CN111843518A - 一种数控机床超声加工用质量块 - Google Patents

Abstract

本申请的一种数控机床超声加工用质量块，将钻头超声振动所用的质量块设置为可开合结构，且末端包括夹持尾端，在钻头进行超声加工需要夹持质量块不动时，通过质量块夹持装置夹紧夹持尾端，使得质量块为打开状态，此时，质量块远离变幅杆，能避免夹持不动的质量块对钻头的影响，彻底杜绝了固定不动的质量块对于超声加工的影响，同时，还在变幅杆上设置了防止质量块转动的滑槽结构，从而使得夹持装置能够快速夹持质量块。

Description

一种数控机床超声加工用质量块

技术领域

本发明涉及数控加工技术领域，具体涉及一种数控机床超声加工用质量块。

背景技术

数控加工，是用数字信息控制零件和刀具位移的机械加工方法，具有加工效率高、产品质量稳定等优点，因此，其一直为人们研究的热点，目前，为了适应硬脆材料如红外光学晶体、工程陶瓷、光学玻璃、石英、硅晶体的精密加工，现在常用的是将超声加工技术应用到数控机床上，提高工件加工精度。如专利文献1，其公开了一种复频数控超声加工方法及辅助装置和加工钻床，该数控加工方法中，将超声加工技术应用到了数控机床上，且在针对刀具出入加工材料表面产生的崩边问题，其提出了夹紧质量块自由振动以去除耦合的低频大振幅的振动，而在进入加工材料表面后又松开夹持装置使质量块自由振动的加工方法，但是该加工方法存在如下缺陷：a、夹紧装置将质量块夹紧时，变幅杆9上的振动仍然会通过质量块传递到夹紧装置上，使得夹紧装也产生振动，该振动又反作用到变幅杆9上，另一方面该振动还会传递到工作台8上，进而有可能与超声发生器或机架或支撑架产生共振，最终影响钻头的加工，引入过多不确定因素，使得超声发生器的振动变得不可控，降低加工精度；b、质量块在变幅杆9上来回滑动，夹紧装置在夹紧质量块时，其受到的冲击力较大，影响夹紧装置使用寿命。又如专利文献2，其公开了一种工程陶瓷复频超声加工装置，该加工装置使用超声波进行加工，为了提高加工速度和加工质量，其无旋转运动，无需保持旋转力矩，其通过自由质量套管的碰撞完成积蓄、传递能量的过程，但是该自由质量套的运动是自由的，其并没有意识到通过夹紧质量套或松开质量套改变振动频率，以对工件进行加工。又如专利文献3，其公开了一种复合振动钻削装置及加工方法，其针对不同材料的材料属性差异，复合超声或者低频轴向振动，通过振动控制器实现加工过程中进行振动钻削与超声振动钻削与低频振动钻削的转换，获得高质量的制孔，但是，该钻削装置中的低频振动发声器采用凸轮装置，并使用电机进行驱动，从而产生低频振动，虽然该该装置低频振动是可以通过电机调整的，但是，其装置结构复杂。

[专利文献1]CN110216301A；

[专利文献2]CN106313340A；

[专利文献3]CN107262761A。

综上所述，现有技术中，对于硬脆材料的加工，虽然综合使用超声、质量块进行复频数控超声加工，也意识到了工件表面崩碎需要去除耦合低频大振幅的振动，但是其并没有考虑到夹紧质量块的夹紧装置同样会将振动传递到机架、并且也会反作用于变幅杆，甚至有可能使得机架产生共振，影响加工精度以及设备寿命，也没有意识到夹紧装置在夹紧来回振动的质量块时会受到较大冲击，影响夹紧装置使用寿命的问题，基于此，本申请提供了将质量块设置为开合结构的质量块，在去耦合质量块振动时，通过夹紧装置夹紧质量块端部，从而将其从变幅杆上取下，在需要耦合质量块振动时，又将质量块夹紧入变幅杆上，能够进一步提高工件加工质量。

发明内容

为了克服现障碍检测系统的不足，本发明提供了一种技术方案，一种数控机床超声加工用质量块，其滑动套设于变幅杆上，在刀具进入工件表面或离开工件表面时，利用质量夹持装置使得质量块脱离变幅杆；在刀具加工工件内部时，松开质量夹持装置以使得质量块自由振动。

