一種精密或超精密車削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置製造方法

2023-07-19 11:13:01

一種精密或超精密車削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及精密超精密加工【技術領域】，提供了一種超聲振動加工裝置，主要由超聲振動單元、外殼和刀具組成。縮緊環結構的外殼對超聲振動單元的2處波節位置進行緊固，非常容易調整外殼的長度，實現外殼內環形凸臺始終緊固在超聲振動單元的波節位置。該裝置的工作頻率在38±0.5KHz，不產生噪聲汙染，加工效率高，且其裝配環節少、刀片安裝和卸載方便；同時，該裝置剛度好、密封性好；本發明在難加工材料加工和細長軸、薄壁件等弱剛度零件的切削加工方面效果顯著，可以顯著減小切削力、切削溫度，刀具磨損和工件材料切削加工變形，提高了工件加工表面質量和形位精度，減少了後續加工工藝，進而提高加工效率和經濟性。
【專利說明】一種精密或超精密車削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種精密或超精密加工中難加工材料、薄壁件及細長軸類零件的加工裝置，具體涉及一種精密或超精密車削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置。
【背景技術】
[0002]超聲振動切削最早是由日本學者提出的，它是將超聲振動附加於刀具上，使原本連續的切削過程變成高頻的斷續切削過程。超聲振動切削具有切削力小、切削溫度低、不產生積屑瘤和抑制切削顫振等優點，大大提高了加工零件的表面質量和形位精度，延長了刀具使用壽命。對高溫合金、鈦合金、複合材料和陶瓷等難加工材料以及細長軸和薄壁件等弱剛度零件的加工具有顯著的優勢，同時也實現了黑色金屬的金剛石超精密切削。
[0003]採用傳統的超聲振動切削加工方式進行加工存在很多問題:
[0004]1.使用範圍小。若使用一維縱向超聲振動切削裝置，存在著觀察不方便、刀具裝夾不方便和對刀困難等問題，而且一般只能用來加工圓柱面和端面，對自由曲面或者凹槽等不規則面則無法加工；
[0005]2.實用程度低。若採用傳統的模式轉換型彎曲振動加工裝置，由於裝卡和配合的環節比較多，裝卡和調整環節麻煩，而且縱向振動轉換為彎曲振動的效率不易保證；同時刀具發生磨損後，由于振動裝置的尺寸發生改變，振動的頻率和波節位置發生改變，切削加工過程極不穩定，使用極其不方便，現在多應用於實驗研究，工業應用化程度較低；
[0006]3.存在噪聲汙染。目前普遍使用的振動切削裝置的工作頻率大多在20HKz附近，超聲振動裝置工作時發生刺耳的鳴響聲，產生噪聲汙染，危害操作人員的身心健康。

【發明內容】

[0007]本發明的目的是為了解決航空、航天和軍工等領域各種難加工材料以及細長軸和薄壁件等弱剛度零件切削加工的問題，提供一種精密或超精密車削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置。
[0008]本發明的精密或超精密車削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置是將超聲振動單元通過前蓋板上處于波節位置的法蘭固定到圓筒狀外殼上，並通過外殼內部的環形凸臺緊固超聲振動單元的另一處波節位置，使超聲振動單元構成2點支撐，提高了超聲振動裝置的剛度和穩定性；該超聲振動單元能使刀具的振動頻率達到38±0.5KHz，振動幅值在4微米以上，顯著提高了加工效率，保證加工精度。
[0009]本發明提供一種精密或超精密切削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置，其特徵在於，該切削裝置包括超聲振動單元、套於超聲振動單元外表面的外殼和安裝在超聲振動單元的輸出端上的刀具；
