CN210679185U - 激光辅助旋转超声波加工机床 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于加工机床技术领域，尤其涉及一种激光辅助旋转超声波加工机床包括平面移动机构、竖向移动机构、激光发生器、超声波振动件和旋转主轴，平面移动机构用于安装工件并带动工件在水平面内移动，竖向移动机构呈竖向设置并位于平面移动机构的上方，激光发生器用于朝向工件发射激光以加热软化工件待加工的局部位置，竖向移动机构的输出端与旋转主轴连接并驱动旋转主轴在竖向移动，超声波振动件安装于旋转主轴上，旋转主轴用于安装刀具并驱动该刀具旋转，超声波振动件用于驱动旋转主轴振动进而带动刀具振动，使得刀具可一边旋转一边进行超声波振动加工，不需要对工件进行磨削加工，不会产生微裂纹。

Description

激光辅助旋转超声波加工机床

技术领域

本实用新型属于加工机床技术领域，尤其涉及一种激光辅助旋转超声波加工机床。

背景技术

现有工程陶瓷等硬脆材料的加工方式主要是磨削加工，但是采用磨削加工的方式，其加工的效率低，而且采用磨削加工时，硬脆材料的表面会产生微裂纹，这样直接影响了工程陶瓷的强度性能，加工完成的工程陶瓷的成品率低，加工效率也低，加工成本高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种激光辅助旋转超声波加工机床及加工方法，旨在解决现有技术中的加工硬脆材料时，硬脆材料的表面会产生微裂纹的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种激光辅助旋转超声波加工机床，包括平面移动机构、竖向移动机构、激光发生器、超声波振动件和旋转主轴，所述平面移动机构用于安装工件并带动工件在水平面内移动，所述竖向移动机构呈竖向设置并位于所述平面移动机构的上方，所述激光发生器用于朝向所述工件发射激光以加热软化所述工件待加工的局部位置，所述竖向移动机构的输出端与所述旋转主轴连接并驱动所述旋转主轴在竖向移动，所述旋转主轴的输出端朝向下设置，所述超声波振动件安装于所述旋转主轴上，所述旋转主轴用于安装刀具并驱动该刀具旋转，所述超声波振动件用于驱动所述旋转主轴振动进而带动所述刀具振动。

可选地，所述超声波振动件的振动频率的范围为20000Hz～22000Hz。

可选地，所述超声波振动件的振动幅度的范围为2um～35um。

可选地，所述旋转主轴的转速范围为20000rpm/min～40000rpm/min。

可选地，所述旋转主轴上设有活动卡接件，所述活动卡接件用于与所述刀具可拆卸连接。

可选地，所述激光发生器安装于所述竖向移动机构的输出端上，所述激光发生器的激光出射端朝向所述刀具的刃端设置。

可选地，所述激光辅助旋转超声波加工机床还包括温度检测器，所述温度检测器安装于所述竖向移动机构的输出端上，所述温度检测器用于检测所述工件表面的温度。

可选地，所述激光辅助旋转超声波加工机床还包括换刀机构，所述换刀机构包括刀具库和机械手臂，所述刀具库用于安装待更换的不同型号的所述刀具，所述机械手臂用于将位于所述刀具库上的所述刀具与位于所述旋转主轴上的所述刀具互换。

可选地，所述换刀机构还包括升降件和转动件，所述升降件的输出端与所述转动件连接并驱动所述转动件在所述刀具库和所述旋转主轴之间上下移动，所述转动件的输出端与所述机械手臂连接并驱动所述机械手臂在所述刀具库和所述旋转主轴之间水平转动，所述机械手臂的两端分别设有一个用于取放所述刀具的卡口。

本实用新型的有益效果：本实用新型的激光辅助旋转超声波加工机床，先将工件安装在平面移动机构的输出端上，使得工件可以在平面移动机构的带动下，在水平面内上自由移动，竖向移动机构带动旋转主轴在竖直方向移动，从而使得旋转主轴可以相对工件在三个方向移动(如X轴、Y轴和Z轴)，以对工件进行全方面的加工。在需要加工硬脆材料的工件时，启动激光发生器，使得激光发生器发射的激光朝向工件待加工的位置照射，以加热软化工件待加工的局部位置，从而增加硬脆性材料的塑脆转变深度，即使得脆性材料断裂强度大于屈服强度，使得加工中的脆性断裂变为连续塑性加工；刀具安装到旋转主轴上后，启动旋转主轴和超声波振动件，使得旋转主轴带动刀具同时旋转和振动，即刀具可一边高速旋转一边进行超声波振动加工，不需要对工件进行磨削加工，其加工效率高，加工的表面精度好，不会产生微裂纹，使得加工完成的工件具有良好的强度。