优选地，质量块包括上夹持部、下夹持部、铰接轴以及顶压弹簧，上夹持部和下夹持部铰接于铰接轴，从而形成一开合结构，上夹持部包括位于头端用于夹持阶梯轴的上半圆夹体、位于尾端与质量块夹持装置配合的下夹持尾端以及用于连接上半圆夹体和下夹持尾端的上夹持主体，下夹持部包括位于头端用于夹持阶梯轴的下半圆夹体、位于尾端与质量块夹持装置配合的上夹持尾端以及用于连接下半圆夹体和上夹持尾端的下夹持主体，顶压弹簧固定设置于上夹持尾端和下夹持尾端之间，且顶压上夹持尾端和下夹持尾端，从而使得上半圆夹体和下半圆夹体处于卡紧状态。

优选地，上半圆主体和下半圆主体具有与阶梯轴相同的半径R，位于上夹持主体和下夹持主体上的铰接轴的轴心到阶梯轴的轴心的距离L大于半径R。

优选地，在上半圆夹体内设置了一限位凸条，在下半圆夹体内设置了一下限位凸条，且在阶梯轴两端分别设置了与其配合使用的限位凹槽。

优选地，限位凸条为圆弧状结构。

优选地，在上夹持尾端上设置有上卡齿，在下夹持尾端下端设置有下卡齿，且在质量块夹持装置内设置有与上卡齿和下卡齿分别配合的定位齿，且上卡齿和下卡齿为一系列三角块构成的齿状结构，且该三角块沿与铰接轴轴心平行的方向延伸布置。

优选地，质量块为关于经过阶梯轴轴心和铰接轴轴心的轴线A对称布置。

优选地，质量块包括多种不同重量的多种型号，在加工前根据不同加工需要选择不同型号的质量块。

优选地，质量块夹持装置包括支撑竖杆、动力箱、两夹持臂以及两夹持卡头，支撑竖杆固定设置于支撑架上，动力箱固定设置于支撑竖杆一侧，两夹持臂滑动设置于动力箱内，夹持卡头通过缓冲机构连接于夹持臂的末端，且能够相对于夹持臂进行竖向滑动，动力箱内设置有驱动两夹持臂相互靠近或远离的动力机构，夹持臂通过动力机构来夹紧质量块或松开质量块。

优选地，缓冲机构包括滑动轴、上缓冲弹簧、下缓冲弹簧和设置于夹持臂末端的上支撑板、下支撑板，滑动轴竖向设置于上支撑板和下支撑板之间，夹持卡头包括夹持爪和滑动块，滑动块滑动设置于滑动轴上，上缓冲弹簧和下缓冲弹簧均套设于滑动轴上，且上缓冲弹簧位于滑动块和上支撑板之间，下缓冲弹簧位于滑动块和下支撑板之间，通过上缓冲弹簧和下缓冲弹簧实现夹持爪的缓冲。

优选地，动力机构包括驱动齿轮、驱动齿条I和驱动齿条II，驱动齿轮转动设置于动力箱内部，通过电机进行驱动转动，驱动齿条I和驱动齿条II均包括与驱动齿轮啮合的齿结构，驱动齿条I和驱动齿条II对称布置于驱动齿轮的两端，且驱动齿条I和驱动齿条II的末端分别固定连接于夹持臂的端部，夹持臂滑动设置于动力箱内，动力箱内设置有引导其进行水平滑动的滑动结构。

优选地，动力箱内还设置有引导齿条进行横向滑动的导向结构。

优选地，滑动块为方形结构，且后端紧贴夹持臂末端，从而保证夹持卡头仅能相对于夹持臂进行上下滑动，而不会发生相对转动，保证夹持爪能够稳定的夹持质量块的夹持尾端。

优选地，夹持爪包括定位齿，该定位齿的齿结构与上卡齿、下卡齿结构相同。

本发明的有益效果为：

1)、本发明的一种数控机床超声加工用质量块，意识到在将质量块夹紧时其存在影响工件加工质量的问题，通过将传统的一体加工完成的质量块设置为分体结构，在需要去耦合低频振动需要固定质量块时，通过夹紧装置夹紧质量块的夹持尾端，使得质量块为打开状态，将质量块从变幅杆上取下，避免了质量块在不动时传递振动、反作用于变幅杆的情况，提高了数控超声加工装置的加工精度、同时提高了设备使用寿命；

