CN115122159A - 一种针对复杂曲面的超声振动辅助精密加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种针对复杂曲面超声振动辅助精密加工装置及方法，该装置包括三维超声振动平台和轴向超声振动柔性球头刀具；轴向超声振动柔性球头刀具垂直于工件三维超声振动平台上方，与数控机床的主轴相连接，随同主轴高速转动，同时实现单一轴向超声振动；工件三维超声振动平台中心位置可负载工件在三维空间中实现球面超声振动；采用轴向超声振动柔性球头刀具对三维曲面超声振动工件表面进行精密切削加工，该加工装置及方法适用于任何多维复杂曲面工件的超声振动精密切削加工。

Description

一种针对复杂曲面的超声振动辅助精密加工装置及方法

技术领域

本发明属于超声振动辅助加工技术领域，具体涉及一种针对复杂曲面超声振动辅助精密加工装置。

背景技术

随着精密制造加工技术的广泛应用，对复杂零件的加工精度要求越来越高，特别是钛合金、宝石、陶瓷等难加工材料的高精密加工。传统的精密加工难以满足多维曲面、球面等复杂特征的加工及其精度要求。

超声辅助加工已成为广泛应用于工业的关键制造技术，该技术具有改善表面质量、减小切削力、提高加工效率等优势。国外学者基于一维超声振动辅助加工技术提出了水平方向椭圆超声振动技术，并将该技术应用于制造加工领域。

目前，很多学者将二维超声振动技术进行扩展，实现了水平和垂直方向上椭圆振动并将该技术用于磨削加工中，研究结果发现二维超声振动辅助加工技术比一维超声振动辅助加工更具优势。但二维超声振动辅助加工技术的优势只显现在加工平面(水平、垂直)上，难以满足具有多维曲面、球面等复杂特征零件的精密加工要求，仍存在很多局限性。

对于难加工且具有复杂曲面特征的工件大批量精密加工，设计和开发能够加工多维曲面、球面等复杂特征且适用于难加工材料，具有更高加工精度和加工性能且能够自由负载不同种类模具或零件的超声振动辅助精密加工装置已成为急需解决的关键技术问题。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供一种针对复杂曲面的超声振动辅助精密加工装置，包括三维超声振动平台和轴向超声振动柔性球头刀具；

所述三维超声振动平台包括多孔超声变幅器以及四个超声换能器，四个超声换能器分别为第一、第二、第三、第四超声换能器、所述多孔超声变幅器为上下表面均设有凹槽的矩形体，两所述凹槽内分布有螺纹盲孔；第一、第二、第三、第四超声换能器分别连接与三维超声振动平台的四个侧面；

所述轴向超声振动柔性球头刀具包括刀具刀柄和连接于刀具刀柄下端的刀头，所述刀具刀柄内置有第五超声换能器，所述刀具刀柄竖直设置于所述三维超声振动平台上方，且所述刀具刀柄与机床主轴相连。

进一步地，该装置还包括三个超声电源，三个超声电源分别为第一超声电源、第二超声电源和第三超声电源，所述第一超声电源同时与第一超声换能器、第二超声换能器连接，第二超声电源同时与第三超声换能器、第四超声换能器连接，所述第三超声电源于所述第五超声换能器相连。

进一步地，所述刀具刀柄和所述刀头之间还设有柔性材料层。

进一步地，该装置还包括四个超声变幅杆，第一、第二、第三、第四超声换能器中每一超声换能器通过一超声变幅杆与所述三维超声振动平台的侧面相连。

进一步地，还包括四个支撑法兰，四个支撑法兰分别设置于超声变幅杆的四个侧面，每一超声变幅杆固定于一支撑法兰上。

进一步地，四个所述支撑法兰分别通过法兰支座支撑于机床工作台上。

进一步地，多孔超声变幅器的上、下表面的凹槽前后左右表面均为圆弧面。

进一步地，所述刀头为金刚石磨头。

本发明还提供一种基于上述针对复杂曲面的超声振动辅助精密加工装置的加工方法，其特征在于：该加工方法包括如下步骤：

步骤S1：将待加工工件固定于三维超声振动平台的凹槽内；

步骤S2：将三维超声振动平台固定于机床的工作台上；

步骤S3：开启第一超声电源、第二超声电源；第一超声电源向第一超声换能器、第二超声换能器输出两个频率相同且振动幅值和振动相位差连续可调的超声波信号，第二超声电源向第三超声换能器、第四超声换能器输出两个频率相同且振动相位差连续可调的超声波信号；第一超声换能器、第二超声换能器、第三超声换能器、第四超声换能器将超声波信号转换为相应的高频振动；调节第一换能器、第二换能器、第三换能器、第四换能器的相位差，使三维超声振动平台对待加工工件输出三维曲面超声振动模态；

