CN115284383A - 一种声控车铣增减材复合机床及其进行工件加工的方法 - Google Patents

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韩泽西
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Abstract

本发明公开了一种声控车铣增减材复合机床，包括：盛装有加工液的储液槽，位于储液槽侧边的固定模组，所述固定模组包括固定座、位于固定座中的中心转台和工件驱动组件，工件的一端固定连接中心转台，所述工件驱动组件能够带动工件旋转；超声加工模组，包括超声加工头和加工驱动组件，所述加工驱动组件带动所述超声加工头在工件表面进行超声加工，所述超声加工头包括超声固化头和超声钻头。本发明利用超声固化头对加工液施加高频率机械振动使其产生聚合与交联，从而形成固化物，提高了工件增材的效率和精准度。

Description

一种声控车铣增减材复合机床及其进行工件加工的方法
技术领域
本发明涉及机床加工领域，尤其涉及一种声控车铣增减材复合机床及其进行工件加工的方法。
背景技术
增材制造技术是通过离散-堆积使材料逐点逐层累积叠加形成三维实体的技术，相对传统的材料去除切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。但传统增材制造方法是采用点连成线、线连成面的方式进行加工，很难实现复杂零件加工在尺度上的调整，且扩大规模对于增材制造更是一个挑战。
目前的增材制造技术例如光聚合成型技术(SLA)、选择性激光烧结技术(SLS)以及融沉积制造(FDM)工艺等技术虽然在整面成型上有所突破，但仍没有解决传统增材制造在面成型的局限，且目前的增材制造技术无法实现立体增材制造、增减材复合制造等操作，以及对于圆柱件等曲面件外表面超声车削和顶面超声铣削的增减材复合成型，往往需要经历多道工序和多次装夹，严重加工效率，增大加工成本。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的问题之一。为此，本发明的目的在于提供一种声控车铣增减材复合机床及其进行工件加工的方法，利用超声固化头对加工液施加高频率机械振动使其产生聚合与交联，从而形成固化物，且无需多次装夹工件，大大提高加工效率。
为了实现上述目的，本申请采用如下技术方案：一种声控车铣增减材复合机床，包括：
盛装有加工液的储液槽，
位于储液槽侧边的固定模组，所述固定模组包括固定座、位于固定座中的中心转台和工件驱动组件，工件的一端固定连接中心转台，所述工件驱动组件能够带动工件旋转；
超声加工模组，包括超声加工头和加工驱动组件，所述加工驱动组件带动所述超声加工头在工件表面进行超声加工，所述超声加工头包括超声固化头和超声钻头。
进一步的，所述工件驱动组件包括C轴工件驱动件，所述C轴工件驱动件能够带动工件沿着其轴心线进行旋转。
进一步的，所述工件驱动组件还包括A轴工作驱动件，所述A轴工作驱动件能够带动中心转台和工件在X轴和Z轴形成的平面内，以中心转台为圆心进行旋转；其中，X轴指的是水平面内从平行于工件轴心线的方向，Y轴指的是水平面内垂直于X轴的方向，Z轴指的是垂直于X轴和Y轴的方向。
进一步的，所述加工驱动组件包括X轴加工驱动组件、Y轴加工驱动组件和Z轴加工驱动组件，其中，所述Z轴加工驱动组件能够相对于Y轴加工驱动组件在Y轴方向上进行移动，且所述Z轴加工驱动组件能够相对于X轴在X方向上进行移动；其中，X轴指的是水平面内从平行于工件轴心线的方向，Y轴指的是水平面内垂直于X轴的方向，Z轴指的是垂直于X轴和Y轴的方向。
进一步的，所述超声加工头固定在Z轴加工驱动组件中，所述超声加工头能够相对于Z轴加工驱动组件在Z轴方向上进行移动。
进一步的，所述X轴加工驱动组件包括X轴加工滑轨；所述Y轴加工驱动组件包括Y轴加工滑轨，所述Y轴加工滑轨滑动连接X轴加工滑轨；Z轴加工组件中包括Z轴加工滑轨，所述超声加工头滑动连接Z轴加工滑轨。