本实用新型提供的另一技术方案：一种加工方法，采用如上述的激光辅助旋转超声波加工机床，所述加工方法包括如下步骤：

S1：提供一待加工的工件并安装定位至所述平面移动机构的输出端上；

S2：启动所述激光发生器，使得所述激光发生器发射的激光朝向所述工件待加工的位置照射，以加热软化所述工件的待加工位置；

S3：将所述刀具安装至所述旋转主轴上，并启动所述旋转主轴和所述超声波振动件，使得所述旋转主轴同时旋转和振动；

S4：通过所述平面移动机构和所述竖向移动机构的相互配合使所述旋转主轴按照规定的路径移动，使得所述刀具对所述工件进行加工。

S5：加工完成后，取下所述工件。

本实用新型的加工方法，在使用激光发生器将硬脆性材料的工件软化而转变为连续塑性加工后，通过在旋转主轴安装超声波振动件，使得刀具可一边高速旋转一边进行超声波振动加工，而不需要对工件进行磨削加工，从而不会产生微裂纹，获得良好的加工表面精度，使得加工完成的工件具有良好的强度，并且其加工效率也高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。

图1为本实用新型实施例提供的激光辅助旋转超声波加工机床的结构示意图一；

图2为图1中A处的局部放大结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的激光辅助旋转超声波加工机床的结构示意图二；

图4为本实用新型实施例提供的激光辅助旋转超声波加工机床的部分结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的机械手臂的结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的加工方法的步骤图。

其中，图中各附图标记：

10—机架；

20—平面移动机构；

21—纵向移动模组；22—横向移动模组；

30—竖向移动机构；

31—竖向移动模组；

40—激光发生器；

50—旋转主轴；

60—刀具；

70—温度检测器；

80—换刀机构；

81—刀具库；82—机械手臂；83—定位件；821—卡口；831—定位口；

90—工件安装座。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图1～6描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”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。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实用新型中的具体含义。

如图1～5所示，本实用新型实施例提供了一种激光辅助旋转超声波加工机床，应用于对硬脆材料进行加工，如对单晶硅、硫化锌、硒化锌或氟化钙等红外晶体，以及碳化硅或碳化钨等硬脆光学材料的纳米级表面粗糙度的高效低损伤加工，还有工程陶瓷等；并且加工完成后，硬脆材料的表面上不会出现微裂纹。具体地，激光辅助旋转超声波加工机床包括平面移动机构20、竖向移动机构30、激光发生器40、超声波振动件(图未示)和旋转主轴50，平面移动机构20用于安装工件并带动工件在水平面内移动，竖向移动机构30呈竖向设置并位于平面移动机构20的上方，激光发生器40用于朝向工件发射激光以加热软化工件待加工的局部位置，竖向移动机构30的输出端与旋转主轴50连接并驱动旋转主轴50在竖向移动，旋转主轴50的输出端朝向下设置，超声波振动件安装于旋转主轴50上，所述旋转主轴用于安装刀具并驱动该刀具旋转，超声波振动件用于驱动旋转主轴50振动进而带动刀具60振动。

以下对本实用新型实施例提供的激光辅助旋转超声波加工机床作进一步说明：本实用新型实施例的激光辅助旋转超声波加工机床，先将工件安装在平面移动机构20的输出端上，使得工件可以在平面移动机构20的带动下，在水平面内上自由移动，竖向移动机构30带动旋转主轴50在竖直方向移动，从而使得旋转主轴50可以相对工件在三个方向任意移动(如X轴、Y轴和Z轴)，以对工件进行全方面的加工。在需要加工硬脆材料的工件时，启动激光发生器40，使得激光发生器40发射的激光朝向工件待加工的位置照射，以加热软化工件待加工的局部位置，从而增加硬脆性材料的塑脆转变深度，即使得脆性材料断裂强度大于屈服强度，使得加工中的脆性断裂变为连续塑性加工；刀具60安装到旋转主轴50上后，启动旋转主轴50和超声波振动件，使得旋转主轴50带动刀具60同时旋转和振动，即刀具60可一边高速旋转一边进行超声波振动加工，不需要对工件进行磨削加工，其加工效率高，加工的表面精度好，不会产生微裂纹，使得加工完成的工件具有良好的强度。

