CN112872922B - 一种多维超声振动辅助切削加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多维超声振动辅助切削加工装置，多孔超声变幅器的两侧分别依次连接超声变幅杆和超声换能器，两个超声换能器均与第一超声电源连接，多孔超声变幅器可将双向输入的水平超声振动转变为竖直超声振动，并负载两个工件在竖直平面内同步实现椭圆轨迹超声振动；旋转超声振动刀柄上固定有切削刀具，第二超声电源和旋转超声振动刀柄连接并提供高频电信号，采用切削刀具对椭圆超声振动工件表面进行切削加工，形成多维超声振动辅助切削加工过程。可负载一定尺寸规格和形状的工件实现椭圆超声振动而不需要对平台进行重新设计，提高了平台负载的灵活性，提高了切削加工效率，解决了目前二维超声振动负载工件实施超声振动的局限性问题。
Description
技术领域
本发明涉及超声振动辅助加工技术领域，尤其涉及一种多维超声振动辅助切削加工装置。
背景技术
随着航空航天领域的发展，对钛合金、碳纤维等难加工材料的切削加工要求越来越高，传统的切削加工方法难以满足微型工件中多维曲面、型腔等特征的高质量切削加工需求。因此如何提高难加工材料工件的切削加工质量和加工效率成为航天领域重点研究的关键问题之一。
超声振动辅助加工现已被认为是一种有助于提高加工效率，改善表面质量的加工技术。随着一维超声振动辅助加工的广泛应用，日本学者最早提出了二维超声振动辅助加工技术，在平面和垂直方向振动形成椭圆超声振动，能够改善表面质量，减少切削力，减少刀具磨损，是极具潜力的一种超声振动辅助加工技术。
目前，很多学者将二维超声振动辅助加工技术广泛应用在磨削加工中并得到了很好的效果。已有研究表明，椭圆超声振动辅助磨削可获得比普通磨削和一维超声振动辅助磨削更好的表面质量，同时更有利于降低磨削力和提高去除效率。但现有的椭圆超声振动辅助磨削工艺的加工对象多为规则形状工件，加工表面多为平面，超声振动多施加在规则平面形状的工件上，难以实现对具有曲面、型腔等复杂特征进行超声磨削加工，存在一定局限性。
对于微型难加工材料工件的大批量切削加工，设计和开发能够加工各种不同种类零件以及其各种复杂特征，且具有更高的切削加工性能的超声辅助切削加工装置已成为急需解决的关键技术问题。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明的实施例提供了一种多维超声振动辅助切削加工装置。
本发明的实施例提供一种多维超声振动辅助切削加工装置，包括工件二维超声振动系统和刀具旋转超声振动系统；
所述工件二维超声振动系统包括多孔超声变幅器、第一超声电源、两个超声变幅杆和两个超声换能器，所述多孔超声变幅器的两侧分别依次连接所述超声变幅杆和超声换能器，两个所述超声换能器均与所述第一超声电源连接，所述多孔超声变幅器顶部设有用于固定两个待加工工件的加工工位，所述多孔超声变幅器可将双向输入的水平超声振动转变为竖直超声振动，并负载两个待加工工件在竖直平面内同步实现椭圆轨迹超声振动；
所述刀具旋转超声振动系统包括旋转超声振动刀柄和第二超声电源，所述旋转超声振动刀柄上固定有切削刀具，所述第二超声电源和所述旋转超声振动刀柄连接并提供高频电信号，所述旋转超声振动刀柄用于与数控机床主轴相连接，所述切削刀具与所述待加工工件垂直设置，用于对所述待加工工件进行加工，采用刀具旋转超声振动系统对椭圆超声振动工件表面进行切削加工，即形成多维超声振动辅助切削加工过程。
进一步地，所述多孔超声变幅器、超声变幅杆和超声换能器均水平放置，两个所述超声变幅杆和超声换能器的结构和性能完全相同，所述第一超声电源同步输出两个频率相同且振动相位差连续可调的超声波信号，经两个所述超声换能器转换为相应的高频振动后，与多孔超声变幅器一起实现竖直平面内椭圆二维超声振动模态输出，并可通过对相位差的调节实现对椭圆振动模态的精确控制。