开启第三超声电源以及机床主轴，机床主轴带动轴向超声振动柔性球头刀转动，且第三超声电源带动轴向超声振动柔性球头刀沿竖直方向振动；

步骤S4：根据待加工工件表面曲率及其尺寸对第一超声电源、第二超声电源和第二超声电源设置相应振动相位差值和振动幅值，调节三维超声振动平台对待加工工件表面的三维曲面超声振动模态的输出；并使待加工工件表面的三维振动曲边与所需加工而成的曲面相同；

机床主轴带动轴向超声振动柔性球头刀具根据切削加工轨迹自动对加工工件表面进行加工。

本发明的一种针对复杂曲面的超声振动辅助精密加工装置及方法的有益效果是：

(1)本发明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、第二超声电源输出的频率和相位差连续可调的高频型号，经超声换能器转换为高频振动信号后，工件在多孔变幅器辐射面上实现三维曲面振动模态输出，可负载一定尺寸规格的具有复杂特征的工件实现三维曲面振动不需要对平台进行重新设计，提高了平台负载的灵活性，提高了工件复杂特征的适用性，提高了切削加工的精度和加工效率，解决了目前一维、二维超声辅助加工对工件特征和负载的局限性。

(2)本发明可以通过相位差的调节实现对三维曲面超声振动模态的精确控制，通过调节第一超声电源或第二超声电源的两个同频超声信号的相位差实现对工件三维曲面超声振动模态的调节，从而基于不同的三维曲面振动模态的切削加工特性，实现对工件的多维曲面、球面复杂特征切削过程，突破了超声振动辅助加工的局限性，解决了难加工材料复杂曲面特征和工艺的超声辅助加工问题。

(3)本发明采用轴向超声振动柔性球头刀具(球头刀适用于曲面加工)对三维曲面超声振动工件表面进行切削加工，即刀具的轴向超声振动能够弥补三维超声振动平台Z方向上振动幅度的薄弱，提高整个三维超声振动辅助加工系统的适用性，刀具内添加柔性介质材料可以对过大超声振动或过大纵向进给量进行缓冲，减少刀具磨损同时还可提高加工表面质量和加工精度，降低切削力，提高去除率。

附图说明

图1为本针对复杂曲面的三维曲面超声振动辅助精密加工装置结构示意图。

图2为针对复杂曲面的三维曲面超声振动辅助精密加工装置正视图。

图3为多孔超声变幅器俯视图。

图4为超声振动辅助加工装置中轴向超声振动柔性球头刀具结构示意图。

图5为多孔超声变幅器X方向超声振动模态示意图。

图6为多孔超声变幅器Y方向超声振动模态示意图。

图7为多孔超声变幅器Z方向超声振动模态示意图。

图8为加工刀具质点轨迹图。

图中：1-第一超声换能器，2-第一超声变幅杆，3-紧定螺栓，4-法兰，5-待加工工件，6-第三超声换能器，7-第三超声变幅杆，8-轴向超声振动柔性球头刀具，9-第三超声电源，10-多孔超声变幅器，11-第二超声电源，12-第二超声变幅杆，13-第二超声换能器，14-法兰支撑座，15-第一超声电源，16-第四超声换能器，17-第四超声变幅杆，18-双头螺栓，19-凹槽，20-螺纹盲孔，21-圆弧面，22-刀具刀柄，23-柔性材料层，24-金刚石磨头，25-工件放置区域。

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。

如图1至图2所示，一种针对复杂曲面的超声振动辅助精密加工装置，包括三维超声振动平台和轴向超声振动柔性球头刀具8；

如图1至图3所示，一种针对复杂曲面的超声振动辅助精密加工装置，包括三维超声振动平台和轴向超声振动柔性球头刀具8；所述的轴向超声振动柔性球头刀具8垂直于三维超声振动平台上方，并连接于机床(铣床)主轴，轴向超声振动柔性球头刀具8随机床主轴高速旋转同时实现刀具的轴向超声振动；三维超声振动平台可负载规定尺寸范围内的工件同步实现三维曲面轨迹超声振动；采用轴向超声振动柔性球头刀具8与三维曲面超声振动平台相配合能够实现任意复杂曲面的精密切削加工。

如图1至图2所示，三维超声振动平台包括第一超声电源15、第二超声电源11、第一超声换能器1、第一超声变幅杆2、第二超声换能器13、第二超声变幅杆12、第三超声换能器6、第三超声变幅杆7、第四超声换能器16、第四超声变幅杆17、四个法兰支撑座14、和多孔超声变幅器10。

孔超声变幅器10为上下表面均设有凹槽19的矩形体，待加工的工件5固定于孔超声变幅器10上表面的凹槽19内，孔超声变幅器10为上下表面的凹槽19的前后左右表面为圆弧面21，且两凹槽19的表面沿Z方向均匀分布多个相同直径且均匀分布的螺纹盲孔20。

