CN209206942U - 一种三维超声振动切削加工工作头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种三维超声振动切削加工工作头，包括X超声振动臂、Y超声振动臂以及刀头三部分；X超声振动臂的前端刀头与Y超声振动臂的前端刀头连接。本实用新型功率型三维超声振动切削加工工作头的三个换能器的频率、振幅和相位可单独控制，亦可联动控制，从而实现工作头对刀具在X、Y、Z三个方向上振动位移的控制。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种三维超声振动切削加工工作头，属于精密金属切削加工领域。
背景技术
超声振动切削技术在硬脆材料、大塑性材料以及复合材料的精密切削加工方面表现出优良的工艺特性，受到国际学术界和企业界的普遍重视。日本、美国、俄罗斯、德国、英国、新加坡等国家先后开展超声振动切削技术的研究，进行了大量的实验分析和应用开发，取得了较多的研究成果。目前世界对超声振动切削技术的研究从实验逐步转向应用，实验装置也趋于实用化，在航空航天、超精密加工、光学器材加工、医学等领域得到相当程度的应用。
超声振动切削是将超声振动与传统切削相结合，即在切削过程中刀具附加周期性的高频超声振动，实现周期性的、间隙性的切削。由于刀尖与工件周期性分离，所以超声振动切削有着传统切削无法比拟的优势，如切削力小，切削温度低、变形小、残余应力小等。一维超声振动切削技术比较成熟，在很多领域效果也很显著，但由于振型单一，其不足也已显现出来，刀具与零件处于分离状态时，后刀面会摩擦、撞击已加工的表面，严重影响已加工表面的精度。由此可见，除了切削参数外，超声波振动的空间振型也是影响加工质量的关键因素，于是Moriwaki和Shamoto在20世纪50年代提出了二维超声椭圆振动切削法，实验证实二维超声椭圆振动切削与一维超声直线振动切削相比，可以更好的抑制工件表面加工毛刺的产生。但是二维超声椭圆振动切削相关产品很少。为弥补现有超声振动切削技术的不足，有必要设计具有二维或者更高维的切削加工工作头。
发明内容
本实用新型提供了一种三维超声振动切削加工工作头，以用于通过该工作头实现刀具在X、Y、Z三个方向上振动位移的控制。
本实用新型的技术方案是：一种三维超声振动切削加工工作头，包括X超声振动臂Ⅰ、Y超声振动臂Ⅱ以及刀头Ⅲ三部分；X超声振动臂Ⅰ的前端刀头Ⅲ与Y超声振动臂Ⅱ的前端刀头Ⅲ连接。
所述X超声振动臂Ⅰ是由卡盘5、套筒6、X臂超声波振子、筒体Ⅰ7、T型定位块8、长方体定位块9、筒体后端盖10、航空插头11组成；所述X臂超声波振子包括变幅杆Ⅰ4和1个超声波换能器12，超声波换能器12通过双头螺栓连接在变幅杆Ⅰ粗端403构成X臂超声波振子；变幅杆Ⅰ细端402穿过卡盘5伸出筒体Ⅰ7并通过双头螺栓与前端刀头Ⅲ连接，卡盘5与套筒6完成变幅杆Ⅰ节面401的定位，变幅杆Ⅰ粗端403穿过套筒6与超声波换能器12设置于筒体Ⅰ7内，套筒6安装在筒体Ⅰ7内并通过四个沉头螺钉与筒体Ⅰ7连接，卡盘5的外螺纹与筒体Ⅰ7前端的内螺纹配合完成与筒体Ⅰ7的连接，筒体后端盖10通过四个螺钉安装在筒体Ⅰ7的后端，T型定位块8、航空插头11均通过螺钉与筒体Ⅰ7连接；长方体定位块9与T型定位块8之间采用螺栓连接。
所述Y超声振动臂Ⅱ是由筒体Ⅱ1、筒体前端盖2、Y臂超声波振子、T型定位块8、长方体定位块9、筒体后端盖10、航空插头11组成；所述Y臂超声波振子包括变幅杆Ⅱ3、2个超声波换能器12，2个超声波换能器12Z向竖直排列并分别通过双头螺栓连接在变幅杆Ⅱ粗端303构成Y臂超声波振子；变幅杆Ⅱ细端302穿过筒体前端盖2伸出筒体Ⅱ1并通过双头螺栓与前端刀头Ⅲ连接，筒体Ⅱ1和筒体前端盖2完成Y臂超声波振子变幅杆Ⅱ节面301的定位，变幅杆Ⅱ粗端303及2个超声波换能器12设置于筒体Ⅱ1内，筒体前端盖2通过四个沉头螺钉与筒体Ⅱ1前端连接，筒体后端盖10通过四个螺钉安装在筒体Ⅱ1的后端，T型定位块8、航空插头11均通过螺钉与筒体Ⅱ1连接，长方体定位块9与T型定位块8之间采用螺栓连接。