进一步的，所述加工液为液态的热固性树脂或复合材料。
进一步的，所述超声固化头的振动频率为20-100khz中的一个或多个谐振频率，所述超声加工头的单边振幅为3-50um中的任意数值。
一种采用上述的声控车铣增减材复合机床进行工件加工的方法，包括：加工驱动组件带动超声固化头移动至工件待加工的起始位置处，超声固化头启动，同时，工件驱动组件带动工件绕着其轴心线旋转，在超声作用下，加工液固化形成位于工件表面的固态涂覆层。
进一步的，还包括：加工驱动组件带动超声钻头移动至工件中需要减材的位置处，超声钻头启动，在超声作用下去除待减材位置处的工件。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本申请中工件固定在中心转台中，且工件驱动组件能够带动工件旋转，其中，旋转可以为沿着工件的轴心线进行旋转，也可以沿着工件的末端进行旋转；储液槽中盛装有加工液，当工件侧面需要增材时，加工驱动组件带动超声固化头移动至涂覆加工液的工件侧面位置处，同时工件驱动组件带动工件旋转，在超声固化头的超声作用下，加工液固化形成位于工件侧面的固态涂覆层；当工件上表面需要增材时，工件驱动组件带动工件旋转90°，使得涂覆加工液的上表面朝上，之后加工驱动组件带动超声固化头移动至涂覆加工液的工件上表面，在超声固化头的超声作用下，加工液固化形成位于工件上表面的固态涂覆层；
当工件需要减材时，加工驱动组件带动超声钻头移动至工件中需要减材的位置处，超声钻头启动，在超声作用下去除待减材位置处的工件；本申请利用超声固化头对加工液施加高频率机械振动使其产生聚合与交联从而形成固化物的原理，提高了工件增材的效率和精准度，本申请借助不同超声加工头，能够在同一机床上实现工件的增材和减材，本申请无需重复装夹即可进行工件上表面的超声增减材铣削，最终实现工件的车铣增减材复合加工；通过该方法实现工件的一次性装夹成型，有效提高加工效率，可制造外表面和内部性能各异的复合材料实体，实现表面结构复杂的零部件快速成型。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图中：
图1为本申请中声控车铣增减材复合机床的总体结构示意图；
图2为本申请机床进行工件侧面减材时的状态示意图；
图3为本申请机床进行工件上表面减材时的状态示意图；
附图标号：11、固定座；12、中心转台；13、工件；21、X轴加工滑轨；22、Y轴加工滑轨；23、Z轴加工滑轨；24、超声加工头；25、Z轴安装架；3、底座；31、储液槽；32、固态涂覆层；33、侧面凹槽；34、上表面钻孔。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。以下描述中，需要理解的是，“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“纵”、“横”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“头”、“尾”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系、以特定的方位构造和操作，仅是为了便于描述本技术方案，而不是指示所指的机构或元件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。
还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。当一个元件被称为在另一元件“上”或“下”时，该元件能够“直接地”或“间接地”位于另一元件之上，或者也可能存在一个或更多个居间元件。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅是为了便于描述本技术方案，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、机构、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