四个法兰支撑座14设置于多孔超声变幅器10四个侧面，每一法兰支撑座14上设有一支撑法兰4；第一超声变幅杆2、第二超声变幅杆12、第三超声变幅杆7、第四超声变幅杆17分别通过紧定螺栓3固定于四个支撑法兰4上，且第一超声变幅杆2、第二超声变幅杆12、第三超声变幅杆7、第四超声变幅杆17端部分别通过双头螺栓18连接于多孔超声变幅器10的四个侧面上。

第一超声换能器1、第二超声换能器13、第三超声换能器6、第四超声换能器16分别通过双头螺栓18连接于第一超声变幅杆2、第二超声变幅杆12、第三超声变幅杆7、第四超声变幅杆17的另一端。第一超声电源15与第一超声换能器1、第二超声换能器13相连，第二超声电源11与第三超声换能器6、第四超声换能器16相连。

第一超声换能器1、第二超声换能器13、第三超声换能器6、第四超声换能器16向多孔超声变幅器10输入的水平振动，多孔超声变幅器10将输入的水平振动转化为三维曲面振动，并将该振动传递至待加工工件5。

进一步地，多孔超声变幅器10上下表面的凹槽19的所有螺纹盲孔20的直径相同，度相同，螺纹盲孔20均匀分布在多孔超声变幅器10上下表面的凹槽19上。

如图4所示，轴向超声振动柔性球头刀具8包括刀具刀柄22、刀头和第三超声电源9，第三超声电源9和刀具刀柄22连接，刀具刀柄22内置有第五超声换能器，第三超声电源9并提供高频电信号，驱动第五超声换能器带动刀具刀柄22及刀头振动，实现轴向超声振动柔性球头刀具的单一轴向超声振动。所述刀头为球头结构的铣削/柔性磨削刀具，本实施例中，所述刀头为金刚石磨头24，

进一步地，所述刀具刀柄22的金刚石磨头24之间还设有柔性材料层23，柔性材料层23缓冲金刚石磨头24和刀具刀柄22之间的振动，减少金刚石磨头24的磨损。

如图5至图7所示，第一超声电源15、第二超声电源11均能够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，经第一超声换能器1、第二超声换能器13、第三超声换能器6、第四超声换能器16转换为相应的高频振动后，与多孔超声变幅器一起实现三维曲面超声振动模态输出，并通过对第一换能器1和第二换能器2或者第三换能器6和第四换能器16的相位差调节实现对球面振动模态的精确控制。

如图5至图8所示，多孔超声变幅器10上表面采用磁性固定或螺栓连接固定待加工工件5，待加工工件5的固定位置区域25为凹槽19表面的中部，连接固定后可与多孔超声变幅器同步实现三维曲面振动。

进一步地，上述多个超声换能器、超声变幅杆、多孔超声变幅器均采用20kHZ-60kHZ频率。

本发明针对复杂曲面的超声振动辅助精密加工装置的加工方法至少包括如下步骤：

步骤S1：如图5至图7所示，在多孔超声变幅器10上表面采用磁吸或螺栓连接固定将对待加工工件5放置固定位置区域25；

步骤S2：将三维超声振动平台通过法兰支撑座14与数控机床工作台通过螺栓连接固定，

第一超声电源15分别和第一超声换能器1、第二超声换能器13连接，第二超声电源11分别和第三超声换能器6、第四超声换能器16连接，第三超声电源6与轴向超声振动柔性球头刀具8中换能器连接；

步骤S3：开启第一超声电源15、第二超声电源11、第三超声电源6，开启机床主轴，工件实现三维平面内的曲面超声振动，轴向超声振动柔性球头刀具8在高速旋转同时实现轴单一向超声振动；

具体地；开启第一超声电源15、第二超声电源11；第一超声电源15向第一超声换能器1、第二超声换能器13输出两个频率相同且振动幅值和振动相位差连续可调的超声波信号，第二超声电源11向第三超声换能器6、第四超声换能器16输出两个频率相同且振动相位差连续可调的超声波信号；第一超声换能器1、第二超声换能器15、第三超声换能器6、第四超声换能器将16超声波信号转换为相应的高频振动；调节第一超声换能器1、第二超声换能器15、第三超声换能器6的相位差，使三维超声振动平台对待加工工件5输出三维曲面超声振动模态；

