CN202088310U - 超声波辅助微铣削设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种纳米陶瓷材料加工机械，即一种超声波辅助微铣削设备。其特点是：其设备的机架(1)上设有装卡工件的五自由度并联平台，并装有与并联平台相对的超声波振动加工系统。其有益效果是：铣刀(5)既在电主轴(2)的带动下做铣削旋转运动，又在超声波发生器(9)的作用下做上下振动，在这两种复合加工方式下完成对工件的微切削加工，解决了陶瓷材料硬度高，切削困难的问题。采用五自由度并联平台和电主轴等装置，可在计算机控制下，完成纳米陶瓷材料的微切削作业。采用小型化机床系统，空间利用率高、能源消耗小，大大降低了生产成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种机械装置，即一种超声波辅助微铣削设备。
背景技术
微铣削属于微细加工技术，其加工精度极高，切削尺寸极其微细，现零件尺寸已达毫米级、特征尺寸达微米级、铣刀直径在0.5mm以下，被称之为“介观尺度”或“微纳尺度”，在复杂微三维结构的加工中具有独特的优势。可是，现有的微切削设备还不能适应高硬度纳米陶瓷材料的微切削要求。例如在加工纳米氧化锆陶瓷材料的时候，现有设备的局限性就会凸显出来。
纳米氧化锆陶瓷材料是在氧化锆陶瓷材料的基础上加入纳米粒子而得到的新型医用材料，广泛应用于口腔修复及生物关节制造等领域。目前，纳米氧化锆医用陶瓷常用热压烧结制造成型，由于烧结过程常常带来变形和收缩，尺寸精度和形状精度都难以控制，因此烧结的坯料还需要进行精加工才能制成医用陶瓷制品。由于加工零件特征尺寸极小，一般在30-300微米之间，因而需要采用微铣削设备进行加工。现有微切削设备主要有硅加工设备和超精密加工设备。超精密加工设备庞大、加工成本高。硅加工设备材料有限、难以加工复杂3D形状产品，特别是纳米氧化锆陶瓷材料的强度和硬度极高，而微铣削铣刀的刚性很差，难以满足切削的需要，导致加工零件尺寸精度、形状精度以及表面质量不能满足临床要求。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种适于对纳米陶瓷材料进行超声波辅助微铣削加工，特别是能够降低切削难度，提高加工质量，满足医用陶瓷材料要求的微铣削加工设备。
上述目的是由以下技术方案实现的：研制一种超声波辅助微铣削设备，其特点是：在这种设备的机架上设有装卡工件的五自由度并联平台，与这个并联平台相对的安装有超声波振动加工系统。
所说的五自由度并联平台有定平台和动平台，定平台固定在机架的底座上，动平台与定平台相对，定平台和动平台之间有五个伸缩杆相支撑，每个伸缩杆的上端和动平台通过浮动接头连接，下端和定平台通过虎克铰链连接。
所说的伸缩杆套在气缸之中，汽缸尾端与气压驱动装置相连，在汽缸的前端设有排气装置。
所说的超声波振动加工系统由微铣削加工装置和超声波振动辅助装置构成。
所说的微铣削加工装置由主轴、上箱体、端盖、下箱体、前配块、超声波换能器、变幅杆和铣刀组成。主轴和电主轴相连接，在电主轴的带动下，主轴在两个角接触球轴承的支撑下带动前配块、超声波换能器、变幅杆和铣刀高速旋转。
所说的上箱体通过螺栓和下箱体和端盖相固连。
所说的前配块通过花键和主轴相连，前配块下端依次连接超声波换能器、变幅杆和铣刀。
所说的超声波振动辅助装置由超声波发生器、超声波换能器、变幅杆、前配块和后配块组成。前配块与滑杆紧配合连接，后配块固结在主轴上，其中孔与滑杆间隙配合。
所说的前配块与后配块相距2mm的间隙。
所说的超声波发生器固定在机架的竖直的立壁上。
本实用新型的有益效果是：在切削过程中超声波发生器产生超声频电震荡，通过换能器产生16000Hz以上的超声频纵向震动。并借助于变幅杆把振幅放大到0.05-0.1mm，从而使铣刀做超声频振动。在铣刀和工件之间注入磨料悬浮液，铣刀迫使磨粒悬浮液中的磨粒以很大的速度和加速度不断撞击被加工表面，材料的去除加工是铣刀的铣削加工和超声波振动辅助加工综合作用的结果，解决了材料硬度高，切削困难的问题。采用五自由度并联平台和电主轴等装置，可在计算机控制下，可以精确完成复杂轨迹的纳米陶瓷材料的微切削作业。上述设备是将传统的机械加工技术应用于微制造领域的小型化机床设备，本身可以减少热变形误差，提高响应速度，达到较高的精度；与现有硅加工设备和超精密机床相比，具有价格便宜、空间利用率高、能源消耗小、生产成本低等优点。
附图说明
图1是这种实施例的主视图；
图2是这种实施例的左视图；
图3是这种实施例的动平台与固定平台连接部分的示意图；
图4是这种实施例的超声波振动加工系统示意图；
图5是这种实施例的加工工件时工作示意图。
图中可见：机架1，电主轴2，超声波换能器3，变幅杆4，铣刀5，动平台6，浮动接头7，伸缩杆8，超声波发生器9，气缸10，虎克铰链11，定平台12，磨料悬浮液13，工件14，前配块15，滑杆16，花键17，后配块18，下箱体19，上箱体20，主轴21，角接触轴承22，端盖23。