2)、进一步地，本发明的一种数控机床超声加工用质量块，由可开合的上夹持部和下夹持部组成，且上夹持部和下夹持部均包括了半圆夹体、夹持主体和夹持尾端，半圆夹体之间扣合时能够卡合于变幅杆的阶梯轴上，本申请的质量块为夹爪结构，由上夹持部和下夹持部通过铰接轴后形成剪叉结构，通过与质量块配合使用的质量块夹持装置来实现质量块的耦合或者脱离；

3)、进一步地，在质量块内部设置有限位凸条结构，从而使得质量块仅能在变幅杆上沿轴向滑移，使得质量块末端的夹持尾端始终位于质量块夹持装置内部，方便质量块夹持装置末端的夹持爪快速定位质量块，且在夹持爪末端与质量块夹持尾端均设置有卡齿结构，保证夹持装置在夹紧质量块时仍然能够精确的保证质量块位置，方便质量块快速卡设于阶梯轴外；

4)、进一步地，且在夹持尾端设置有保持上夹持部和下夹持部夹紧于阶梯轴外表面的顶压弹簧结构，铰接轴轴心与阶梯轴轴心的距离大于上半圆夹体和下半圆夹体的半径长度，从而使得，质量块夹持装置在夹紧质量块夹持尾端时，上半圆夹体和下半圆夹体绕着铰接轴进行转动，从而保证夹持装置在夹紧质量块夹持尾端时，上半圆夹体和下半圆夹体与阶梯轴不接触，解决了固定设置的质量块对变幅杆的影响，进一步提高了加工精度和质量；

5)、进一步的，为了保证质量块夹持装置在夹持质量块时能够将质量块平稳准确的保持在原位，适应了工件加工时需要快速切换质量块耦合或者礼盒的需求，防止在需要质量块快速卡合变幅杆上的阶梯轴时偏离阶梯轴，影响加工工件的质量和精度；

6)、进一步地，为了使得质量块在质量块夹持装置放松夹紧质量块时，质量块由于顶压弹簧的压力，而能够快速的将限位凸条和限位凹槽进行快速对正卡合，使得限位凸条为圆弧状结构，从而使得质量块能够对正卡紧阶梯轴，进一步提高加工精度和质量；

7)、进一步地，创造性的将质量块设置为由上夹持部和下夹持部组成的剪叉结构，能够在质量块磨损需要更换时，方便进行操作，且可以同时设置不同型号、不同重量的多个可自由进行更换的质量块，在针对不同材料进行加工时，可以根据实际需要选择不同型号的质量块进行加工，进一步提高了设备的适用性。

附图说明

图1为本发明的数控超声加工机床结构示意图；

图2为图1的局部放大示意图；

图3为本发明的质量块夹持装置结构示意图；

图4为本发明的质量块结构示意图。

标号说明

1、工作台；2、滑动底座；3、支撑架；4、超声换能器；5、变幅杆；6、钻头；7、阶梯轴；8、质量块；9、质量块夹持装置；10、支撑竖杆；11、动力箱；12、夹持臂；13、夹持卡头；14、缓冲机构；15、滑动轴；16、上缓冲弹簧；17、下缓冲弹簧；18、上支撑板；19、下支撑板；20、滑动块；21、夹持爪；22、定位齿；23、驱动齿轮；24、驱动齿条I；25、驱动齿条II；26、上夹持主体；27、下夹持主体；28、铰接轴；29、顶压弹簧；30、上半圆夹体；31、下夹持尾端；32、下半圆夹体；33、上夹持尾端；34、上卡齿；35、下卡齿；36、上限位凸条；37、下限位凸条；38、限位凹槽；39、支撑竖架；40、支撑横板；41、上夹持部；42、下夹持部。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。