其中，超声波振动件为通过压电陶瓷将电能转换成动能，从而使得旋转主轴50进行微小振动，其中，超声振动件集成嵌入在旋转主轴50的内部。

进一步地，旋转主轴50包括定子和转子，转子安装在定子上并相对定子转动，定子安装在竖向移动机构30的输出端上，超声波振动件安装在转子上以驱动转子振动，刀具60安装在转子上并与转子同步振动和转动，转子的转速高，一般都在上万转，甚至十万转以上；通过转子的高速转动，以实现切削的线速度高，具有很强的切削能力，提高了加工的速度和生产的效率，并且高转速的加工还可以达到高质量的工件表面要求，然后结合超声波振动加工的特点，不需要对工件进行磨削加工，其加工效率高，加工的表面精度好。

在本实用新型的另一个实施例中，如图1、3所示，激光辅助旋转超声波加工机床还包括机架10和用于安装工件的工件安装座90，平面移动机构20水平地安装在机架10上，工件安装座90安装在平面移动机构20的输出端上，竖向移动机构30竖直地安装在机架10上并位于工件安装座90的上方。

在本实用新型的另一个实施例中，如图1、3所示，平面移动机构20包括纵向移动模组21和横向移动模组22，其中，纵向移动模组21和横向移动模组22均为丝杆模组，纵向移动模组21呈横向安装在机架10上，横向移动模组22呈纵向安装在纵向移动模组21的移动螺母上，纵向移动模组21的移动螺母带动横向移动模组22在横向移动，工件安装座90安装在横向移动模组22的移动螺母上；竖向移动机构30包括竖向移动模组31，其中，竖向移动模组31也为丝杆模组，旋转主轴50安装在竖向移动模组31的移动螺母上。

在本实用新型的另一个实施例中，超声波振动件的振动频率的范围为20000Hz～22000Hz。具体地，由于在加工的过程中，工件表面和产生微裂纹，那么通过使得超声波振动件的振动频率的范围为20000Hz～22000Hz，使得该振动幅度的刀具60可以更好地加工工件表面，处理掉微裂纹，使得工件表面的加工效果更好。

在本实用新型的另一个实施例中，超声波振动件的振动幅度的范围为2um～35um。具体地，通过使得超声波振动件的振动幅度的范围为2um～35um，那么刀具60的加工进给量可以更好地适应工件表面的屈服强度，不仅可以减少微裂纹的产生，而且可以提高加工效率。

在本实用新型的另一个实施例中，旋转主轴50的转速范围为20000rpm/min～40000rpm/min。具体地，在刀具60直径一定的情况下，根据公式：v＝wr(即线速度等于转速乘以直径)，转速越大，线速度越大，对于转变为塑性加工的工件，其切削能力越大，那么切削的效率就越高。通过使得旋转主轴50的转速范围为20000rpm/min～40000rpm/min，在保证刀具60切削能力的前提下，可以更好地防止工件表面加工时微裂纹的产生，保证加工效果。

在本实用新型的另一个实施例中，旋转主轴50上设有活动卡接件(图未示)，活动卡接件用于与刀具60可拆卸连接。具体地，活动卡接件包括拉簧和打刀缸，刀具60卡接在拉簧内，当在需要换刀时，设备对旋转主轴50发出松刀的信号，此时打刀缸驱动拉簧，使得拉簧松开刀具60，此时就可以将刀具60取下；当刀具60换装到旋转主轴50上时，设备对旋转主轴50发出夹紧的信号，此时打刀缸驱动拉簧，使得拉簧夹紧刀具60，这样安装在旋转主轴50上的刀具60才足够满足高速旋转和加工时的受力状态。