具体实施方式
本实用新型总的构思是在现有小型机床的基础上研制一种程序控制微切削设备，这种设备加设了超声波振动辅助微铣削加工装置、五自由度并联平台和电主轴等装置，通过铣刀做超声频振动击碎工件材料和铣刀铣削加工相结合，通过五自由度并联平台和电主轴以及程序控制系统，满足各种形状的医用陶瓷材料的微切削要求。下面结合附图介绍一种实施例。
图1、2所示的是一种微型切削机床，机床的机架1的底座上装有一个五自由度并联平台。并联平台的上方，机架1的悬臂上装有电主轴2，超声波换能器3，变幅杆4和铣刀5。工作时，将工件14固定在动平台6上，在变幅杆4上安装微型铣刀，铣刀在电主轴和超声波换能器的作用下，在铣削加工的同时又能实现超声波振动辅助加工。当然，这种加工的要求极高，要求各个部件都要具有良好的功能。下面分别说明几个主要部件的结构和性能。
结合图1、2可见，五自由度并联平台的定平台12固定在机架1的底座上，动平台6与定平台12相对，定平台12和动平台6之间有五个伸缩杆8相支撑，每个伸缩杆的上端和动平台通过浮动接头7连接，下端和定平台通过虎克铰链11连接。结合图3可见，这种伸缩杆8套在汽缸10之中，汽缸10采用双作用汽缸，其尾端与气压驱动装置相连，可在计算机控制下向缸内输送压力气体，在汽缸10的前端设有排气装置，因此这种伸缩杆8能够自由的摆动，带动上面的动平台6做平移、升降、绕三维坐标轴摆转以及各种复合运动，近而带动工件实现五自由度复杂曲面的微铣削加工。
和传统的串联平台相比，这种定平台和动平台台面相对的平台属于并联平台。显然，这种并联平台有如下优点：①平台执行构件的误差不再是简单的线性累加，动平台更容易获得较高的精度；②平台执行机构运动灵活，很容易实现多自由度联动，从而更易于实现空间曲面的加工；③平台轨迹规划简单，易于控制；④平台结构简单，零件总数较少，成本容易控制；⑤平台中的主要变形构件以承受拉压力为主，而且由于闭环力流封闭，使机床具有较高的刚度重量比；⑥平台移动部件质量小，响应速度快，动态性能好，更适于高速加工；⑦平台的模块化程度高，易于重构；⑧平台硬件简单，软件复杂，具有更高的技术附加值。
为了获得更高的切削性能，本设备采用电主轴2直接和主轴21相连，由图4可见，主轴21在两个角接触球轴承22的支撑下通过花键17带动前配块15、超声波换能器3、变幅杆4和铣刀5高速旋转。
结合图4、5可见，在主轴21的带动下，前配块15带动铣刀5做铣削旋转运动，在超声波发生器9的控制下，通过超声波换能器3、变幅杆4使铣刀5同时做上下振动使磨料悬浮液13中的磨粒撞击被加工工件14的表面，铣刀5通过这两种复合加工方式完成对工件14的微切削加工。
采用上述技术方案的超声波辅助微铣削设备，把超声波振动系统结合到传统的铣削机床中，在超声波振动系统的变幅杆上安装传统的铣削工具，使铣刀既在电主轴的带动下做铣削旋转运动，又在超声波发生器的作用下做上下振动，在这两种复合加工方式下完成对工件的微切削加工。本实用新型为陶瓷的微细铣削提供了加工装备，既降低了切削难度，提高了加工速度，延长刀具寿命，降低了加工成本，又改善了加工质量，保证了产品的性能。
Claims (6)
1.一种超声波辅助微铣削设备，其特征在于：在这种设备的机架(1)上设有装卡工件的五自由度并联平台，与这个并联平台相对的安装有超声波振动加工系统。
2.根据权利要求1所述的超声波辅助微铣削设备，其特征在于：所说的五自由度并联平台有定平台(12)和动平台(6)，定平台(12)固定在机架(1)的底座上，动平台(6)与定平台(12)相对，定平台(12)和动平台(6)之间有五个伸缩杆(8)相支撑，每个伸缩杆(8)的上端和动平台(6)通过浮动接头(7)连接，下端和定平台(12)通过虎克铰链(11)连接。
3.根据权利要求2所述的超声波辅助微铣削设备，其特征在于：所说的伸缩杆(8)套在气缸(10)之中，汽缸尾端与气压驱动装置相连，在汽缸的前端设有排气装置。
4.根据权利要求1所述的超声波辅助微铣削设备，其特征在于：所说的超声波振动加工系统由微铣削加工装置和超声波振动辅助装置构成。
5.根据权利要求4所述的超声波辅助微铣削设备，其特征在于：所说的微铣削加工装置由主轴(21)、上箱体(20)、端盖(23)、下箱体(19)、前配块(15)、超声波换能器(3)、变幅杆(4)和铣刀(5)组成，主轴(21)和电主轴(2)相连接，在电主轴的带动下，主轴在两个角接触球轴承(22)的支撑下带动前配块(15)、超声波换能器(3)、变幅杆(4)和铣刀(5)高速旋转。
6.根据权利要求4所述的超声波辅助微铣削设备，其特征在于：所说的超声波振动辅助装置由超声波发生器(9)、超声波换能器(3)、变幅杆(4)、前配块(15)和后配块(18)组成；前配块(15)与滑杆(16)紧配合连接，后配块(18)固结在主轴(21)上，后配块(18)与滑杆(16)间隙配合。
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