[0010]超聲振動單元包括通過緊固螺釘依次連接的法蘭式前蓋板、激勵源、後蓋板，法蘭式前蓋板為一體加工成型的階梯軸結構，其一端設有變幅杆，變幅杆的前端設有用於安裝刀具的刀槽，法蘭式前蓋板的另一端設有用於連接緊固螺釘的螺紋段的第一螺紋孔，法蘭式前蓋板的波節位置上設計有法蘭盤，法蘭盤上設有第二螺紋孔；
[0011]激勵源包括第一銅片電極、第二銅片電極、第三銅片電極、第四銅片電極、第五銅片電極和第一半圓環形壓電陶瓷片、第二半圓環形壓電陶瓷片、第三半圓環形壓電陶瓷片、第四半圓環形壓電陶瓷片、第五半圓環形壓電陶瓷片、第六半圓環形壓電陶瓷片、第七半圓環形壓電陶瓷片和第八半圓環形壓電陶瓷片，兩兩半圓環形壓電陶瓷片形成一個圓環形壓電陶瓷片，並且將該圓環形壓電陶瓷片置於兩個銅片電極之間，所述銅片電極中心設有孔，半圓環形壓電陶瓷片組合在一起時中間也形成孔，以使緊固螺釘可以從中穿過；
[0012]外殼中部設有用於放置超聲振動單元的空腔，外殼的上端面上設有多個第三螺紋孔，該螺紋孔與超聲振動單元的法蘭盤上的第二螺紋孔配合。
[0013]根據本發明的優選實施方式，外殼還包括從空腔向外延伸的上卡盤和下卡盤，上卡盤上設有多個沉頭螺紋孔，下卡盤上設有多個第四螺紋孔，空腔內設有環形凸臺，通過沉頭螺栓實現外殼內部的環形凸臺與超聲振動單元的後蓋板的緊縮配合。
[0014]根據本發明的優選實施方式，刀具通過變幅杆前端的刀槽和頂絲螺紋孔安裝在超聲振動單兀的輸出端上。
[0015]根據本發明的優選實施方式，所述激勵源的工作頻率為38±0.5KHz。
[0016]根據本發明的優選實施方式，所述激勵源的結構為8片半圓環形陶瓷片組成的4片結構的圓環形壓電陶瓷堆，第一銅片電極與第二銅片電極之間放置第一半圓環形壓電陶瓷片與第八半圓環形壓電陶瓷片形成的圓環形壓電陶瓷片；第二銅片電極與第三銅片電極之間放置第二半圓環形壓電陶瓷片與第七半圓環形壓電陶瓷片形成的圓環形壓電陶瓷片；第三銅片電極與第四銅片電極之間放置第三半圓環形壓電陶瓷片與第六半圓環形壓電陶瓷片形成的圓環形壓電陶瓷片；第四銅片電極與第五銅片電極之間放置第四半圓環形壓電陶瓷片與第五半圓環形壓電陶瓷片形成的圓環形壓電陶瓷片。
[0017]根據本發明的優選實施方式，所述變幅杆上安裝刀具的刀槽為對稱結構。
[0018]根據本發明的優選實施方式，刀具可根據加工需要採用天然單晶金剛石刀具、聚晶金剛石刀具、CBN刀具或硬質合金刀具。
[0019]根據本發明的優選實施方式，外殼是一個縮緊環結構。
[0020]根據本發明的優選實施方式，所述外殼內部的環形凸臺處於超聲振動單元的波節位置。
[0021]本發明精密或超精密車削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置的優點在於:
[0022]①超聲振動切削裝置的共振頻率為38±-0.5KHz，遠遠超出了人耳能夠聽到的聲頻區域，不會造成噪音汙染。
[0023]②超聲振動切削裝置通過其緊固螺栓將變幅杆上的發蘭與外殼連接在一起，既保證了連接的剛度，又很好的起到了密封防護作用，外界的切削液和灰塵不會進入外殼內，有效的防護了超聲振動切削裝置。
[0024]③超聲振動切削裝置變幅杆上的法蘭位於其波節位置處，因此裝置的超聲振動不會傳遞到刀架和工具機上，保證了加工裝置和加工質量的穩定。
[0025]④外殼內部的環形凸臺緊固在超聲振動單元後蓋板上靠近驅動源一側的波節位置處，該處支撐與變幅杆上法蘭構成2個支撐點，既有效地保證了超聲振動裝置的支撐剛度，又不會將裝置的超聲振動傳遞到工具機上，保證了加工裝置的加工質量的穩定。
[0026]⑤外殼的長度修正方便，因此裝配時非常有利於調整外殼內環形凸臺與超聲振動單元配合的位置。
[0027]⑥採用多片薄壓電陶瓷配合的結構，即保證了輸出功率的要求，又降低了驅動電壓，提高了安全性。
[0028]⑦本發明裝置還可以應用於立式加工中心上做刨削裝置用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本發明精密或超精密車削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置的外部結構圖:1-外殼；2_超聲振動單元；3_刀具；