在本实用新型的另一个实施例中，如图1～3所示，激光发生器安装于竖向移动机构30的输出端上，激光发生器的激光出射端朝向刀具60的刃端设置。具体地，竖向移动机构30带动旋转主轴50和激光发生器40在竖直方向同步移动，从而使得旋转主轴50和激光发生器40可以相对工件在三个方向移动(如X轴、Y轴和Z轴)，对工件进行全方面的加工。那么在加工硬脆材料的工件时，通过使得激光发生器40发射的激光始终朝向刀具60的刃端设置(即刀具60的加工点与激光照射点始终位于同一位置)，那么就可以保证激光发生器40发射的激光始终对工件需要进行加工的位置进行激光照射，以使得工件的该处位置受到高温而软化，再进行切削。

在本实用新型的另一个实施例中，如图1～2所示，激光辅助旋转超声波加工机床还包括温度检测器70，温度检测器70安装于竖向移动机构30的输出端上，温度检测器70用于检测工件表面的温度。具体地，温度检测器70安装在竖向移动机构30的输出端上并朝向刀具60设置，温度检测器70、刀具60和激光发生器40在竖向移动机构30的带动下同步在竖向移动，通过温度检测器70的设置，使得激光发生器40在对工件待加工的位置进行加热时，可以及时地检测工件局部受热的温度，以便于对工件局部软化程度做出有效的控制，防止对工件过度软化影响加工。其中，温度检测器70优选为红外传感器，其检测精度为±1度。

在本实用新型的另一个实施例中，如图1、3、4所示，激光辅助旋转超声波加工机床还包括换刀机构80，换刀机构80包括刀具库81和机械手臂82，刀具库81用于安装待更换的不同型号的刀具60，机械手臂82用于将位于刀具库81上的刀具60与位于旋转主轴50上的刀具60互换。具体地，刀具库81上可安置众多不同型号的刀具60，以备加工时使用。换刀时，旋转主轴50上的活动卡接件先松开刀具60，然后机械手臂82将该刀具60取下，之后机械手臂82再将待安装的刀具60由刀具库81上取下并安装到旋转主轴50的活动卡接件上，安装好后，活动卡接件将刀具60夹紧即完成换刀。

在本实用新型的另一个实施例中，如图1、3、4、5所示，换刀机构80还包括升降件(图未示)和转动件(图未示)，升降件的输出端与转动件连接并驱动转动件在刀具库81和旋转主轴50之间上下移动，转动件的输出端与机械手臂82连接并驱动机械手臂82在刀具库81和旋转主轴50之间水平转动，机械手臂82的两端分别设有一个用于取放刀具60的卡口821。具体地，换刀机构80安装在机架10上，刀具库81呈圆形状，各个刀具60分布在刀具库81的外周(此时刀具60呈水平状放置)，在需要更换刀具60时，将刀具库81上的目标刀具60旋转到指定位置(其中刀具库81上设有定位件83，并且定位件上设有用于定位刀具的定位口831，目标刀具60旋转至定位口831处即可)，然后目标刀具60在刀具库81的作用下翻转至与旋转主轴50上的刀具60平行(此时目标刀具卡接在定位口831内)，然后机械手臂82在升降件的驱动下往下移动，再使得机械手臂82在转动件的驱动下水平旋转到要换刀位置，即机械手臂82下移到换刀平面后进行旋转，使得机械手臂82上的两个卡口821同时卡住旋转主轴50上的刀具60和刀具库81上的目标刀具60，在机械手臂82卡住旋转主轴50上的刀具60和刀具库81上的目标刀具60时，给旋转主轴50松刀的信号，旋转主轴50松刀后，机械手臂82下移，将旋转主轴50和刀具库81上的目标刀具60都拔下来(其中，刀具库81上的刀具60为设计的弹性元器件夹刀结构，不需要进行松刀动作)，在机械手臂82拔下旋转主轴50和刀具库81上的刀具60以后，进行180度旋转，两个位置上的刀具60位置就进行了互换，互换位置的刀具60随着机械手臂82上移，要换的刀具60到了更换的位置，即刀具库81上的目标刀具60到了与旋转主轴50配合的活动卡接件上，而旋转主轴50上的刀具60卡到了刀具库81上的弹性卡件上，机械手臂82到位后，旋转主轴50无法自行夹紧刀具60，需要给旋转主轴50夹刀信号，旋转主轴50再通过活动卡接件将刀具60定位打紧进行夹刀，这样旋转主轴50上的刀具60的夹持力才足够满足高速旋转和加工时的受力状态，换好刀后，机械手臂82旋转回原位置角度，最后机械手臂82上移回起始位置，刀具库81上的刀具60在摇摆90度回到原来的水平位置即完成换刀。其中，转动件可以为转动气缸或转动电机等，按需设置，升降件可以为升降气缸或升降电机等，按需设置。