请参阅附图1-2，本申请提供的一种声控车铣增减材复合机床，包括：盛装有加工液的储液槽31，位于储液槽31侧边的固定模组，固定模组包括固定座11、位于固定座11中的中心转台12和工件驱动组件，工件13的一端固定在中心转台12中，工件驱动组件能够带动工件13旋转；超声加工模组，包括超声加工头24和加工驱动组件，加工驱动组件带动超声加工头24在工件13表面进行超声加工，超声加工头包括超声固化头和超声钻头。本申请固定座11和储液槽31均设置在底座3的表面。
本申请中工件13固定在中心转台12中，且工件驱动组件能够带动工件13旋转，其中，旋转可以为沿着工件的轴心线进行旋转，也可以沿着工件的末端进行旋转。储液槽中盛装有加工液，当工件13侧面需要增材时，加工驱动组件带动超声固化头移动至工件13侧面待加工的起始位置处，工件驱动组件带动工件13旋转，在超声固化头的超声作用下，加工液固化形成位于工件13侧面的固态涂覆层32。当工件13上表面需要增材时，工件驱动组件带动工件旋转90°，使得涂覆加工液的上表面朝上，之后加工驱动组件带动超声固化头移动至涂覆加工液的工件上表面，在超声固化头的超声作用下，加工液固化形成位于工件上表面的固态涂覆层；
当工件13需要减材时，加工驱动组件带动超声钻头移动至工件13中需要减材的位置处，超声钻头启动，在超声作用下去除待减材位置处的工件；本申请利用超声固化头对加工液施加高频率机械振动使其产生聚合与交联从而形成固化物的原理，提高了工件13增材的效率和精准度，同时借助不同超声加工头24，能够在同一机床上实现工件13的增材和减材，进一步提高了工件13加工效率。本申请无需重复装夹即可进行工件上表面的超声增减材铣削，最终实现工件的车铣增减材复合加工；通过该方法实现工件的一次性装夹成型，有效提高加工效率，可制造外表面和内部性能各异的复合材料实体，实现表面结构复杂的零部件快速成型。
作为一种具体的实施例，本申请定义X轴为固定座11的中心和储液槽的中心连线方向，Y轴为水平面内垂直于X轴的方向，Z轴为垂直于X轴和Y轴的方向。本申请中工件驱动组件包括A轴工件驱动件和C轴工件驱动件。具体的，A轴工作驱动件能够带动中心转台和工件在X轴和Z轴形成的平面内，以中心转台为圆心进行旋转，C轴工件驱动件能够带动工件13沿着其轴心线进行旋转，如附图1所示，示出了A轴和C轴的旋转轴，其中，A轴的转动范围是-140°-140°，C轴的转动范围是0-360°，最高旋转定位精度为0.001°。
本申请中中心转台12和工件驱动组件均位于固定座11内，且中心转台12可以相对于固定座11沿着A轴进行旋转，A轴的方向实际上为水平面内Y轴方向，为了将其与Y轴上的移动区分开，本申请定义中心转台旋转的轴为A轴。其中中心转台12和工件驱动组件连接，中心转台12用于固定工件13，工件驱动组件能够带动中心转台12以及中心转台上的工件13进行旋转。当工件13为圆柱体时，圆柱体工件的一端固定在中心转台12上，另一端延伸至储液槽上方，且圆柱体工件与储液槽31中液面平行；A轴工件驱动轴能够带动中心转台12和工件13在X轴和Z轴形成的平面内，以中心转台12为圆心沿着A轴进行旋转，进而确保工件的侧面或上表面与超声加工头相对；C轴工件驱动件能够带动圆柱体工件绕着其轴线线进行旋转，确保工件表面各处均匀涂覆加工液。
作为一种具体的实施例，本申请中加工驱动组件包括X轴加工驱动组件、Y轴加工驱动组件和Z轴加工驱动组件，其中，超声加工头24固定在Z轴加工驱动组件中，超声加工头24能够相对于Z轴加工驱动件在Z轴上移动，Z轴加工驱动组件能够相对于Y轴加工驱动组件在Y轴上移动；Z轴加工驱动组件能够相对于X轴加工驱动组件在X轴上移动，进而实现超声加工头24在三维空间的移动。
具体的，X轴加工驱动组件包括X轴加工滑轨21，Y轴加工驱动组件包括Y轴加工滑轨22，且Y轴加工滑轨22滑动连接X轴加工滑轨21，Z轴加工组件中包括Z轴安装架25，Z轴安装架25内设置有Z轴加工滑轨23，超声加工头24滑动连接Z轴加工滑轨23。
