一种具有旋转超声精密加工技术的数控加工中心的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种具有旋转超声精密加工技术的数控加工中心，包括底座、主轴加工组件和立柱组件，所述立柱组件设置在底座的一侧，所述底座上设置有用于放置被加工件的机床工作台，所述主轴加工组件活动设置在所述立柱组件上，该主轴加工组件位于机床工作台的上方，所述主轴加工组件包括主轴进给机构、法兰盘、主轴及旋转安装在所述主轴的主轴孔中的超声加工装置，所述主轴固定在法兰盘内，所述主轴进给机构带动所述超声加工装置做竖向往复运动。本实用新型通过对超声加工装置与数控机床的整合、集成及优化，使其满足我国对于硬脆材料加工的重大需求，且具有较高的加工稳定性、效率及精度，有利于提升我国超声旋转机床自主创新能力和市场竞争力。
【专利说明】
一种具有旋转超声精密加工技术的数控加工中心
技术领域
[0001]本实用新型涉及机械行业工作母机加工技术领域，具体涉及一种具有旋转超声精密加工技术的数控加工中心。
【背景技术】
[0002]目前，随着高速数控加工中心的大规模应用，加工较高精度的金属机械件的效率越来越高，但对于具有良好应用特性的脆硬材料还是难以在高速数控加工中心上加工。随着科技的发展，特种加工技术已经成为制造领域不可缺少的重要组成部分。
[0003]超声加工技术是20世纪50年代以来，逐步发展的一种特种加工方法，在难加材料的精密加工中，超声加工技术具有其它加工方法无法比拟的工艺效果，应用范围十分广泛。尤其是在金刚石、陶瓷、玛瑙、玉石、花岗石、大理石、石英、玻璃、淬火钢、模具刚、硬质合金、不锈钢、钛合金和烧结永磁体等难加工材料领域，解决了许多关键性问题，取得了良好效果O
[0004]超声加工是利用超声换能器在超声电源的驱动下带动加工工具进行高频微幅的振动，并通过它与工件之间游离于液体中的磨料对被加工表面的锤击作用，使工件材料表面逐步破碎的特种加工，在英语中称为(Ultrasonic machining)。利用加工工具的这种振动方式有效的降低了加工工具对工件所施加的压力，而且也大幅降低了加工工具的磨损，因此可以非常容易的加工各种脆硬材料，超声加工常用于穿孔、切割、焊接、套料和抛光。在这种背景下将超声加工与数控加工中心融合也是必然的趋势，从而促使特种加工向精密、高效、智能方向发展。
[0005]但是，目前我国对超声加工技术的研究还处于早期阶段和试验样机研制阶段，与国外差距较大，无法满足需求。国外如德国和英国，他们已经能在生产中加工玻璃、陶瓷、优质钢、淬硬钢、硬质合金等硬脆材料，并且切除效率要比传统加工高出数倍。随着我国制造业的发展和需求不断提高，越来越多的企业对硬脆材料加工的需求日益迫切。因此，开展高可靠、加工性能稳定、材料加工范围广的超声波旋转加工关键技术研究在国内具有巨大的发展空间。项目成果将满足我国硬脆材料加工的重大需求，提升我国超声旋转机床自主创新能力和市场竞争力。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供一种解决了传统加工技术难以满足许多硬脆材料的加工需要及加工成本较高的问题，推进新材料发展及复杂零件的推广，切除效率高，提升我国自主创新能力和市场竞争力的具有旋转超声精密加工技术的数控加工中心。
[0007]为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案如下:
[0008]提供一种具有旋转超声精密加工技术的数控加工中心，包括底座、主轴加工组件和立柱组件，所述立柱组件设置在所述底座的一侧，所述底座上设置有用于放置被加工件的机床工作台，所述主轴加工组件活动设置在所述立柱组件上，该主轴加工组件位于所述机床工作台的上方，所述主轴加工组件包括主轴进给机构、法兰盘、主轴及旋转安装在所述主轴的主轴孔中的超声加工装置，所述主轴固定在所述法兰盘内，所述主轴进给机构带动所述超声加工装置做竖向往复运动。