开启第三超声电源9以及机床主轴，机床主轴带动轴向超声振动柔性球头刀8转动，且第三超声电源9带动轴向超声振动柔性球头刀沿竖直方向振动；

步骤S4：根据待加工工件5表面曲率及其尺寸对第一超声电源15、第二超声电源11和第二超声电源9设置相应振动相位差值和振动幅值，实现适用于该工件表面的三维曲面超声振动模态的输出，并使待加工工件5表面的三维振动曲边与所需加工而成的曲面相同；轴向超声振动柔性球头刀具8根据切削加工轨迹自动对加工工件表面进行铣削或磨削加工,实现对工件的复杂曲面的超声振动精密加工过程；

步骤S5：被加工工件加工完毕后，轴向超声振动柔性球头刀具8抬刀，实现轴向超声振动柔性球头刀具8与加工工件5分离，关闭机床主轴、关闭第一超声电源15、第二超声电源11、第三超声电源6，完成工件复杂曲面的超声振动辅助精密加工过程。

以上具体实施方式仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述具体实施方式，不限于装置材料属性以及尺寸。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种针对复杂曲面的超声振动辅助精密加工装置，其特征在于：包括三维超声振动平台和轴向超声振动柔性球头刀具；

所述三维超声振动平台包括多孔超声变幅器以及四个超声换能器，四个超声换能器分别为第一、第二、第三、第四超声换能器、所述多孔超声变幅器为上下表面均设有凹槽的矩形体，两所述凹槽内分布有螺纹盲孔；第一、第二、第三、第四超声换能器分别连接与三维超声振动平台的四个侧面；

所述轴向超声振动柔性球头刀具包括刀具刀柄和连接于刀具刀柄下端的刀头，所述刀具刀柄内置有第五超声换能器，所述刀具刀柄竖直设置于所述三维超声振动平台上方，且所述刀具刀柄与机床主轴相连。

2.根据权利要求1所述的一种针对复杂曲面的超声振动辅助精密加工装置，其特征在于：还包括三个超声电源，三个超声电源分别为第一超声电源、第二超声电源和第三超声电源，所述第一超声电源同时与第一超声换能器、第二超声换能器连接，第二超声电源同时与第三超声换能器、第四超声换能器连接，所述第三超声电源于所述第五超声换能器相连。

3.根据权利要求2所述的一种针对复杂曲面的超声振动辅助精密加工装置，其特征在于：所述刀具刀柄和所述刀头之间还设有柔性材料层。

4.根据权利要求2所述的一种针对复杂曲面的超声振动辅助精密加工装置，其特征在于：还包括四个超声变幅杆，第一、第二、第三、第四超声换能器中每一超声换能器通过一超声变幅杆与所述三维超声振动平台的侧面相连。

5.根据权利要求4所述的一种针对复杂曲面的超声振动辅助精密加工装置，其特征在于：还包括四个支撑法兰，四个支撑法兰分别设置于超声变幅杆的四个侧面，每一超声变幅杆固定于一支撑法兰上。

6.根据权利要求5所述的一种针对复杂曲面的超声振动辅助精密加工装置，其特征在于：四个所述支撑法兰分别通过法兰支座支撑于机床工作台上。

7.根据权利要求2所述的一种针对复杂曲面的超声振动辅助精密加工装置，其特征在于：多孔超声变幅器的上、下表面的凹槽前后左右表面均为圆弧面。

8.根据权利要求2所述的一种针对复杂曲面的超声振动辅助精密加工装置，其特征在于：所述刀头为金刚石磨头。

9.一种基于上述权利要求2-8任意一项所述针对复杂曲面的超声振动辅助精密加工装置的加工方法，其特征在于：该加工方法包括如下步骤：

步骤S1：将待加工工件固定于三维超声振动平台的凹槽内；

步骤S2：将三维超声振动平台固定于机床的工作台上；

步骤S3：开启第一超声电源、第二超声电源；第一超声电源向第一超声换能器、第二超声换能器输出两个频率相同且振动幅值和振动相位差连续可调的超声波信号，第二超声电源向第三超声换能器、第四超声换能器输出两个频率相同且振动相位差连续可调的超声波信号；第一超声换能器、第二超声换能器、第三超声换能器、第四超声换能器将超声波信号转换为相应的高频振动；调节第一换能器、第二换能器、第三换能器、第四换能器的相位差，使三维超声振动平台对待加工工件输出三维曲面超声振动模态；

开启第三超声电源以及机床主轴，机床主轴带动轴向超声振动柔性球头刀转动，且第三超声电源带动轴向超声振动柔性球头刀沿竖直方向振动；

步骤S4：根据待加工工件表面曲率及其尺寸对第一超声电源、第二超声电源和第二超声电源设置相应振动相位差值和振动幅值，调节三维超声振动平台对待加工工件表面的三维曲面超声振动模态的输出；并使待加工工件表面的三维振动曲边与所需加工而成的曲面相同；

机床主轴带动轴向超声振动柔性球头刀具根据切削加工轨迹自动对加工工件表面进行加工。

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