[0030]圖1A是本發明精密或超精密車削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置的剖視圖:1-外殼；2_超聲振動單兀；3_刀具；
[0031]圖1B是本發明精密或超精密車削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置的分解圖:21_法蘭式如蓋板；22_驅動源；23_後蓋板；24_緊固螺栓；
[0032]圖2是本發明超聲振動單元中法蘭前蓋板的結構圖:211-變幅杆；212_第二螺紋孔；213_第一螺紋孔；214_法蘭盤；215_刀槽；216_頂絲螺紋孔；
[0033]圖2A是本發明超聲振動單元中激勵源的結構圖:2201-第一銅片電極；2202_第二銅片電極；2203_第三銅片電極；2204_第四銅片電極；2205_第五銅片電極；2206_第一半圓環形壓電陶瓷片；2207_第二半圓環形壓電陶瓷片；2208_第三半圓環形壓電陶瓷片；2209-第四半圓環形壓電陶瓷片；2210_第五半圓環形壓電陶瓷片；2211_第六半圓環形壓電陶瓷片；2212_第七半圓環形壓電陶瓷片；2213_第八半圓環形壓電陶瓷片；
[0034]圖2B是本發明超聲振動單元中激勵源的分解圖:2201-第一銅片電極；2202_第二銅片電極；2203_第三銅片電極；2204_第四銅片電極；2205_第五銅片電極；2206_第一半圓環形壓電陶瓷片；2207_第二半圓環形壓電陶瓷片；2208_第三半圓環形壓電陶瓷片；2209-第四半圓環形壓電陶瓷片；2210_第五半圓環形壓電陶瓷片；2211_第六半圓環形壓電陶瓷片；2212_第七半圓環形壓電陶瓷片；2213_第八半圓環形壓電陶瓷片；
[0035]圖3是本發明筒狀外殼的結構圖:11_下卡盤；12_第三螺紋孔；13_空腔；14_上端面；15-接線螺紋孔；16-沉頭螺紋孔；17-環形凸臺；18-上卡盤；
[0036]圖3A是本發明筒狀外殼的另一視角結構圖:19_第四螺紋孔；
[0037]圖3B是本發明筒狀外殼的剖視圖:17_環形凸臺；18_上卡盤。
【具體實施方式】
[0038]以下結合實施例和附圖對本發明作進一步說明:
[0039]參見圖1、圖1A、圖1B所示，本發明的一種精密或超精密車削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置，該切削裝置包括超聲振動單元2、套於超聲振動單元2外表面的外殼I和通過外殼I前端的頂絲螺紋孔216和刀槽215安裝在超聲振動單元2的輸出端上的刀具3。
[0040](一 )超聲振動單元2
[0041]參見圖1B所示，超聲振動單元2包括法蘭式前蓋板21、激勵源22、後蓋板23和緊固螺釘24 ;後蓋板(23)的結構為空心圓柱體結構。
[0042]參見圖2所示，法蘭式前蓋板21為一體加工成型的階梯軸結構，該結構一端為變幅杆211，變幅杆211的前端設有用於安裝刀具3的刀槽215，法蘭式前蓋板21的另一端設有第一螺紋孔213，法蘭式前蓋板21的波節位置還設計有法蘭盤214結構；法蘭盤214上設有第二螺紋孔212，法蘭盤214上的多個第二螺紋孔212與外殼I上端面14的多個第三螺紋孔12配合，實現法蘭式前蓋板21與外殼I上端面的連接；第一螺紋孔213用於連接緊固螺釘24的螺紋段；緊固螺栓24的螺紋段順次穿過後蓋板23、激勵源22後，螺紋連接在法蘭式前蓋板21的第二螺紋孔213內，從而實現將後蓋板23、激勵源22和前蓋板21的緊固在一起。
