一種高精度五軸多維超聲拋光裝置的製作方法

2023-05-06 19:21:21 2

本發明涉及一種高精度五軸多維超聲拋光裝置，屬於高精度、難加工材料複雜曲面元件拋光領域。

背景技術：

高精度、難加工材料複雜曲面元件的生產效率和成本已經成為衡量一個國家光學工業乃至整個製造業現代化水平的標誌之一。拋光工藝是光學曲面製造過程中的最後一道工序，對保證曲面的質量和使用壽命起到至關重要的作用。然而光學曲面的拋光時間長、生產率低，整個拋光時間約佔總製造時間的60％以上，如何提高拋光效率，增強拋光過程的確定性是現在光學製造領域的研究熱點。

傳統的拋光加工方法對硬、脆材料的去除效率低，也難保證材料加工表面的質量和精度。傳統的拋光工藝一般採用拋光碟、拋光墊之類的裝置，只能實現對平面的加工，對於難加工材料的複雜曲面沒有穩定、高效、精確的加工裝置和加工方法。

另外，拋光液內含高硬度的磨料微粒，微粒分布的均勻性直接影響拋光效率和加工表面的質量，微粒自身容易產生分層、沉澱等現象，當微粒分布不均勻，過於集中的部位，拋光效率會提高，但工件表面的粗糙度也會增加，也增加了工件表面產生損傷和劃痕的機率，微粒分布過少的部位，材料去除難以保證，不利於加工表面的均勻性。拋光液均勻供給是超精表面拋光中的關鍵技術。

技術實現要素：

本發明通過對現有拋光裝置的改進，實現了對複雜曲面、非球面、自由曲面進行快速定位、精準拋光，能夠充分提高硬、脆材料元器件的加工效率及表面質量，有效解決了上述問題。

本發明提供了一種高精度五軸多維超聲拋光裝置，所述高精度五軸多維超聲拋光裝置包括l形基座；

所述l形基座的上部設有立式導軌，所述立式導軌上設有立式旋轉臺，立式旋轉臺可以在立式導軌上上、下活動，所述立式旋轉臺上設有拋光工具頭振子組件；

所述拋光工具頭振子組件包括拋光工具頭、超聲波變幅杆ⅲ、超聲波換能器ⅲ，所述超聲波變幅杆ⅲ的一端與拋光工具頭連接，所述超聲波變幅杆ⅲ的另一端與超聲波換能器ⅲ連接；

所述l形基座的下部設有臥式導軌ⅰ，所述臥式導軌ⅰ上設有臥式導軌ⅱ，臥式導軌ⅱ可以在臥式導軌ⅰ上前、後活動，所述臥式導軌ⅱ上設有臥式旋轉工具臺，臥式旋轉工具臺可以在臥式導軌ⅱ上左、右活動；

所述臥式旋轉工具臺上設有工件夾具、超聲激振組件ⅰ、與超聲激振組件ⅰ相同的超聲激振組件ⅱ，所述超聲激振組件ⅰ、超聲激振組件ⅱ的振動輻射面分別與工件夾具相互垂直的兩個側面接觸；

所述超聲激振組件ⅰ包括超聲波變幅杆ⅰ、超聲波換能器ⅰ，所述超聲波變幅杆ⅰ的一端與工件夾具接觸，所述超聲波變幅杆ⅰ的另一端與超聲波換能器ⅰ連接；

三自由度機械臂的一端轉動連接在所述l形基座的下部，所述三自由度機械臂的另一端設有超聲霧化噴頭。

本發明所述工件夾具優選為三爪工件夾具。

本發明所述工件夾具與超聲激振組件ⅰ接觸面的對面、工件夾具與超聲激振組件ⅱ接觸面的對面優選為分別通過若干個z形緊固板將工件夾具固定在臥式旋轉工具臺上。

本發明所述工件夾具與臥式旋轉工具臺之間優選為塗有潤滑脂。

本發明所述z形緊固板與工件夾具之間優選為設有橡膠墊。

本發明所述超聲波變幅杆ⅲ優選為固定在四耳複合法蘭上，所述四耳複合法蘭通過下懸臂梁固定在立式旋轉臺上，所述超聲波換能器ⅲ固定在雙半月環上，所述雙半月環通過上懸臂梁固定在立式旋轉臺上。