Z轴加工滑轨23位于在Z轴安装架25上，定位精度≤10μm，超声固化头与可以沿着Z轴方向发生运动，从而保证超声固化头能够在工件13表面聚焦，进而使得工件13表面的加工液固化。
X轴加工滑轨21的精度≤10μm，Y轴加工滑轨22和Z轴安装架25可以沿着X轴加工滑轨21在X轴方向移动，使得超声聚焦点沿着工件13的轴方向进行加工，完成整体圆柱件外表面液体材料的固化，实现声控增材车削制造。
本申请中超声加工头24包括超声固化头和超声钻头，超声固化头用于对工件13进行增材，超声钻头用于对工件13进行减材。超声固化头需要配合储液槽中加工液一起工作，在超声振动下将工件13上涂覆的加工液固化为固态涂覆层32；超声钻头类似于钻刀，在超声振动下降工件13表面进行切削。
作为一种具体的实施例，本申请中储液槽31中的加工液为液态的热固性树脂或复合材料。超声固化头在增材加工过程中的振动频率为20-100khz中的一个或多个谐振频率，超声固化头的单边振幅为3-50um中的任意数值。
本申请超声固化头内部具有压电陶瓷堆，作用头通过导电环与机械臂中的第六旋转臂中的感应线圈接触进行导电，电流传导到压电陶瓷堆处产生压电效应，进而引起作用头振动，通过调节功率，可将作用头单边振幅控制在3-50um的范围内；本申请中加工液可以采用现有技术中任意的液态热固性树脂或复合材料，其在常温下呈液态，具体可以为聚二甲基硅氧烷、丙烯酸甲酯、环氧树脂、聚酯树脂、乙烯基酯、树脂基金属复合材料或树脂基纤维复合材料；且热固性树脂或复合材料在20-100khz中的一个或多个谐振频率，以及3-50um的单边振幅下能够固化。
本申请中超声固化头的频率与振幅的共同作用可决定固化效率；具体的频率和振幅数值可以根据加工液的种类进行具体选择。
本申请中超声固化头的形状可为尖头、平头以及为了特定工序而设计制造的异形头，作用端的尺寸也有大小之分，可根据加工要求更换不同的作用头，并配合棒料的回转运动，从而实现跨尺度高适应性增减材制造。
本申请尤其适用于圆柱体等工件13外表面的一次性增材，具体的增材方法包括：
将圆柱体工件固定在中心转台12上，根据圆柱体工件的加工轨迹，X轴加工驱动组件、Y轴加工驱动组件和Z轴加工驱动组件分别带动超声固化头移动至初始位置处，使得超声固化头的声聚焦点定位到涂敷有加工液的圆柱体工件侧面。C轴工件驱动件带动中心转台12和圆柱体工件旋转，使得圆柱体工件侧面和上表面均匀涂覆加工液，上表面指的是远离中心转台12的一侧表面；同时开启超声电源开始加工，在超声固化头的作用下可直接固化圆柱体工件侧面的固态涂覆层32，直接在圆柱体侧面形成以圆柱体工件为基体，固态涂覆层32为增强体的复合材料实体。
A轴工件驱动件带动中心转台12和圆柱体工件沿着A轴旋转90°，旋转之后的状态图如附图3所示，使得圆柱体工件的上表面朝向超声固化头，X轴加工驱动组件、Y轴加工驱动组件和Z轴加工驱动组件分别带动超声固化头移动至上表面加工位置处，使得超声固化头的声聚焦点定位到涂敷有加工液的圆柱体工件上表面，在超声固化头的作用下可直接固化圆柱体工件上表面的固态涂覆层32，直接在圆柱体上表面形成以圆柱体工件为基体，固态涂覆层32为增强体的复合材料实体。
本申请中圆柱体工件侧面的涂覆过程和固化过程是同时进行的，当C轴带动圆柱体工件旋转的时候，超声加工头24同步对涂覆加工液的圆柱体工件表面进行固化。本申请尤其适用于圆柱体工件表面的全局增材工艺。同时，当圆柱体工件表面只需要局部增材时，可以控制超声固化头的运动轨迹，使得局部进行固化增材，其余部分的加工液在加工完成之后清洗即可。
本申请在实现圆柱体工件的增材制造后，还可换用超声钻头，如附图2和图3所示，超声钻头的工作面可以为圆柱体工件的侧面或上表面，图2为超声钻头作用在圆柱体侧面上的示意图，图3为超声钻头作用在圆柱体上表面的示意图。在工件13表面形成固态涂覆层32之后，可以将超声固化头替换为超声钻头，X轴加工驱动组件、Y轴加工驱动组件和Z轴加工驱动组件带动超声钻头移动至圆柱体工件侧面待减材位置处，超声钻头在超声作用下根据预设轨迹在圆柱体工件侧面形成侧面凹槽33。A轴工件驱动件带动中心转台12和圆柱体工件沿着A轴旋转90°，旋转之后的状态图如附图3所示，使得圆柱体工件的上表面朝向超声钻头，X轴加工驱动组件、Y轴加工驱动组件和Z轴加工驱动组件分别带动超声钻头移动至上表面加工位置处，超声钻头在超声作用下根据预设轨迹在圆柱体工件上表面形成上表面钻孔34。本申请机床能够去除表面多余的材料，实现超声开槽或者钻孔即实现声控增减材车削复合制造。