[0043]參見圖2A、2B所示，激勵源22包括有5個銅片電極(第一銅片電極2201、第二銅片電極2202、第三銅片電極2203、第四銅片電極2204、第五銅片電極2205)和8個半圓環形壓電陶瓷片(第一半圓環形壓電陶瓷片2206、第二半圓環形壓電陶瓷片2207、第三半圓環形壓電陶瓷片2208、第四半圓環形壓電陶瓷片2209、第五半圓環形壓電陶瓷片2210、第六半圓環形壓電陶瓷片2211、第七半圓環形壓電陶瓷片2212和第八半圓環形壓電陶瓷片2213)，兩兩半圓環形壓電陶瓷片形成一個圓環形壓電陶瓷片，並且將該圓環形壓電陶瓷片置於兩個銅片電極之間，即第一半圓環形壓電陶瓷片2206與第八半圓環形壓電陶瓷片2213形成一個圓環形壓電陶瓷片，第二半圓環形壓電陶瓷片2207與第七半圓環形壓電陶瓷片2212形成另一個圓環形壓電陶瓷片，第三半圓環形壓電陶瓷片2208與第六半圓環形壓電陶瓷片2211形成另一個圓環形壓電陶瓷片，第四半圓環形壓電陶瓷片2209與第五半圓環形壓電陶瓷片2210形成另一個圓環形壓電陶瓷片；第一銅片電極2201與第二銅片電極2202之間放置的是第一半圓環形壓電陶瓷片2206與第八半圓環形壓電陶瓷片2213形成一個圓環形壓電陶瓷片；第二銅片電極2202與第三銅片電極2203之間放置的是第二半圓環形壓電陶瓷片2207與第七半圓環形壓電陶瓷片2212形成另一個圓環形壓電陶瓷片；第三銅片電極2203與第四銅片電極2204之間放置的是第三半圓環形壓電陶瓷片2208與第六半圓環形壓電陶瓷片2211形成另一個圓環形壓電陶瓷片；第四銅片電極2204與第五銅片電極2205之間放置的是第四半圓環形壓電陶瓷片2209與第五半圓環形壓電陶瓷片2210形成另一個圓環形壓電陶瓷片；
[0044]五個銅片電極中心設有孔，半圓環形壓電陶瓷片組合在一起時中間也形成孔，以使緊固螺釘24可以穿過整個激勵源22。在本發明中，激勵源22用於產生加工時的彎曲振動。
[0045](二)外殼 I
[0046]參見圖3、圖3A、圖3B所不,夕卜殼I為一體加工成型件，外殼I的中部是用於放置超聲振動單元2的空腔13 ;外殼I的上端面14上設有多個第三螺紋孔12，該螺紋孔12與超聲振動單元2的法蘭214上的第二螺紋孔212配合，通過螺栓實現超聲振動單元2與外殼I的上端面14的配合；外殼I還包括從空腔13向外延伸的上卡盤18和下卡盤11,外殼的上卡盤18設有多個沉頭螺紋孔16，外殼的下卡盤11設有多個第四螺紋孔19，上卡盤18上設有的多個沉頭螺紋孔16和下卡盤11上設有的多個第四螺紋孔19配合，通過沉頭螺栓實現空腔13內的環形凸臺17與超聲振動單元2的後蓋板23的縮緊配合；外殼I殼體中部設有接線螺紋孔15，用於超聲振動單元2與外接電源連線。[0047]刀具可根據加工需要採用天然單晶金剛石刀具、聚晶金剛石刀具、CBN刀具和硬質合金刀具。
[0048]振動激勵源22選用型號PZT-8半圓環壓電陶瓷片，能夠提供給變幅杆211的功率為O?100W，且連續可調。
[0049]本發明的一種精密或超精密車削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置的工作過程為:當激勵源22通上超聲激勵電源後，通過調節頻率和電壓可以在刀具刀尖處實現一定振幅的高頻彎曲振動。通過設置工具機進給參數,從而實現高頻超聲振動切削加工。
【權利要求】
1.一種精密或超精密切削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置，其特徵在於，該切削裝置包括超聲振動單元(2)、套於超聲振動單元(2)外表面的外殼(I)、和安裝在超聲振動單元⑵的輸出端上的刀具⑶； 超聲振動單元(2)包括通過緊固螺釘(24)依次連接的法蘭式前蓋板(21)、激勵源(22)和後蓋板(23)，法蘭式前蓋板(21)為一體加工成型的階梯軸結構，其一端設有變幅杆(211)，變幅杆(211)的前端設有用於安裝刀具(3)的刀槽(215)，法蘭式前蓋板(21)的另一端設有用於連接緊固螺釘(24)的螺紋段的第一螺紋孔(213)，法蘭式前蓋板(21)的波節位置上設計有法蘭盤(214)，法蘭盤(214)上設有第二螺紋孔(212)； 激勵源(22)包括第一銅片電極(2201)、第二銅片電極(2202)、第三銅片電極(2203)、第四銅片電極(2204)、第五銅片電極(2205)和第一半圓環形壓電陶瓷片(2206)、第二半圓環形壓電陶瓷片(2207)、第三半圓環形壓電陶瓷片(2208)、第四半圓環形壓電陶瓷片(2209)、第五半圓環形壓電陶瓷片(2210)、第六半圓環形壓電陶瓷片(2211)、第七半圓環形壓電陶瓷片(2212)和第八半圓環形壓電陶瓷片(2213)，兩兩半圓環形壓電陶瓷片形成一個圓環形壓電陶瓷片，並且將該圓環形壓電陶瓷片置於兩個銅片電極之間，所述銅片電極中心設有孔，半圓環形壓電陶瓷片組合在一起時中間也形成孔，以使緊固螺釘(24)可以從中穿過； 外殼(I)中部設有用於放置超聲振動單元(2)的空腔(13)，外殼(I)的上端面(14)上設有多個第三螺紋孔(12)，該螺紋孔(12)與超聲振動單元(2)的法蘭盤(214)上的第二螺紋孔(212)配合。