本实用新型提供的另一技术方案：一种加工方法，采用如权利上述的激光辅助旋转超声波加工机床，加工方法包括如下步骤，如图6所示：

S1：提供一待加工的工件并安装定位至平面移动机构20的输出端上，并将刀具60安装至旋转主轴50上；

S2：启动激光发生器40，使得激光发生器40发射的激光朝向工件待加工的位置照射，以加热软化工件的待加工位置；

S3：启动旋转主轴50和超声波振动件，使得旋转主轴50同时旋转和振动；

S4：通过平面移动机构20和竖向移动机构30的相互配合使旋转主轴50按照规定的路径移动，使得刀具60对工件进行加工。

S5：加工完成后，取下工件。

本实用新型的加工方法，在使用激光发生器40将硬脆性材料的工件软化而转变为连续塑性加工后，通过在旋转主轴50安装超声波振动件，使得刀具60可一边高速旋转一边进行超声波振动加工，而不需要对工件进行磨削加工，从而不会产生微裂纹，获得良好的加工表面精度，使得加工完成的工件具有良好的强度，并且其加工效率也高。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光辅助旋转超声波加工机床，其特征在于：包括平面移动机构、竖向移动机构、激光发生器、超声波振动件和旋转主轴，所述平面移动机构用于安装工件并带动工件在水平面内移动，所述竖向移动机构呈竖向设置并位于所述平面移动机构的上方，所述激光发生器用于朝向所述工件发射激光以加热软化所述工件待加工的局部位置，所述竖向移动机构的输出端与所述旋转主轴连接并驱动所述旋转主轴在竖向移动，所述旋转主轴的输出端朝向下设置，所述超声波振动件安装于所述旋转主轴上，所述旋转主轴用于安装刀具并驱动该刀具旋转，所述超声波振动件用于驱动所述旋转主轴振动进而带动所述刀具振动。

2.根据权利要求1所述的激光辅助旋转超声波加工机床，其特征在于：所述超声波振动件的振动频率的范围为20000Hz～22000Hz。

3.根据权利要求1所述的激光辅助旋转超声波加工机床，其特征在于：所述超声波振动件的振动幅度的范围为2um～35um。

4.根据权利要求1所述的激光辅助旋转超声波加工机床，其特征在于：所述旋转主轴的转速范围为20000rpm/min～40000rpm/min。

5.根据权利要求1所述的激光辅助旋转超声波加工机床，其特征在于：所述旋转主轴上设有活动卡接件，所述活动卡接件用于与所述刀具可拆卸连接。

6.根据权利要求1～5任一项所述的激光辅助旋转超声波加工机床，其特征在于：所述激光发生器安装于所述竖向移动机构的输出端上，所述激光发生器的激光出射端朝向所述刀具的刃端设置。

7.根据权利要求1～5任一项所述的激光辅助旋转超声波加工机床，其特征在于：所述激光辅助旋转超声波加工机床还包括温度检测器，所述温度检测器安装于所述竖向移动机构的输出端上，所述温度检测器用于检测所述工件表面的温度。

8.根据权利要求1～5任一项所述的激光辅助旋转超声波加工机床，其特征在于：所述激光辅助旋转超声波加工机床还包括换刀机构，所述换刀机构包括刀具库和机械手臂，所述刀具库用于安装待更换的不同型号的所述刀具，所述机械手臂用于将位于所述刀具库上的所述刀具与位于所述旋转主轴上的所述刀具互换。

9.根据权利要求8所述的激光辅助旋转超声波加工机床，其特征在于：所述换刀机构还包括升降件和转动件，所述升降件的输出端与所述转动件连接并驱动所述转动件在所述刀具库和所述旋转主轴之间上下移动，所述转动件的输出端与所述机械手臂连接并驱动所述机械手臂在所述刀具库和所述旋转主轴之间水平转动，所述机械手臂的两端分别设有一个用于取放所述刀具的卡口。

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