所述超声波换能器12由前盖板13、带电极15的环形压电陶瓷晶片14、后盖板16、预紧力调节螺母17、预紧力调节螺栓18组成，每个换能器包含4片环形压电陶瓷晶片14；4片环形压电陶瓷晶片14按照机械串联、电路两两串联然后并联的方式连接，预紧力调节螺栓18依次穿过预紧力调节螺母17、后盖板16、环形压电陶瓷晶片14、前盖板13并通过预紧力调节螺母17预紧。
所述筒体Ⅰ7侧面开有散热栅，筒体后端盖10上开有散热环，通过筒体后端盖10上安装散热风扇帮助超声波换能器12散热。
所述筒体Ⅱ1侧面开有散热栅，筒体后端盖10上开有散热环，通过筒体后端盖10上安装散热风扇帮助超声波换能器12散热。
本实用新型的有益效果是：本实用新型功率型三维超声振动切削加工工作头的三个换能器的频率、振幅和相位可单独控制，亦可联动控制，从而实现工作头对刀具在X、Y、Z三个方向上振动位移的控制，使刀具生成各种三维空间振型，工作头的输出功率大，可以确保振型的可靠输出。通过对三个换能器振幅、频率和相位的连续调整，既可以作于实现对工件表面微观形貌、切屑形貌的控制，亦可深入研究振型对切削刀具的影响、对切屑形貌的影响、对工件加工质量的影响，从而提供刀具的加工性能，降低工件的表面粗糙度，提供工件的加工精度。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型的剖示图；
图3为图2的A-A剖示图；
图4为本实用新型中X超声振动臂Ⅰ、Y超声振动臂Ⅱ的内部结构示意图；
图5为本实用新型中变幅杆Ⅰ的结构示意图；
图6为本实用新型中变幅杆Ⅱ的结构示意图；
图7为本实用新型中超声波换能器的结构示意图；
图中各标号为：Ⅰ-X超声振动臂、Ⅱ-Y超声振动臂、Ⅲ-刀头、1-筒体Ⅱ、2-筒体前端盖、3-变幅杆Ⅱ、301-变幅杆Ⅱ节面、301-变幅杆Ⅱ细端、303-变幅杆Ⅱ粗端、4-变幅杆Ⅰ、401-变幅杆Ⅰ节面、402-变幅杆Ⅰ细端、4-变幅杆Ⅰ粗端、5-卡盘、6-套筒、7-筒体Ⅰ、8-T型定位块、9-长方体定位块、10-筒体后端盖、11-航空插头、12-超声波换能器；13-前盖板、14-环形压电陶瓷晶片、15电极、16-后盖板、17-预紧力调节螺母、18-预紧力调节螺栓。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型作进一步说明，但本实用新型的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1-7所示，一种三维超声振动切削加工工作头，包括X超声振动臂Ⅰ、Y超声振动臂Ⅱ以及刀头Ⅲ三部分；X超声振动臂Ⅰ的前端刀头Ⅲ与Y超声振动臂Ⅱ的前端刀头Ⅲ通过柔性绞链正交连接；两个振动臂的装夹严格按照标准四工位刀架安装尺寸设计，以方便在机床上安装使用。
进一步地，可以设置所述X超声振动臂Ⅰ是由卡盘5、套筒6、X臂超声波振子、筒体Ⅰ7、T型定位块8、长方体定位块9、筒体后端盖10、航空插头11组成；所述X臂超声波振子包括变幅杆Ⅰ4和1个超声波换能器12，超声波换能器12通过双头螺栓连接在变幅杆Ⅰ粗端403构成X臂超声波振子；变幅杆Ⅰ细端402穿过卡盘5伸出筒体Ⅰ7并通过双头螺栓与前端刀头Ⅲ连接，卡盘5与套筒6完成变幅杆Ⅰ节面401的定位（此处位移、振速为0，专门用于装卡、定位），变幅杆Ⅰ粗端403穿过套筒6与超声波换能器12设置于筒体Ⅰ7内，套筒6安装在筒体Ⅰ7内并通过四个沉头螺钉与筒体Ⅰ7连接，卡盘5的外螺纹与筒体Ⅰ7前端的内螺纹配合完成与筒体Ⅰ7的连接，筒体后端盖10通过四个螺钉安装在筒体Ⅰ7的后端，T型定位块8、航空插头11均通过螺钉与筒体Ⅰ7连接；长方体定位块9与T型定位块8之间采用螺栓连接用于在车床刀架上装卡定位。