进一步地，所述旋转超声振动刀柄的变幅杆可选择设有螺旋槽。
进一步地，所述超声变幅杆为阶梯型超声变幅杆，所述超声变幅杆上设有法兰。
进一步地，所述法兰安装于法兰支撑座上。
进一步地，所述多孔超声变幅器和所述超声变幅杆之间通过双头螺栓连接。
进一步地，所述超声换能器和所述超声变幅杆之间通过双头螺栓连接。
进一步地，所述待加工工件与多孔超声变幅器之间通过石蜡粘贴固定或螺栓连接固定。
进一步地，所述多孔超声变幅器的主体为沿高度方向中部突出的上下对称凸台结构，上表面和下底面的四条边与中部凸台间分别通过4个圆弧面过渡，上凸台的上表面和下凸台的下表面上分别沿z方向均匀分布多个具有相同直径且上、下对称分布的螺纹盲孔，可实现工件的灵活装夹；多孔超声变幅器通过整体结构特性实现输入水平超声振动与输出竖直平面内椭圆二维超声振动的转换。
进一步地，所述的切削刀具包括铣削刀具或磨削金刚石磨头。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：基于优化设计的多孔超声变幅器的结构特性，将第一超声电源同步输出两个频率相同且振动相位差连续可调的高频电信号，经超声换能器转换为高频振动信号后，两个负载工件在多孔超声变幅器辐射面两端同步实现竖直平面内椭圆二维振动模态输出，可负载一定尺寸规格和形状的工件实现椭圆超声振动而不需要对平台进行重新设计，提高了平台负载的灵活性，提高了切削加工效率，解决了目前二维超声振动负载工件实施超声振动的局限性问题。
本发明可以通过相位差的调节实现对椭圆超声振动模态的精确控制，通过调节第一超声电源两个同频超声信号的相位差实现对工件椭圆二维超声振动模态的调节，从而基于不同的椭圆振动模态的切削加工特性，实现对工件的多维超声振动切削过程，突破了二维超声振动辅助加工的局限性，解决了难加工材料复杂特征和工艺的超声辅助加工问题。
本发明采用旋转超声振动刀具对椭圆超声振动难加工材料工件表面进行切削加工，即形成多维超声振动辅助切削加工过程，能够更有效的降低切削力，提高切削过程去除效率，减少刀具磨损，提高表面切削成形质量。
附图说明
图1是本发明提供的多维超声振动辅助切削加工装置一实施例的结构示意图；
图2是图1中多维超声振动辅助切削加工装置的正视图；
图3是图1中多孔超声变幅器的俯视图；
图4是图1中旋转超声振动刀柄(设有螺旋槽)的结构示意图；
图5是图1中旋转超声振动刀柄(未设有螺旋槽)的结构示意图；
图6是图1中多孔超声变幅器水平方向超声振动模态示意图；
图7是图1中多孔超声变幅器垂直方向超声振动模态示意图。
图中：1-超声换能器，2-超声变幅杆，3-紧定螺栓，4-法兰，5-待加工工件，6-第二超声电源，7-切削刀具，8-圆弧面，9-旋转超声振动刀柄，10-法兰支撑座，11-多孔超声变幅器，11a-加工工位，12-第一超声电源，13-双头螺栓，14-螺纹盲孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参见图1至图5，本发明的实施例提供一种多维超声振动辅助切削加工装置，包括工件二维超声振动系统和刀具旋转超声振动系统。
所述工件二维超声振动系统包括多孔超声变幅器11、第一超声电源12、两个超声变幅杆2和两个超声换能器1，所述多孔超声变幅器11的两侧分别依次连接所述超声变幅杆2和超声换能器1，具体的，所述多孔超声变幅器11和所述超声变幅杆2之间通过双头螺栓13连接，所述超声换能器1和所述超声变幅杆2之间通过双头螺栓13连接。两个超声变幅杆2、两个超声换能器1的结构和性能完全相同，超声换能器1为常规压电式超声换能器，超声变幅杆2为阶梯型超声变幅杆，所述超声变幅杆2上设有法兰4，所述法兰4安装于法兰支撑座10上，法兰支撑座10与法兰4通过紧定螺栓3对称连接固定，支撑整个二维超声振动系统并保持水平放置，法兰支撑座10底部通过螺栓与工作台连接固定。所述多孔超声变幅器11、超声变幅杆2和超声换能器1均水平放置，超声换能器1、超声变幅杆2、多孔超声变幅器11均采用16kHz～100kHz频率。