本发明提出一种声控车铣增减材复合机床，其利用超声固化头对加工液施加高频率机械振动使其产生聚合与交联从而形成固化物的原理，利用加工驱动组件，可通过超声加工头直接固化回转工件侧面的加工液，即超声车削增材制造，进一步地，通过工件驱动组件，使得工件偏转90°，无需重复装夹即可进行工件上表面的超声增减材铣削，最终实现工件的车铣增减材复合加工。本申请通过上述方法实现工件的一次性装夹成型，有效提高加工效率，可制造外表面和内部性能各异的复合材料实体，实现表面结构复杂的零部件快速成型。
可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种声控车铣增减材复合机床，其特征在于，包括：
盛装有加工液的储液槽，
位于储液槽侧边的固定模组，所述固定模组包括固定座、位于固定座中的中心转台和工件驱动组件，工件的一端固定连接中心转台，所述工件驱动组件能够带动工件旋转；
超声加工模组，包括超声加工头和加工驱动组件，所述加工驱动组件带动所述超声加工头在工件表面进行超声加工，所述超声加工头包括超声固化头和超声钻头。
2.根据权利要求1所述的一种声控车铣增减材复合机床，其特征在于，所述工件驱动组件包括C轴工件驱动件，所述C轴工件驱动件能够带动工件沿着其轴心线进行旋转。
3.根据权利要求2所述的一种声控车铣增减材复合机床，其特征在于，所述工件驱动组件还包括A轴工作驱动件，所述A轴工作驱动件能够带动中心转台和工件在X轴和Z轴形成的平面内，以中心转台为圆心进行旋转；其中，X轴指的是水平面内从平行于工件轴心线的方向，Y轴指的是水平面内垂直于X轴的方向，Z轴指的是垂直于X轴和Y轴的方向。
4.根据权利要求1所述的一种声控车铣增减材复合机床，其特征在于，所述加工驱动组件包括X轴加工驱动组件、Y轴加工驱动组件和Z轴加工驱动组件，其中，所述Z轴加工驱动组件能够相对于Y轴加工驱动组件在Y轴方向上进行移动，且所述Z轴加工驱动组件能够相对于X轴在X方向上进行移动；其中，X轴指的是水平面内从平行于工件轴心线的方向，Y轴指的是水平面内垂直于X轴的方向，Z轴指的是垂直于X轴和Y轴的方向。
5.根据权利要求4所述的一种声控车铣增减材复合机床，其特征在于，所述超声加工头固定在Z轴加工驱动组件中，所述超声加工头能够相对于Z轴加工驱动组件在Z轴方向上进行移动。
6.根据权利要求5所述的一种声控车铣增减材复合机床，其特征在于，所述X轴加工驱动组件包括X轴加工滑轨；所述Y轴加工驱动组件包括Y轴加工滑轨，所述Y轴加工滑轨滑动连接X轴加工滑轨；Z轴加工组件中包括Z轴加工滑轨，所述超声加工头滑动连接Z轴加工滑轨。
7.根据权利要求1所述的一种声控车铣增减材复合机床，其特征在于，所述加工液为液态的热固性树脂或复合材料。
8.根据权利要求7所述的一种声控车铣增减材复合机床，其特征在于，所述超声固化头的振动频率为20-100khz中的一个或多个谐振频率，所述超声加工头的单边振幅为3-50um中的任意数值。
9.一种采用权利要求1-8任意一项所述的声控车铣增减材复合机床进行工件加工的方法，其特征在于，包括：加工驱动组件带动超声固化头移动至工件待加工的起始位置处，超声固化头启动，同时，工件驱动组件带动工件绕着其轴心线旋转，在超声作用下，加工液固化形成位于工件表面的固态涂覆层。
10.根据权利要求9所述的进行工件加工的方法，其特征在于，还包括：加工驱动组件带动超声钻头移动至工件中需要减材的位置处，超声钻头启动，在超声作用下去除待减材位置处的工件。
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