进一步地，可以设置所述Y超声振动臂Ⅱ是由筒体Ⅱ1、筒体前端盖2、Y臂超声波振子、T型定位块8、长方体定位块9、筒体后端盖10、航空插头11组成；所述Y臂超声波振子包括变幅杆Ⅱ3、2个超声波换能器12，2个超声波换能器12Z向竖直排列并分别通过双头螺栓连接在变幅杆Ⅱ粗端303构成Y臂超声波振子；变幅杆Ⅱ细端302穿过筒体前端盖2伸出筒体Ⅱ1并通过双头螺栓与前端刀头Ⅲ连接，筒体Ⅱ1和筒体前端盖2完成Y臂超声波振子变幅杆Ⅱ节面301的定位（此处位移、振速为0，专门用于装卡、定位），变幅杆Ⅱ粗端303及2个超声波换能器12设置于筒体Ⅱ1内，筒体前端盖2通过四个沉头螺钉与筒体Ⅱ1前端连接，筒体后端盖10通过四个螺钉安装在筒体Ⅱ1的后端，T型定位块8、航空插头11均通过螺钉与筒体Ⅱ1连接，长方体定位块9与T型定位块8之间采用螺栓连接用于在车床刀架上装卡定位。
进一步地，可以设置所述超声波换能器12由前盖板13、带电极15的环形压电陶瓷晶片14、后盖板16、预紧力调节螺母17、预紧力调节螺栓18组成，每个换能器包含4片环形压电陶瓷晶片14；4片环形压电陶瓷晶片14按照机械串联、电路两两串联然后并联的方式连接，预紧力调节螺栓18依次穿过预紧力调节螺母17、后盖板16、环形压电陶瓷晶片14、前盖板13并通过预紧力调节螺母17预紧；超声波换能器12的电极15通过在筒体（筒体Ⅱ1、筒体Ⅰ7）上安装的航空插头11与三维EVC控制系统（见吉林大学2013年硕士论文《一种三维椭圆振动切削装置的研制》，作者：刘培会）连接。X臂与Y臂的超声波换能器结构相同，可根据实际应用中两个臂功率的大小进行定制。
进一步地，可以设置所述筒体Ⅰ7侧面开有散热栅，筒体后端盖10上开有散热环，通过筒体后端盖10上安装散热风扇帮助超声波换能器12散热。
进一步地，可以设置所述筒体Ⅱ1侧面开有散热栅，筒体后端盖10上开有散热环，通过筒体后端盖10上安装散热风扇帮助超声波换能器12散热。
所述刀头Ⅲ与变幅杆Ⅰ4、变幅杆Ⅱ3均采用弹性好、抗疲劳性能好的38CrMoAl定制，变幅杆Ⅰ4、变幅杆Ⅱ3通过双头螺栓与刀头Ⅲ连接，实现高频振动的传递。
本实用新型的工作原理是：
工作时，将三维超声振动切削加工工作头安装在车床的四工位刀架上，将刀片安装在刀头上，用螺丝拧紧，超声波换能器12的电极15通过在筒体Ⅰ7、筒体Ⅱ1上安装的航空插头11与三维EVC控制系统连接。T型定位块8与筒体间的安装要可靠，不能有窜动和间隙；超声波换能器12的电极15焊完导线后，应喷涂绝缘漆，防止高频放电导致环形压电陶瓷晶片14损坏；变幅杆Ⅱ节面301与筒体前端盖2、变幅杆Ⅰ节面401与卡盘5之间安装时留有间隙（如20um左右），以确保变幅杆Ⅱ3、变幅杆Ⅰ4的自由振动；刀头Ⅲ与变幅杆Ⅱ3、变幅杆Ⅰ4之间要紧固连接；在筒体后端盖10内侧务必安装散热风扇，配合散热栅、散热环促进局部空气的循环，改善散热效果，提高超声波换能器12的工作效率。
在对硬脆材料及大塑性材料进行超声波切削加工时，装卡三维超声振动切削加工工作头的车床刀架正常进给，三维EVC控制系统通过航空插头11向带有电极15的超声波换能器12输入高频脉冲信号，使超声波换能器12产生纵向超声振动，通过调整高频脉冲信号的频率、振幅和相位使三个超声波换能器12同一时刻产生不同的超声波振动。三维超声振动切削工作头的运动可以分解为两部分：①X超声振动臂Ⅰ的振动臂前端刀头Ⅲ与Y超声振动臂Ⅱ的振动臂前端刀头Ⅲ通过柔性绞链正交连接，当X、Y臂振幅不同时，可带动X超声振动臂Ⅰ、Y超声振动臂Ⅱ两个的刀头Ⅲ产生X、Y向的移动和Z向的转动；②Y超声振动臂变幅杆Ⅱ3因选取材料弹性好且与超声波换能器连接部分为锥形容易产生扭曲变形，当Y臂内两个超声波换能器的振幅不同时，可带动变幅杆Ⅱ3及刀头Ⅱ3产生X方向的转动。所以当对三个超声波换能器12脉冲信号的频率、振幅和相位联动控制时，这几个运动便可合成刀尖的任意三维超声波振动，从而实现工件的三维超声振动切削加工。通过对三个超声波换能器12振幅、频率、相位的连续调整，可以达到对工件表面微观形貌、切屑形貌的可控，从而降低工件的表面粗糙度，改善工件的加工特性，提高工件表面的加工精度。当采用大功率压电换能器作为振动源，输出最大功率可达700W。