如图1-3所示，本发明的超声加工数控机床，包括：工作台1、滑动底座2、支撑架3、超声换能器4、变幅杆5、质量块8、钻头6和质量块夹持装置9，滑动底座2滑动设置于工作台1上，支撑架3固定设置于滑动底座2上，变幅杆5通过支撑架3固定设置于滑动底座2上，变幅杆5下端设置有与其连接的超声换能器4，钻头6固定设置于变幅杆5上端，变幅杆5的上端设置有阶梯轴7，质量块8滑动设置于阶梯轴7外端，质量块8为可开合结构，并通过设置于支撑架3上的质量块夹持装置实现质量块8的结合或脱离。

如图4所示，质量块8包括上夹持部41、下夹持部42、铰接轴28以及顶压弹簧29，上夹持部41和下夹持部42铰接于铰接轴28，从而形成一开合结构，上夹持部41包括位于头端用于夹持阶梯轴7的上半圆夹体30、位于尾端与质量块夹持装置配合的下夹持尾端31以及用于连接上半圆夹体30和下夹持尾端31的上夹持主体26，下夹持部42包括位于头端用于夹持阶梯轴7的下半圆夹体32、位于尾端与质量块夹持装置配合的上夹持尾端33以及用于连接下半圆夹体32和上夹持尾端33的下夹持主体27，顶压弹簧29固定设置于上夹持尾端33和下夹持尾端31之间，且顶压上夹持尾端33和下夹持尾端31，从而使得上半圆夹体30和下半圆夹体32处于卡紧状态；优选地，上半圆主体30和下半圆主体32具有与阶梯轴7相同的半径R，位于上夹持主体26和下夹持主体27上的铰接轴28的轴心到阶梯轴7的轴心的距离L大于半径R，从而使得质量块8在通过质量块夹持装置9夹持时，能够与阶梯轴7分离而不会接触到阶梯轴7，从而避免了在限定质量块动作时还影响钻头6的作业，从而提高钻头6的加工质量。

优选地，为了保证质量块的夹持尾端(上夹持尾端33和下夹持尾端31)在质量块夹持装置9在每次夹持或松开时都能位于质量块夹持装置9内，在上半圆夹体30内设置了一限位凸条36，在下半圆夹体32内设置了一下限位凸条37，且在阶梯轴7两端分别设置了与其配合使用的限位凹槽38；优选地，为了使得质量块在从张开状态变换到闭合状态时，能够自动调整位置，使得限位凸条为圆弧状结构，从而使得在处于闭合状态时能够自动找正。

优选地，为了使得质量块8在由质量块夹持装置9进行夹持时，其位置不会发生偏移，在上夹持尾端33上设置由上卡齿34，在下夹持尾端31下端设置由下卡齿35，且在质量块夹持装置9内设置有与上卡齿和下卡齿分别配合的定位齿22，且上卡齿和下卡齿为一系列三角块构成的齿状结构，且该三角块沿与铰接轴28轴心平行的方向延伸布置。优选地，质量块8为沿经过阶梯轴7轴心和铰接轴28轴心的轴线A对称布置，即关于轴线A镜像布置。

优选地，为了适应不同工件需要不同频率进行超声加工，使得质量块8包括多种不同重量的多种型号，在加工前根据不同加工需要选择不同型号的质量块8。

如图2-3所示，本发明的质量块夹持装置9包括支撑竖杆10、动力箱11、两夹持臂12以及两夹持卡头13，支撑竖杆10固定设置于支撑架3上，动力箱11固定设置于支撑竖杆10一侧，两夹持臂12滑动设置于动力箱11内，夹持卡头13通过缓冲机构14连接于夹持臂12的末端，且能够相对于夹持臂12进行竖向滑动，动力箱11内设置有驱动两夹持臂12相对靠近或远离的动力机构，夹持臂12通过动力机构来夹紧质量块8或松开质量块8。

