CN112496424B - 水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置 - Google Patents

水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置 Download PDF

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Abstract

水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置属于精密机械加工技术领域，解决了三维超声振动微铣削装置振动频率单一，切削效率和切削质量低下，自动化程度不高的技术问题。该装置包括：支撑单元、X方向滑台、Y方向滑台、X方向超声振子、Y方向超声振子、XY方向正交架、高频超声振子、微控水箱、微铣刀、高速气浮主轴、主轴Z方向滑台、相机Z方向滑台、相机Y方向滑台和观测相机；本装置属于小型精密加工机床，占地面积小，自动化程度高，操作要求低，大大降低使用成本。加工区域处于高频振子上方的水表层，使得加工过程在剧烈空化泡环境中进行，进一步改善加工过程中的散热条件，减少材料与刀具的粘粘，提高刀具寿命和已加工表面质量。

Description

水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置
技术领域
本发明属于精密机械加工技术领域，具体涉及一种水表层空化泡环境高低频复合三维超声振动微铣削装置。
背景技术
微铣削加工是最基本的微切削技术之一，也是最广泛应用于生产复杂微小结构件的加工方法。然而，微铣削加工不能直接被视为缩小尺寸的传统铣削方式，微铣削过程中的“尺寸效应”对微铣削力学、微铣削材料去除机理以及微铣刀磨损等方面有直接影响；由于微铣刀机械强度较弱，高速运动下直接作用于工件时，微铣刀更易磨损，严重时刀具会产生崩刃以及振颤现象，其完整性对加工过程的稳定性要求更高；与常规铣削表面相比，微铣削表面存在的微观缺陷对零件的使用寿命以及可靠性影响更大，同时，传统微铣削也存在加工效率较低。超声振动辅助切削的概念自提出以来，在几十年间取得了飞速的发展，大量的研究表明，超声振动辅助切削具备的分离、冲击、等特性使其在降低切削力、提高刀具寿命、提高加工效率、保证切削质量等方面具有较大优势。然而，现有的超声振动辅助加工技术大多只考虑从刀具与工件的运动角度利用超声振动提高切削效果，而在空化泡环境中利用剧烈的空化效果，促进切削液快速流动，雾化，冲击加工表面与刀具，改善切削条件的较少，尤其是在空化作用更加剧烈的水表层；目前已有的三维超声振动微铣削装置振动频率多为单一频段，而高低频复合振动三维切削能够进一步提高切削效率，提升切削质量，而这一方面涉及的相关研究与相应设备较少。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置，解决了现有技术中三维超声振动微铣削装置振动频率单一，切削效率和切削质量低下，自动化程度不高的技术问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置，该装置包括：支撑单元、X方向滑台、Y方向滑台、X方向超声振子、Y方向超声振子、XY方向正交架、高频超声振子、水位传感器、位移传感器、微控水箱、微铣刀、高速气浮主轴、主轴Z方向滑台、相机Z方向滑台、相机Y方向滑台和观测相机；所述X方向滑台和Y方向滑台从下到上依次设置在所述支撑单元的水平部件上，控制设置在所述Y方向滑台上的微控水箱在X方向和Y方向的运动；所述XY方向正交架和水位传感器设置在所述微控水箱内，所述位移传感器安装在所述XY方向正交架上；所述XY方向正交架的两端分别连接X方向超声振子和Y方向超声振子，所述XY方向正交架的上表面设有所述高频超声振子，待加工的微小工件设置在所述高频超声振子上方；在支撑单元的竖直部件上，靠近微控水箱方向设有主轴Z方向滑台，所述高速气浮主轴设置在所述主轴Z