本發明所述超聲波變幅杆ⅰ優選為固定在上、下拱形固定件ⅰ之間與上、下拱形固定件ⅱ之間，所述超聲波換能器ⅰ固定在上、下拱形固定件ⅲ之間，所述下拱形固定件ⅰ、下拱形固定件ⅱ、下拱形固定件ⅲ固定在臥式旋轉工具臺上。

本發明所述超聲激振組件ⅱ中超聲波變幅杆ⅱ優選為固定在上、下拱形固定件ⅳ之間與上、下拱形固定件ⅴ之間，所述超聲激振組件ⅱ中超聲波換能器ⅱ固定在上、下拱形固定件ⅵ之間，所述下拱形固定件ⅳ、下拱形固定件ⅴ、下拱形固定件ⅵ固定在臥式旋轉工具臺上。

本發明所述三自由度機械臂優選為包括底座、機械臂ⅰ、機械臂ⅱ、機械臂ⅲ，所述機械臂ⅰ轉動連接在底座上，機械臂ⅰ可以在底座上自轉，所述機械臂ⅱ的一端轉動連接在機械臂ⅰ上，所述機械臂ⅲ的一端轉動連接在機械臂ⅱ的另一端上，機械臂ⅲ可以在機械臂ⅱ上自轉，所述超聲霧化噴頭連接在機械臂ⅲ的另一端上。

本發明有益效果為：

①本發明所述高精度五軸多維超聲拋光裝置為超聲輔助拋光提供了硬體保障，使拋光工具頭產生穩定的縱向正弦波形的振動，改變了現有拋光中連續拋磨的加工特性，是提高拋光效能的一種方法，在軸向超聲振動拋光過程中，拋光工具頭與工件發生周期性的接觸與分離，拋光速度與方向都發生周期性變化，使複雜曲面，特別是難加工材料的拋光具有現有拋光難以比擬的效果。

②本發明所述拋光工具頭振子組件使拋光工具頭產生周期性的軸向超聲振動，超聲激振組件ⅰ、超聲激振組件ⅱ使工件加工界面產生水平方向的正交正弦脈動，多維度的超聲振動使拋光液中的粒子產生規律性劇烈運動，分布也更加均勻，拋光粒子與工件表面的有效接觸大大提升，拋光顆粒高頻率、小振幅的耕犁與劃擦作用增加了難加工材料的去除效率，而且能夠提高加工表面完整性。

③本發明所述高精度五軸多維超聲拋光裝置可以減少拋光液的流失，增加拋光液在工件加工表面的駐留時間，提高拋光液的利用效率，節約拋光液的使用量。

④本發明所述高精度五軸多維超聲拋光裝置包括多個導軌和旋轉臺，提供5個自由度，可以實現複雜曲面的拋光，完成現有工具機難以加工的複雜零件，如方程以及函數表達的曲面、三維空間曲面等。

⑤本發明所述超聲霧化噴頭可以利用超聲將蠕動泵傳輸的拋光液低速霧化，使磨粒均勻分布在霧滴裡，通過隨動三自由度機械臂精準定位噴灑在拋光工具頭與工件表面之間，可以提高磨粒分布的均勻性和分散度，進而提高加工效率和工件表面質量。