优选地，动力机构包括驱动齿轮23、驱动齿条I24和驱动齿条II25，驱动齿轮23转动设置于动力箱11内部，通过电机进行驱动转动，驱动齿条I24和驱动齿条II25均包括与驱动齿轮23啮合的齿结构，驱动齿条I24和驱动齿条II25对称布置于驱动齿轮23的两端，且驱动齿条I24和驱动齿条II25的末端分别固定连接于夹持臂12的端部，夹持臂12滑动设置于动力箱11内，动力箱11内设置有引导其进行水平滑动的滑动结构，如通过滑轨、滑轮结构，该滑动结构不是此处重点故没有详细描述。优选地，动力箱11内还设置有引导齿条进行横向滑动的导向结构，如通过设置多处导轮以引导齿条仅能进行左右滑动而不能发生转动。

优选地，缓冲机构14包括滑动轴15、上缓冲弹簧16、下缓冲弹簧17和设置于夹持臂末端的上支撑板18、下支撑板19，滑动轴15竖向设置于上支撑板18和下支撑板19之间，夹持卡头13包括夹持爪21和滑动块20，滑动块20滑动设置于滑动轴15上，上缓冲弹簧16和下缓冲弹簧17均套设于滑动轴15上，且上缓冲弹簧16位于滑动块20和上支撑板18之间，下缓冲弹簧17位于滑动块20和下支撑板19之间，通过上缓冲弹簧和下缓冲弹簧实现夹持爪21的缓冲；

优选地，滑动块20为方形结构，且后端紧贴夹持臂末端，从而保证夹持卡头13仅能相对于夹持臂12进行上下滑动，而不会发生相对转动，保证夹持爪21能够稳定的夹持质量块8的夹持尾端(上夹持尾端33和下夹持尾端31)。

优选地，夹持爪21包括定位齿22，该定位齿22的齿结构与上卡齿34、下卡齿35结构相同。

进一步地，支撑架3包括支撑竖架39和支撑横板40，变幅杆5固定设置于支撑横板40上。

进一步地，为了保证夹持卡块13能够随时根据实际需要夹持住质量块8的夹持尾端，使得夹持爪21的竖向尺寸大于或等于阶梯轴7的长度，从而能够保证随时夹持住质量块8。

进一步地，还包括一种改进复频数控超声加工方法，具体为，在刀具进入工件表面或离开工件表面时，利用质量夹持装置9使得质量块8脱离变幅杆；在刀具加工工件内部时，松开质量夹持装置9以使得质量块自由振动。

本发明的超声加工数控机床的工作过程为：通过调节滑动底座2和工作台1之间的X向进给机构和Y向进给机构(如通过电机带电动丝杆实现X和Y向进给)调整滑动底座2的位置，然后调整位于钻头6上端的可以进行Z向动作(如通过电机电动丝杆完成Z向动作)的加工台的位置，最后，使得钻头6穿过加工台对待加工工件由下至上进行如切削加工。在钻头6进出工件表面时，驱动质量夹持装置9中的夹持臂12相向动作，通过质量夹持装置9夹持质量块8的夹持尾端，克服顶压弹簧29的弹力，从而使得质量块8处于打开状态，质量块8脱离变幅杆5，同时，夹持卡头13和夹持臂12之间的缓冲机构14吸收质量块8对夹持臂12的冲击，在钻头6加工工件内部时，松开质量块8，让其自由振动，进而进一步提高了工件加工精度，同时，在加工工件前，可以根据不同工件的材料性质选择不同型号的质量块来卡合变幅杆5以进行工件加工。

通过以上描述可知本申请的数控机床超声加工用质量块，将钻头超声振动所用的质量块设置为可开合结构，且末端包括夹持尾端，在钻头进行超声加工需要夹持质量块不动时，通过质量块夹持装置夹紧夹持尾端，使得质量块为打开状态，此时，质量块远离变幅杆，能避免夹持不动的质量块对钻头的影响，彻底杜绝了固定不动的质量块对于超声加工的影响，同时，还在变幅杆上设置了防止质量块转动的滑槽结构，从而使得夹持装置能够快速夹持质量块。

Claims (10)

1.一种数控机床超声加工用质量块，其滑动套设于变幅杆上，其特征在于：在刀具进入工件表面或离开工件表面时，利用质量夹持装置(9)使得质量块(8)脱离变幅杆；在刀具加工工件内部时，松开质量夹持装置(9)以使得质量块自由振动。

