需求提高，因此提高了结构刚性，降低了弦振动，提高加工精度；
(3)本发明提供一种预紧力调整装置并连接了力传感器，使线锯的预紧力可测试并调整；
(4)本装置体积小，操作简单。
附图说明
图1智能超声线锯。
图2端盖主视图。
图3变幅杆主视图。
图4线锯框架主视图。
图5线锯框架A-A视图。
图6线锯框架左视图。
图7紧定螺栓主视图。
图8紧定螺栓左视图。
1电源接口；2电路通道；3冷却输出端子；4冷却出口；5端盖；6冷却输入端子；7冷却入口；8变幅杆；9中心螺栓孔；10线锯框架；11线锯槽；12螺栓沉孔；13反作用质量；14电极线；15过渡孔；16中心螺栓；17压电片；18紧定螺母；19紧定螺栓；20防旋槽；21金刚丝通道；22金刚丝；23金刚丝孔；24力传感器；25固定端子；19a紧定螺栓端帽；19b紧定螺栓螺纹段。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明提出一种智能超声线锯，使金刚石切割线产生高频往复式运动，有利于润滑液的渗透，进而切割硬脆材料。
具体而言，本发明实施例包括：
电源接口1；电路通道2；冷却输出端子3；冷却出口4；端盖5；冷却输入端子6；冷却入口7；变幅杆8；中心螺栓孔9；线锯框架10；线锯槽11；螺栓沉孔12；反作用质量13；电极线14；过渡孔15；中心螺栓16；压电片17；紧定螺母18；紧定螺栓19；防旋槽20；金刚丝通道21；金刚丝22；金刚丝孔23；力传感器24；固定端子25；紧定螺栓端帽19a；紧定螺栓螺纹段19b。
其中，电源接口1位于智能超声线锯的最外侧，具体固定安装在端盖5的底面上的电路通道2，其作用在于外部电源通过电路通道2将电能供给至电极线14，电极线14将电能提供给压电片17。
端盖5主要起到防护作用，端盖5底部设置了电路通道2；端盖5一侧设置了冷却出口4和冷却入口7，外部冷却气体或冷却液体通过冷却输入端子7进入冷却入口7，并输送至端盖5内部，对压电片17制冷，并从冷却出口4至冷却输出端子3排出。端盖5与变幅杆8螺纹连接，端盖5为内螺纹。
反作用质量13、中心螺栓16和压电片17位于端盖5内部。中心螺栓16穿过反作用质量13上的螺栓沉孔12，并通过压电片17的内环与变幅杆上的中心螺栓孔9固定连接。反作用质量13、中心螺栓16和压电片17组成了超声振动组件，当电极线14上的交流电供给给压电片17后，压电片17高频振动，该振动一方面传递给反作用质量13，一方面传递给变幅杆8，从而构成一套振动平衡系统。
变幅杆8的作用在于将压电片17传递的振动幅值放大，该放大性能取决于变幅杆8的固有性质，包括形状、材料、振型等。变幅杆8一端与端盖5和中心螺栓16固定相连，且均为螺纹连接，变幅杆8的端面与压电片17直接接触。变幅杆8另一端与线锯框架10固定连接，该连接方式可以为胶结或焊接。
线锯框架10在智能超声线锯的一侧，其作用为固定安装金刚丝22。线锯框架为U字型结构，其线锯槽11内为金刚丝22。
线锯框架10上设置了防旋槽20，其为多边形结构，其作用是防止调整金刚丝22的预紧力时紧定螺栓19的紧定螺栓端帽19a发生旋转。
线锯框架10上设置了金刚丝孔23，其作用是使金刚丝22穿过金刚丝孔23与力传感器24上的固定端子25固定连接。
金刚丝22为硬脆材料切割的主要元件，金刚丝22一端穿过紧定螺栓19内部的金刚丝通道与紧定螺栓19的紧定螺栓螺纹段19b端面固定连接，另一端穿过金刚丝孔23并通过力传感器24的内孔与外侧的固定端子25固定相连。
紧定螺栓19的主要作用是为金刚丝22提供预紧力，紧定螺栓19穿过线锯框架10上的防旋槽20与外部的紧定螺母18连接；当旋转紧定螺母18时，因紧定螺栓19的紧定螺栓端帽19a在防旋槽20内部，因而紧定螺栓19不能跟随转动，只能向一侧平动。又因为金刚丝22与紧定螺栓19固定相连，因此旋转紧定螺母18时，金刚丝22也产生平动，而金刚丝22的另一端与固定端子25相连，并不运动，因此金刚丝22被拉紧，从而实现预紧。
防旋槽20与紧定螺栓19的紧定螺栓端帽19a均为多边形结构，且边数相同，可以为四边、六边形。
力传感器24的作用是测试金刚丝22的受力，包括初始预紧力和切割过程中的切削力。
具体工作时：
(1)金刚丝22一端穿过金刚丝孔23和力传感器24与固定端子25相连，一端穿过紧定螺栓19内的金刚丝通道21与紧定螺栓19的紧定螺栓螺纹段19b端部固定连接；
(2)旋转紧定螺母18，因紧定螺栓19的紧定螺栓端帽19a无法旋转，故沿防旋槽20平动，金刚丝22被张紧；
(3)通过力传感器24读出当前的预紧力，直至达到预设值；
(4)将外部电源与电源接口1相连，交流电通过电极线14传输至压电片17；
(5)压电片17产生高频振动，并将振动传递至变幅杆8；
(6)变幅杆8将压电片振动的幅值放大，并传递至线锯框架10和金刚丝22；
(7)高频往复振动的金刚丝22实现对硬脆材料的切割。

Claims (5)

1.一种智能超声线锯，其特征在于：该超声线锯主要由两部分组成，一部分为超声驱动部分，一部分为线锯装夹部分；
超声驱动部分包括压电片、电极线、反作用质量、变幅杆、中心螺栓、端盖，利用电源驱动使压电片产生高频振动，并经变幅杆将振动幅值放大，以传递给线锯装夹部分；压电片、反作用质量、变幅杆由中心螺栓串接在一起，其中压电片位于反作用质量和变幅杆之间；端盖位于超声驱动部分的最外层，起防护作用；
线锯装夹部分包括线锯框架、紧定螺母、紧定螺栓、金刚丝、力传感器、固定端子，其中，线锯框架上设置有线锯槽、防旋槽和金刚丝孔；线锯装夹部分将金刚丝线锯固定在线锯槽内，并施加一定预紧力，高频振动的情况下对硬脆材料产生切割作用；线锯框架与变幅杆固定连接；金刚丝位于线锯槽内，一端穿过金刚丝孔后通过力传感器与固定端子相连，另一端穿过紧定螺栓内部的金刚丝通道，一直延伸到线锯槽的外部，并与紧定螺栓固定在一起。
2.根据权利要求1所述的智能超声线锯，其特征在于：所述的端盖上设置有电路通道，可以将外部电源引入。
3.据权利要求1所述的智能超声线锯，其特征在于：所述的端盖上设置有冷却入口和出口，使冷却气体由冷却入口进入内部，换热后由冷却出口排出，实现对压电片降温的作用。
4.据权利要求1所述的智能超声线锯，其特征在于：所述的金刚丝长度在一米以内，可以为单股也可以为多股。
5.据权利要求1所述的智能超声线锯，其特征在于：所述的防旋槽为多边形结构，紧定螺栓的螺帽端位于防旋槽内，可防止紧定螺栓在金刚丝预紧过程中转动。
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