方向滑台的端面上，所述高速气浮主轴下设有微铣刀；在支撑单元的竖直部件上，远离微控水箱方向设有相机Z方向滑台，所述相机Z方向滑台的下端面上设有相机Y方向滑台，所述相机Y方向滑台的下端面安装观测相机，所述相机Z方向滑台和相机Y方向滑台控制所述观测相机在支撑单元的竖直部件的镂空空间内往复运动；工作时将微控水箱内水位调整至淹没加工区域的深度，打开高频超声振子，根据空化效果设置水位传感器的数值反馈给计算机，计算机自动调整水位的高低；打开X方向超声振子和Y方向超声振子，位移传感器将测得XY方向正交架的振动位移反馈给计算机，计算机自动调整X方向超声振子和Y方向超声振子超声波发生器电流；计算机根据设计图纸控制电机移动X方向滑台、主轴Z方向滑台、Y方向滑台进行切削加工；相机Z方向滑台与主轴Z方向滑台由计算机并联控制，实现Z向同步位移；相机Y方向滑台由计算机控制调焦，实现对微铣刀和微小工件的在线观测。
优选的，所述X方向滑台通过XY滑台垫板安装在所述支撑单元的水平部件上。
优选的，所述微控水箱通过超声振子座压板和超声振子座底板安装在所述Y方向滑台的上表面。
优选的，所述微控水箱上设有进水口和出水口。
优选的，所述X方向超声振子和Y方向超声振子的轴肩分别通过各自的超声振子压盖压紧在各自的超声振子座内阶梯孔上，由此固定在所述微控水箱内。
优选的，所述支撑单元的水平部件固定在支撑单元的竖直部件上，所述XY滑台垫板安装在支撑单元的水平部件上，所述主轴Z滑台垫板与相机Z滑台垫板安装在支撑单元的竖直部件两侧，皆通过安装柱装配。
优选的，所述相机Z方向滑台的侧端面与相机滑台L连接板的侧端面连接，所述相机滑台L连接板的下端面与相机Y方向滑台的上端面连接。
优选的，所述观测相机通过相机垫板与所述相机Y方向滑台的下端面连接。
优选的，所述微控水箱为透明材质构成。
优选的，所述X方向超声振子和Y方向超声振子的振动频率小于高频超声振子的振动频率，且所述高频超声振子、X方向超声振子和Y方向超声振子做防水绝缘处理。
本发明的有益效果是：
1、在二维椭圆振动切削的基础上，施加另一方向的高频超声振动实现高低频复合三维振动切削，提升刀具对材料的瞬时作用能，进一步提高了微铣削效率。
2、加工区域处于高频振子上方的水表层，这使得加工过程在剧烈空化泡环境中进行，加速切削液流动，进一步改善加工过程中的散热条件，减少材料与刀具的粘粘，提高刀具寿命，提高已加工表面质量。
3、主轴进给滑台与相机滑台使用并联控制，驱动器输出同相位脉冲，在加工过程中实现同步观测，缩短刀具、工件的检测时间，提高了加工效率。
4、本装置属于小型精密加工机床，占地面积小，自动化程度高，操作要求低，大大降低使用成本。
附图说明
图1本发明水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置立体示意图。
图2本发明水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置侧视图。
图3本发明水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置局部放大图。
图中：1、主轴Z滑台垫板，2、大理石方箱，3、主轴Z方向滑台，4、主轴座垫板，5、高速气浮主轴，6、主轴套，7、主轴座，8、微铣刀，9、微控水箱，9-1、入水口，9-2、出水口，10、Y方向滑台，11、大理石底座，12、橡胶减震座，13、相机Z方向滑台，14、相机Z滑台垫板，15、相机滑台L连接板，16、相机Y方向滑台，17、相机垫板，18、观测相机，19、微小工件，20、高频超声振子，21、XY方向正交架，22、Y超声振子座，23、Y超声振子压盖，24、Y方向超声振子，25、XY滑台垫板，26、X方向滑台，27、超声振子座底板，28、超声振子座压板，29、X方向超声振子，30、X超声振子压盖，31、X超声振子座。
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。