所述第一超声电源12与两个所述超声换能器1均电连接，请参见图6至图7，第一超声电源12同步输出两个频率相同且振动相位差连续可调的超声波信号，经两个超声换能器1转换为相应的高频振动后，与多孔超声变幅器11一起实现竖直平面内椭圆二维超声振动模态输出，并可通过对相位差的调节实现对椭圆振动模态的精确控制。
所述多孔超声变幅器11顶部设有用于固定两个待加工工件5的加工工位11a，所述多孔超声变幅器11的主体为沿高度方向中部突出的上下对称凸台结构，上表面为多孔超声变幅器11的辐射面，上表面和下底面的四条边与中部凸台间分别通过4个圆弧面8过渡，所述待加工工件5与多孔超声变幅器11之间可通过石蜡粘贴固定或螺栓连接固定，上凸台的上表面和下凸台的下表面上分别沿z方向均匀分布多个具有相同直径且上、下对称分布的螺纹盲孔14，所述螺纹盲孔14沿竖直方向的高度与上、下凸台高度相同，可实现工件的灵活装夹。两个加工工位11a为多孔超声变幅器11上表面左右两端(具体固定区域需要根据多孔超声变幅器11的振动仿真模态来确定)，待加工工件5固定于多孔超声变幅器11上后，可与多孔超声变幅器11一起在竖直平面内做椭圆超声振动。多孔超声变幅器11可将双向输入的水平超声振动转变为竖直超声振动实现超声谐振，多孔超声变幅器11通过整体结构特性实现输入水平超声振动与输出竖直平面内椭圆二维超声振动的转换。
所述刀具旋转超声振动系统包括旋转超声振动刀柄9和第二超声电源6，所述旋转超声振动刀柄9上固定有切削刀具7，所述第二超声电源6和所述旋转超声振动刀柄9电连接并提供高频电信号，第二超声电源6只输出一个超声波信号，其余功能参数和第一超声电源12相同。所述旋转超声振动刀柄9用于与数控机床主轴相连接，所述切削刀具7与所述待加工工件5垂直设置，用于对所述待加工工件5进行加工。所述的切削刀具7包括铣削刀具或磨削金刚石磨头，以实现对待加工工件5的铣削加工过程和磨削加工过程。所述旋转超声振动刀柄9的变幅杆可选择设有螺旋槽，变幅杆上设有螺旋槽时，在随同机床主轴进行高速旋转运动的同时可实现刀具的纵扭复合超声振动，变幅杆上未设有螺旋槽时，在随同机床主轴进行高速旋转运动的同时可实现刀具的单一轴向超声振动。
将待加工工件5固定于多孔超声变幅器11上，开启第一超声电源12，以使待加工工件5实现在竖直平面内的椭圆二维超声振动，将旋转超声振动刀柄9与机床主轴连接，开启第二超声电源6和机床主轴，切削刀具7在机床主轴和刀具旋转超声振动系统的驱动下在高速旋转的同时实现纵扭复合超声振动或单一轴向超声振动，切削刀具7根据切削加工轨迹自动对待加工工件5表面进行铣削或磨削加工，通过调节第一超声电源12两个同频超声信号的相位差可实现对待加工工件5椭圆超声振动模态的调节，从而改变基于不同的椭圆超声振动模态的切削加工特性，实现对工件的多维超声振动切削加工过程。待加工工件5加工完毕后，切削刀具7抬刀，实现刀具与待加工工件5分离，关闭机床主轴，关闭第一超声电源12和第二超声电源6，完成工件的多维超声振动辅助加工过程。
本发明提供的技术方案，基于优化设计的多孔超声变幅器11的结构特性，将第一超声电源12同步输出两个频率相同且振动相位差连续可调的高频电信号，经超声换能器1转换为高频振动信号后，两个负载工件在多孔超声变幅器11辐射面两端同步实现竖直平面内椭圆二维振动模态输出，可负载一定尺寸规格和形状的工件实现椭圆超声振动而不需要对平台进行重新设计，提高了平台负载的灵活性，提高了切削加工效率，解决了目前二维超声振动负载工件实施超声振动的局限性问题。
本发明可以通过相位差的调节实现对椭圆超声振动模态的精确控制，通过调节第一超声电源12两个同频超声信号的相位差实现对工件椭圆二维超声振动模态的调节，从而基于不同的椭圆振动模态的切削加工特性，实现对工件的多维超声振动切削过程，突破了二维超声振动辅助加工的局限性，解决了难加工材料复杂特征和工艺的超声辅助加工问题。