2.如权利要求1所述的一种数控机床超声加工用质量块，其特征在于：质量块(8)包括上夹持部(41)、下夹持部(42)、铰接轴(28)以及顶压弹簧(29)，上夹持部(41)和下夹持部(42)铰接于铰接轴(28)，从而形成一开合结构，上夹持部(41)包括位于头端用于夹持阶梯轴(7)的上半圆夹体(30)、位于尾端与质量块夹持装置配合的下夹持尾端(31)以及用于连接上半圆夹体(30)和下夹持尾端(31)的上夹持主体(26)，下夹持部(42)包括位于头端用于夹持阶梯轴(7)的下半圆夹体(32)、位于尾端与质量块夹持装置配合的上夹持尾端(33)以及用于连接下半圆夹体(32)和上夹持尾端(33)的下夹持主体(27)，顶压弹簧(29)固定设置于上夹持尾端(33)和下夹持尾端(31)之间，且顶压上夹持尾端(33)和下夹持尾端(31)，从而使得上半圆夹体(30)和下半圆夹体(32)处于卡紧状态。

3.如权利要求2所述的一种数控机床超声加工用质量块，其特征在于：上半圆主体(30)和下半圆主体(32)具有与阶梯轴(7)相同的半径R，位于上夹持主体(26)和下夹持主体(27)上的铰接轴(28)的轴心到阶梯轴(7)的轴心的距离L大于半径R。

4.如权利要求2所述的一种数控机床超声加工用质量块，其特征在于：在上半圆夹体(30)内设置了一限位凸条(36)，在下半圆夹体(32)内设置了一下限位凸条(37)，且在阶梯轴(7)两端分别设置了与其配合使用的限位凹槽(38)。

5.如权利要求4所述的一种数控机床超声加工用质量块，其特征在于：限位凸条为圆弧状结构。

6.如权利要求2所述的一种数控机床超声加工用质量块，其特征在于：在上夹持尾端(33)上设置有上卡齿(34)，在下夹持尾端(31)下端设置有下卡齿(35)，且在质量块夹持装置(9)内设置有与上卡齿和下卡齿分别配合的定位齿(22)，且上卡齿和下卡齿为一系列三角块构成的齿状结构，且该三角块沿与铰接轴(28)轴心平行的方向延伸布置。

7.如权利要求2所述的一种数控机床超声加工用质量块，其特征在于：质量块(8)为关于经过阶梯轴(7)轴心和铰接轴(28)轴心的轴线A对称布置。

8.如权利要求2-7任意一项权利要求所述的一种数控机床超声加工用质量块，其特征在于：质量块(8)包括多种不同重量的多种型号，在加工前根据不同加工需要选择不同型号的质量块(8)。

9.如权利要求1所述的一种数控机床超声加工用质量块，其特征在于：质量块夹持装置(9)包括支撑竖杆(10)、动力箱(11)、两夹持臂(12)以及两夹持卡头(13)，支撑竖杆(10)固定设置于支撑架(3)上，动力箱(11)固定设置于支撑竖杆(10)一侧，两夹持臂(12)滑动设置于动力箱(11)内，夹持卡头(13)通过缓冲机构(14)连接于夹持臂(12)的末端，且能够相对于夹持臂(12)进行竖向滑动，动力箱(11)内设置有驱动两夹持臂(12)相互靠近或远离的动力机构，夹持臂(12)通过动力机构来夹紧质量块(8)或松开质量块(8)。

10.如权利要求9所述的一种数控机床超声加工用质量块，其特征在于：缓冲机构(14)包括滑动轴(15)、上缓冲弹簧(16)、下缓冲弹簧(17)和设置于夹持臂末端的上支撑板(18)、下支撑板(19)，滑动轴(15)竖向设置于上支撑板(18)和下支撑板(19)之间，夹持卡头(13)包括夹持爪(21)和滑动块(20)，滑动块(20)滑动设置于滑动轴(15)上，上缓冲弹簧(16)和下缓冲弹簧(17)均套设于滑动轴(15)上，且上缓冲弹簧(16)位于滑动块(20)和上支撑板(18)之间，下缓冲弹簧(17)位于滑动块(20)和下支撑板(19)之间，通过上缓冲弹簧和下缓冲弹簧实现夹持爪(21)的缓冲。

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