如图1-图3所示，水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置包括：主轴Z滑台垫板1、大理石方箱2、主轴Z方向滑台3、主轴座垫板4、高速气浮主轴5、主轴套6、主轴座7、微铣刀8、微控水箱9、入水口9-1、出水口9-2、Y方向滑台10、大理石底座11、橡胶减震座12、相机Z方向滑台13、相机Z滑台垫板14、相机滑台L连接板15、相机Y方向滑台16、相机垫板17、观测相机18、高频超声振子20、XY方向正交架21、Y超声振子座22、Y超声振子压盖23、Y方向超声振子24、XY滑台垫板25、X方向滑台26、超声振子座底板27、超声振子座压板28、X方向超声振子29、X超声振子压盖30、X超声振子座31。
大理石方箱2由螺钉通过第一安装柱、第二安装柱安装在大理石底座11上，所述大理石底座11的四角设有橡胶减震座12；所述大理石方箱2和大理石底座11组成支撑单元。XY滑台垫板25由螺钉通过第四安装柱安装在安装在大理石底座11上，X方向滑台26通过螺钉安装在XY滑台垫板25上，X方向滑台26上端面与Y方向滑台10底部通过螺钉紧固安装。所述微控水箱9内设有水位传感器、位移传感器、微小工件19、高频超声振子20、XY方向正交架21、Y超声振子座22、Y超声振子压盖23、Y超声振子24、超声振子座底板27、超声振子座压板28、X方向超声振子29、X超声振子压盖30和X超声振子座31。X方向超声振子29的轴肩由X超声振子压盖30压紧在X超声振子座31内阶梯孔上；Y方向超声振子24的轴肩由Y超声振子压盖23压紧在Y超声振子座22内阶梯孔上。位移传感器安装在所述XY方向正交架21上；XY方向正交架21两端通过不锈钢螺纹杆分别与X方向超声振子29和Y方向超声振子24的两端面连接。X超声振子座31与Y超声振子座22底部台阶由超声振子座压板28压紧在超声振子座底板27上；超声振子座底板27通过螺钉安装在Y方向滑台10上端面。高频超声振子20通过螺钉固定在XY方向正交架21上表面，微小工件19通过胶粘的方式安装在高频超声振子20上。所述X方向超声振子29和Y方向超声振子24的振动频率小于高频超声振子20的振动频率，本实施例中，X方向超声振子29和Y方向超声振子24的振动频率是20k，高频超声振子20的振动频率是200k，且所述高频超声振子20、X方向超声振子29和Y方向超声振子24做防水绝缘处理。微控水箱9安装在超声振子座压板28上，并由防水胶做防水处理。微控水箱9为透明材料构成，上面安装出水口9-2和入水口9-1，用于调整水位的高度。
主轴Z滑台垫板1与相机Z滑台垫板14通过第三安装柱以及螺钉安装在大理石方箱2两侧。主轴Z方向滑台3通过螺钉安装在主轴Z滑台垫板1上，主轴座垫板4通过螺钉安装在主轴Z方向滑台3上端面上，主轴座7底部通过螺钉安装在主轴座垫板4上。高速气浮主轴5通过主轴套6安装在主轴座7内孔内，高速气浮主轴5可通过主轴套6由紧定螺钉抱死。微铣刀8安装在高速气浮主轴5前端。
相机Z方向滑台13通过螺钉安装在相机Z滑台垫板14上，相机滑台L连接板15通过螺钉安装在相机Z方向滑台13上端面上。相机Y方向滑台16底部通过螺钉连接在相机滑台L连接板15下端面，同时，观测相机18通过相机垫板17、螺钉安装在相机Y方向滑台16上端面。
工作时，先将微小工件19胶结在高频超声振子20上，随后由计算机控制微孔水泵将微控水箱9内水位调整至淹没加工区域一定深度，本实施例中，淹没加工区域的深度为3-5mm。打开高频超声波发生器并保持常开，根据空化效果再次调整水位传感器数值并设置数值，传给计算机后，计算机会自动调整水位。加工前，打开滑台控制器与低频超声控制器，位移传感器将测得的振动位移反馈给计算机，以此自动调整超声波发生器电流。随后，计算机根据图纸控制电机移动X方向滑台26、主轴Z方向滑台3、Y方向滑台10进行切削加工。相机Z方向滑台13与主轴Z方向滑台3由计算机并联控制，以实现Z向同步位移，实施对以加工区域进行观测。相机Y方向滑台16由计算机控制调焦，实现对刀具、工件的在线观测。