本发明采用旋转超声振动刀具对椭圆超声振动难加工材料工件表面进行切削加工，即形成多维超声振动辅助切削加工过程，能够更有效的降低切削力，提高切削过程去除效率，减少刀具磨损，提高表面切削成形质量。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种多维超声振动辅助切削加工装置，其特征在于，包括工件二维超声振动系统和刀具旋转超声振动系统；
所述工件二维超声振动系统包括多孔超声变幅器、第一超声电源、两个超声变幅杆和两个超声换能器，所述多孔超声变幅器的两侧分别依次连接所述超声变幅杆和超声换能器，两个所述超声换能器均与所述第一超声电源连接，所述多孔超声变幅器顶部设有用于固定两个待加工工件的加工工位；
所述多孔超声变幅器、超声变幅杆和超声换能器均水平放置，两个所述超声变幅杆和超声换能器的结构和性能完全相同，所述第一超声电源同步输出两个频率相同且振动相位差连续可调的超声波信号，经两个所述超声换能器转换为相应的高频振动后，与多孔超声变幅器一起实现竖直平面内椭圆二维超声振动模态输出，并可通过对相位差的调节实现对椭圆振动模态的精确控制；
所述多孔超声变幅器即可将双向输入的水平超声振动转变为负载两个待加工工件在竖直平面内同步实现椭圆轨迹超声振动；
所述刀具旋转超声振动系统包括旋转超声振动刀柄和第二超声电源，所述旋转超声振动刀柄上固定有切削刀具，所述第二超声电源和所述旋转超声振动刀柄连接并提供高频电信号，所述旋转超声振动刀柄用于与数控机床主轴相连接，所述切削刀具与所述待加工工件垂直设置，用于对所述待加工工件进行加工，采用刀具旋转超声振动系统对椭圆超声振动工件表面进行切削加工，即形成多维超声振动辅助切削加工过程。
2.如权利要求1所述的多维超声振动辅助切削加工装置，其特征在于，所述旋转超声振动刀柄的变幅杆通过在设置或不设置螺旋槽来分别实现切削刀具的纵扭超声振动或单一轴向超声振动。
3.如权利要求1所述的多维超声振动辅助切削加工装置，其特征在于，所述超声变幅杆为阶梯型超声变幅杆，所述超声变幅杆上设有法兰。
4.如权利要求3所述的多维超声振动辅助切削加工装置，其特征在于，所述法兰安装于法兰支撑座上。
5.如权利要求1所述的多维超声振动辅助切削加工装置，其特征在于，所述多孔超声变幅器和所述超声变幅杆之间通过双头螺栓连接。
6.如权利要求1所述的多维超声振动辅助切削加工装置，其特征在于，所述超声换能器和所述超声变幅杆之间通过双头螺栓连接。
7.如权利要求1所述的多维超声振动辅助切削加工装置，其特征在于，所述待加工工件与多孔超声变幅器之间通过石蜡粘贴固定或螺栓连接固定。
8.如权利要求1所述的多维超声振动辅助切削加工装置，其特征在于，所述多孔超声变幅器的主体为沿高度方向中部突出的上下对称凸台结构，上表面和下底面的四条边与中部凸台间分别通过4个圆弧面过渡，上凸台的上表面和下凸台的下表面上分别沿z方向均匀分布多个具有相同直径且上、下对称分布的螺纹盲孔，可实现工件的灵活装夹；多孔超声变幅器通过整体结构特性实现输入水平超声振动与输出竖直平面内椭圆二维超声振动的转换。
9.如权利要求1所述的多维超声振动辅助切削加工装置，其特征在于，所述的切削刀具包括铣削刀具或磨削金刚石磨头。
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- 2021-01-13 CN CN202110041757.5A patent/CN112872922B/zh active Active
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| CN112872922A (zh) | 2021-06-01 |
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