⑥本發明所述高精度五軸多維超聲拋光裝置自動化程度高，加工精準度高、性能穩定，適用於航天、汽車、精密儀器等領域的元器件拋光。

⑦本發明所述拋光工具頭接觸點位多、適應性強、加工範圍廣，可以適用於多種形狀和複雜曲面的拋光，減少更換工具頭的次數。

附圖說明

本發明附圖5幅，

圖1為實施例1所述高精度五軸多維超聲拋光裝置的結構示意圖；

圖2為實施例1所述拋光工具頭振子組件的結構示意圖；

圖3為實施例1所述臥式旋轉工具臺的結構示意圖；

圖4為實施例1所述超聲激振組件ⅰ的結構示意圖；

圖5為實施例1所述三自由度機械臂的結構示意圖；

其中，1、l形基座，2、立式導軌，3、立式旋轉臺，4、拋光工具頭振子組件，401、拋光工具頭，402、超聲波變幅杆ⅲ，403、超聲波換能器ⅲ，404、四耳複合法蘭，405、下懸臂梁，406、雙半月環，407、上懸臂梁，5、臥式導軌ⅰ，6、臥式導軌ⅱ，7、臥式旋轉工具臺，8、工件夾具，801、z形緊固板ⅱ，802、橡膠墊ⅱ，9、超聲激振組件ⅰ，901、超聲波變幅杆ⅰ，902、超聲波換能器ⅰ，9031、上拱形固定件ⅰ，9032、下拱形固定件ⅰ，9041、上拱形固定件ⅱ，9042、下拱形固定件ⅱ，9051、上拱形固定件ⅲ，9052、下拱形固定件ⅲ，10、超聲激振組件ⅱ，11、三自由度機械臂，1101、底座，1102、機械臂ⅰ，1103、機械臂ⅱ，1104、機械臂ⅲ，12、超聲霧化噴頭。

具體實施方式

下述非限制性實施例可以使本領域的普通技術人員更全面地理解本發明，但不以任何方式限制本發明。

實施例1

一種高精度五軸多維超聲拋光裝置，所述高精度五軸多維超聲拋光裝置包括l形基座1；

所述l形基座1的上部設有立式導軌2，所述立式導軌2上設有立式旋轉臺3，立式旋轉臺3可以在立式導軌2上上、下活動，所述立式旋轉臺3上設有拋光工具頭振子組件4；

所述拋光工具頭振子組件4包括拋光工具頭401、超聲波變幅杆ⅲ402、超聲波換能器ⅲ403，所述超聲波變幅杆ⅲ402的一端通過雙頭螺柱、鎖緊螺母與拋光工具頭401連接，所述超聲波變幅杆ⅲ402的另一端與超聲波換能器ⅲ403連接，

所述超聲波變幅杆ⅲ402的振動節點固定在四耳複合法蘭404上，所述四耳複合法蘭404通過下懸臂梁405固定在立式旋轉臺3上，所述超聲波換能器ⅲ403固定在雙半月環406上，所述雙半月環406通過上懸臂梁407固定在立式旋轉臺3上，超聲波換能器ⅲ403通過超聲波變幅杆ⅲ402將超聲波發生器產生的超聲波轉換為機械振動傳遞給拋光工具頭401，拋光工具頭401在隨加工路線的主運動同時附有軸向高頻超聲振動，在拋光加工過程中，拋光工具頭401在加工過程中可以與工件發生彈性接觸，超聲振動時通過觀察拋光工具頭401接觸面部位形變量來調整拋光力的大小，超聲振動可以使拋光工具頭401的拋光力、拋光速度和方向產生周期性變化，拋光工具頭401的軸向周期性超聲振動以及工件的水平正交超聲脈動都傳遞給拋光液中進行耦合，多維度的超聲振動帶動拋光液中的磨粒躍動，對工件進行材料去除；

所述l形基座1的下部設有臥式導軌ⅰ5，所述臥式導軌ⅰ5上設有臥式導軌ⅱ6，臥式導軌ⅱ6可以在臥式導軌ⅰ5上前、後活動，所述臥式導軌ⅱ6上設有臥式旋轉工具臺7，臥式旋轉工具臺7可以在臥式導軌ⅱ6上左、右活動；