上面结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种三维超声振动切削加工工作头，其特征在于：包括X超声振动臂、Y超声振动臂以及刀头三部分；X超声振动臂的前端刀头与Y超声振动臂的前端刀头连接。
2.根据权利要求1所述的三维超声振动切削加工工作头，其特征在于：所述X超声振动臂是由卡盘（5）、套筒（6）、X臂超声波振子、筒体Ⅰ（7）、T型定位块（8）、长方体定位块（9）、筒体后端盖（10）、航空插头（11）组成；所述X臂超声波振子包括变幅杆Ⅰ（4）和1个超声波换能器（12），超声波换能器（12）通过双头螺栓连接在变幅杆Ⅰ粗端（403）构成X臂超声波振子；变幅杆Ⅰ细端（402）穿过卡盘（5）伸出筒体Ⅰ（7）并通过双头螺栓与前端刀头连接，卡盘（5）与套筒（6）完成变幅杆Ⅰ节面（401）的定位，变幅杆Ⅰ粗端（403）穿过套筒（6）与超声波换能器（12）设置于筒体Ⅰ（7）内，套筒（6）安装在筒体Ⅰ（7）内并通过四个沉头螺钉与筒体Ⅰ（7）连接，卡盘（5）的外螺纹与筒体Ⅰ（7）前端的内螺纹配合完成与筒体Ⅰ（7）的连接，筒体后端盖（10）通过四个螺钉安装在筒体Ⅰ（7）的后端，T型定位块（8）、航空插头（11）均通过螺钉与筒体Ⅰ（7）连接；长方体定位块（9）与T型定位块（8）之间采用螺栓连接。
3.根据权利要求1所述的三维超声振动切削加工工作头，其特征在于：所述Y超声振动臂是由筒体Ⅱ（1）、筒体前端盖（2）、Y臂超声波振子、T型定位块（8）、长方体定位块（9）、筒体后端盖（10）、航空插头（11）组成；所述Y臂超声波振子包括变幅杆Ⅱ（3）、2个超声波换能器（12），2个超声波换能器（12）Z向竖直排列并分别通过双头螺栓连接在变幅杆Ⅱ粗端（303）构成Y臂超声波振子；变幅杆Ⅱ细端（302）穿过筒体前端盖（2）伸出筒体Ⅱ（1）并通过双头螺栓与前端刀头连接，筒体Ⅱ（1）和筒体前端盖（2）完成Y臂超声波振子变幅杆Ⅱ节面（301）的定位，变幅杆Ⅱ粗端（303）及2个超声波换能器（12）设置于筒体Ⅱ（1）内，筒体前端盖（2）通过四个沉头螺钉与筒体Ⅱ（1）前端连接，筒体后端盖（10）通过四个螺钉安装在筒体Ⅱ（1）的后端，T型定位块（8）、航空插头（11）均通过螺钉与筒体Ⅱ（1）连接，长方体定位块（9）与T型定位块（8）之间采用螺栓连接。
4.根据权利要求2或3所述的三维超声振动切削加工工作头，其特征在于：所述超声波换能器（12）由前盖板（13）、带电极（15）的环形压电陶瓷晶片（14）、后盖板（16）、预紧力调节螺母（17）、预紧力调节螺栓（18）组成，每个换能器包含4片环形压电陶瓷晶片（14）；4片环形压电陶瓷晶片（14）按照机械串联、电路两两串联然后并联的方式连接，预紧力调节螺栓（18）依次穿过预紧力调节螺母（17）、后盖板（16）、环形压电陶瓷晶片（14）、前盖板（13）并通过预紧力调节螺母（17）预紧。
5.根据权利要求2所述的三维超声振动切削加工工作头，其特征在于：所述筒体Ⅰ（7）侧面开有散热栅，筒体后端盖（10）上开有散热环，通过筒体后端盖（10）上安装散热风扇帮助超声波换能器（12）散热。
6.根据权利要求3所述的三维超声振动切削加工工作头，其特征在于：所述筒体Ⅱ（1）侧面开有散热栅，筒体后端盖（10）上开有散热环，通过筒体后端盖（10）上安装散热风扇帮助超声波换能器（12）散热。
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20190806 Termination date: 20201112 |