Claims (9)

1.水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置，其特征在于，该装置包括：支撑单元、X方向滑台、Y方向滑台、X方向超声振子、Y方向超声振子、XY方向正交架、高频超声振子、水位传感器、位移传感器、微控水箱、微铣刀、高速气浮主轴、主轴Z方向滑台、相机Z方向滑台、相机Y方向滑台和观测相机；所述X方向滑台和Y方向滑台从下到上依次设置在所述支撑单元的水平部件上，控制设置在所述Y方向滑台上的微控水箱在X方向和Y方向的运动；所述XY方向正交架和水位传感器设置在所述微控水箱内，所述位移传感器安装在所述XY方向正交架上；所述XY方向正交架的两端分别连接X方向超声振子和Y方向超声振子，所述XY方向正交架的上表面设有所述高频超声振子，待加工的微小工件设置在所述高频超声振子上方；在支撑单元的竖直部件上，靠近微控水箱方向设有主轴Z方向滑台，所述高速气浮主轴设置在所述主轴Z方向滑台的端面上，所述高速气浮主轴下设有微铣刀；在支撑单元的竖直部件上，远离微控水箱方向设有相机Z方向滑台，所述相机Z方向滑台的下端面上设有相机Y方向滑台，所述相机Y方向滑台的下端面安装观测相机，所述相机Z方向滑台和相机Y方向滑台控制所述观测相机在支撑单元的竖直部件的镂空空间内往复运动；工作时将微控水箱内水位调整至淹没加工区域的深度，打开高频超声振子，根据空化效果设置水位传感器的数值反馈给计算机，计算机自动调整水位的高低；打开X方向超声振子和Y方向超声振子，位移传感器将测得XY方向正交架的振动位移反馈给计算机，计算机自动调整X方向超声振子和Y方向超声振子超声波发生器电流；计算机根据设计图纸控制电机移动X方向滑台、主轴Z方向滑台、Y方向滑台进行切削加工；相机Z方向滑台与主轴Z方向滑台由计算机并联控制，实现Z向同步位移；相机Y方向滑台由计算机控制调焦，实现对微铣刀和微小工件的在线观测；所述X方向超声振子和Y方向超声振子的振动频率小于高频超声振子的振动频率，且所述高频超声振子、X方向超声振子和Y方向超声振子做防水绝缘处理。
2.根据权利要求1所述的水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置，其特征在于，所述X方向滑台通过XY滑台垫板安装在所述支撑单元的水平部件上。
3.根据权利要求1所述的水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置，其特征在于，所述微控水箱通过超声振子座压板和超声振子座底板安装在所述Y方向滑台的上表面。
4.根据权利要求1或3所述的水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置，其特征在于，所述微控水箱上设有进水口和出水口。
5.根据权利要求1所述的水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置，其特征在于，所述X方向超声振子和Y方向超声振子的轴肩分别通过各自的超声振子压盖压紧在各自的超声振子座内阶梯孔上，由此固定在所述微控水箱内。
6.根据权利要求2所述的水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置，其特征在于，所述支撑单元的水平部件固定在支撑单元的竖直部件上，所述XY滑台垫板安装在支撑单元的水平部件上，所述主轴Z滑台垫板与相机Z滑台垫板安装在支撑单元的竖直部件两侧，皆通过安装柱装配。
7.根据权利要求1所述的水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置，其特征在于，所述相机Z方向滑台的侧端面与相机滑台L连接板的侧端面连接，所述相机滑台L连接板的下端面与相机Y方向滑台的上端面连接。
8.根据权利要求1所述的水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置，其特征在于，所述观测相机通过相机垫板与所述相机Y方向滑台的下端面连接。
9.根据权利要求1所述的水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置，其特征在于，所述微控水箱为透明材质构成。
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