所述臥式旋轉工具臺7上設有工件夾具8、超聲激振組件ⅰ9、與超聲激振組件ⅰ9相同的超聲激振組件ⅱ10，所述工件夾具8為三爪工件夾具，能夠自定心定位並夾緊工件，所述超聲激振組件ⅰ9、超聲激振組件ⅱ10的振動輻射面分別與工件夾具8相互垂直的兩個側面接觸，使工件夾具8具有水平正交的兩個超聲振動激勵，超聲激振組件ⅰ9、超聲激振組件ⅱ10的振動輻射面將正交耦合的超聲振動傳遞給工件夾具8，工件夾具8帶動工件進行高頻脈動，所述工件夾具8與超聲激振組件ⅰ9接觸面的對面設有z形緊固板ⅰ，所述工件夾具8與超聲激振組件ⅱ10接觸面的對面設有與z形緊固板ⅰ相同的z形緊固板ⅱ801、z形緊固板ⅲ，所述z形緊固板ⅰ、z形緊固板ⅱ801、z形緊固板ⅲ將工件夾具8固定在臥式旋轉工具臺7上，所述z形緊固板ⅰ、z形緊固板ⅱ801、z形緊固板ⅲ與工件夾具8之間分別設有橡膠墊ⅰ、橡膠墊ⅱ802、橡膠墊ⅲ，所述橡膠墊ⅱ802、橡膠墊ⅲ與橡膠墊ⅰ相同，橡膠墊ⅰ、橡膠墊ⅱ802、橡膠墊ⅲ的作用為保證超聲激振組件ⅰ9、超聲激振組件ⅱ10軸向激振時，工件夾具8可以在激振力下做往復的激振運動，所述工件夾具8與臥式旋轉工具臺7之間塗有潤滑脂，潤滑脂的作用為降低工件夾具8與臥式旋轉工具臺7的摩擦力；

所述超聲激振組件ⅰ9包括超聲波變幅杆ⅰ901、超聲波換能器ⅰ902，所述超聲波變幅杆ⅰ901的一端與工件夾具8接觸，所述超聲波變幅杆ⅰ901的另一端與超聲波換能器ⅰ902連接，所述超聲波變幅杆ⅰ901固定在上、下拱形固定件ⅰ9031、9032之間與上、下拱形固定件ⅱ9041、9042之間，所述上、下拱形固定件ⅰ9031、9032與上、下拱形固定件ⅱ9041、9042分別位於超聲波變幅杆ⅰ901振動節點的兩側，所述超聲波換能器ⅰ902固定在上、下拱形固定件ⅲ9051、9052之間，所述下拱形固定件ⅰ9032、下拱形固定件ⅱ9042、下拱形固定件ⅲ9052固定在臥式旋轉工具臺7上；

所述超聲激振組件ⅱ10中超聲波變幅杆ⅱ固定在上、下拱形固定件ⅳ之間與上、下拱形固定件ⅴ之間，所述上、下拱形固定件ⅳ與上、下拱形固定件ⅴ分別位於超聲波變幅杆ⅱ振動節點的兩側，所述超聲激振組件ⅱ10中超聲波換能器ⅱ固定在上、下拱形固定件ⅵ之間，所述下拱形固定件ⅳ、下拱形固定件ⅴ、下拱形固定件ⅵ固定在臥式旋轉工具臺7上，所述上、下拱形固定件ⅳ、上、下拱形固定件ⅴ、上、下拱形固定件ⅵ分別與上、下拱形固定件ⅰ9031、9032、上、下拱形固定件ⅱ9041、9042、上、下拱形固定件ⅲ9051、9052相同；

三自由度機械臂11包括底座1101、機械臂ⅰ1102、機械臂ⅱ1103、機械臂ⅲ1104，所述底座1101固定在l形基座1的下部，所述機械臂ⅰ1102轉動連接在底座1101上，機械臂ⅰ1102可以在底座1101上自轉，所述機械臂ⅱ1103的一端轉動連接在機械臂ⅰ1102上，所述機械臂ⅲ1104的一端轉動連接在機械臂ⅱ1103的另一端上，機械臂ⅲ1104可以在機械臂ⅱ1103上自轉，所述超聲霧化噴頭12連接在機械臂ⅲ1104的另一端上，通過數控系統控制三自由度機械臂11運動可以實現超聲霧化噴頭12對拋光工具頭401的跟蹤運動並實時調整噴射角度。

實施例2

實施例1所述高精度五軸多維超聲拋光裝置的使用方法，所述使用方法如下：

對於某一具體加工對象，先利用工件夾具8卡爪定位並夾緊工件，再調整拋光工具頭401至指定壓力，同時將超聲霧化噴頭12調整到指定位置，然後將設定路徑轉化為數控代碼輸入到數控系統中，開啟工具機，工具機以五軸聯動的方式運動，超聲霧化噴頭12跟蹤拋光工具頭401的位置均勻噴灑拋光液，進行高效的拋光作業。