2.根據權利要求1所述的適用於精密或超精密車削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置，其特徵在於， 外殼(I)還包括從空腔(13)向外延伸的上卡盤(18)和下卡盤(11)，上卡盤(18)上設有多個沉頭螺紋孔(16)，下卡盤(11)上設有多個第四螺紋孔(19)，空腔(13)內設有環形凸臺(17)，通過沉頭螺栓實現外殼(I)內部的環形凸臺(17)與超聲振動單元(2)的後蓋板(23)的緊縮配合。
3.根據權利要求1或2所述的適用於精密或超精密車削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置，其特徵在於，刀具⑶通過變幅杆(211)前端的刀槽(215)和頂絲螺紋孔(216)安裝在超聲振動單元(2)的輸出端上。
4.根據權利要求1-3中任意一項所述的適用於精密或超精密車削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置，其特徵在於，所述激勵源(22)的工作頻率為38±0.5KHz。
5.根據權利要求1-4中任意一項所述的適用於精密或超精密車削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置，其特徵在於，所述激勵源(22)的結構為8片半圓環形壓電陶瓷片組成的4片結構的圓環形壓電陶瓷堆，第一銅片電極(2201)與第二銅片電極(2202)之間放置第一半圓環形壓電陶瓷片(2206)與第八半圓環形壓電陶瓷片(2213)形成的圓環壓電陶瓷片；第二銅片電極(2202)與第三銅片電極(2203)之間放置第二半圓環形壓電陶瓷片(2207)與第七半圓環形壓電陶瓷片(2212)形成的圓環壓電陶瓷片；第三銅片電極(2203)與第四銅片電極(2204)之間放置第三半圓環形壓電陶瓷片(2208)與第六半圓環形壓電陶瓷片(2211)形成的圓環壓電陶瓷片；第四銅片電極(2204)與第五銅片電極(2205)之間放置第四半圓環形壓電陶瓷片(2209)與第五半圓環形壓電陶瓷片(2210)形成的圓環壓電陶瓷片O
6.根據權利要求1-5中任意一項所述的適用於精密或超精密車削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置，其特徵在於，所述變幅杆(211)上安裝刀具(3)的刀槽(215)為對稱結構。
7.根據權利要求1-6中任意一項所述的適用於精密或超精密車削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置，其特徵在於，刀具(3)可根據加工需要採用天然單晶金剛石刀具、聚晶金剛石刀具、CBN刀具或硬質合金刀具。
8.根據權利要求1-7中任意一項所述的適用於精密或超精密車削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置，其特徵在於，所述外殼(I)是一個縮緊環結構。
9.根據權利要求1-8中任意一項所述的適用於精密或超精密車削加工用彎曲模式超聲振動輔助切削裝置，其特徵在於，所述外殼(I)內部的環形凸臺(17)處於超聲振動單元(2)的波節位置。
【文檔編號】B06B1/06GK103817355SQ201410075821
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月4日 優先權日:2014年3月4日
【發明者】周明, 韓建超, 胡林華, 董國軍 申請人:哈爾濱工業大學