[0009]进一步的，所述超声加工装置包括超声波发生器、超声换能器、变幅杆及加工工具，所述超声波发生器与所述超声换能器电连接，所述超声换能器通过变幅杆连接所述加工工具。
[0010]进一步的，所述加工工具的端部设有磨料。
[0011]进一步的，所述变幅杆与超声换能器通过螺纹固定连接。
[0012]进一步的，所述变幅杆与加工工具通过焊接或螺纹方式固定连接。
[0013]进一步的，所述主轴的一侧设置有喷油嘴。
[0014]与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于:通过将超声加工技术融合到数控加工中心上，使其可用于硬脆材料加工，例如聚晶粒金刚石、工程陶瓷、硬质合金等，解决了传统加工技术难以满足许多硬脆材料的加工需要及加工成本较高的问题，推进了新材料发展及复杂零件的推广，且本实用新型加工性能稳定、加工效率高、能量耗损低、材料加工范围广，满足了我国对于硬脆材料加工的重大需求，提升了我国超声旋转机床的自主创新能力和市场竞争力。
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型一种具有旋转超声精密加工技术的数控加工中心的机床总体结构图；
[0016]图2是本实用新型一种具有旋转超声精密加工技术的数控加工中心的超声加工原理图。
【具体实施方式】
[0017]为了能够进一步了解本实用新型的结构、特征及其他目的，现结合所附较佳实施例附以附图详细说明如下，本附图所说明的实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，并非限定本实用新型。
[0018]请参照图1，本实用新型的一种具有旋转超声精密加工技术的数控加工中心，其包括底座1、主轴加工组件2和立柱组件3，所述立柱组件3设置在所述底座I的一侧，所述底座I上设置有用于放置被加工件的机床工作台4，所述主轴加工组件2活动设置在所述立柱组件3上，该主轴加工组件2位于所述机床工作台4的上方，所述主轴加工组件2包括主轴进给机构21、法兰盘22、主轴23及旋转安装在所述主轴23的主轴孔中的超声加工装置24，所述主轴23固定在所述法兰盘22内，所述主轴23的一侧设置有喷油嘴6，所述超声加工装置24在所述主轴进给机构21的作用下做竖向往复运动。
[0019]如图2所示，所述超声加工装置24包括超声波发生器241(又称超声波驱动电源)、超声换能器242、变幅杆243及加工工具244，所述超声波发生器241与所述超声换能器242电连接，所述超声换能器242通过变幅杆243连接所述加工工具244，所述加工工具244的端部设有磨料245。
[0020]其中，所述变幅杆243与超声换能器242通过螺纹固定连接，所述变幅杆243与加工工具244通过焊接或螺纹方式固定连接。便于加工工具244的更换以及保证超声震动的传输。
[0021]其超声加工的工作原理是:由超声波发生器241产生高频电振荡(一般为16?25千赫)，施加于超声换能器242上，将高频电振荡转换成超声频振动。超声振动通过变幅杆243放大振幅，并驱动以一定的静压力压在工件5表面上的加工工具244产生相应频率的振动。加工工具244端部通过磨料245不断地锤击工件5，使加工区的工件5材料粉碎成很细的微粒，被循环的磨料悬浮液带走，加工工具244通过主轴进给机构21的作用逐渐进入到工件5中，从而加工出与加工工具244相应的形状。总而言之，超声波加工是磨料245悬浮液中的磨粒，在超声振动下的机械撞击和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果。其中，磨粒的撞击作用是主要的。所谓“空化”作用:是指当加工工具244端面以很大的加速度离开工件5表面时，加工间隙内形成负压和局部真空，在工作液体中形成很多微腔，当加工工具244以很大加速度接近工件5时，空泡闭合，引起极强的液压冲击波，可以强化加工过程。
[0022]其中，要实现旋转超声波加工机床的平稳、高效加工，必须保证超声振动系统始终处于良好的谐振状态及满足电源的最大功率输出条件。而在实际加工中，由于负载变化、加工工具244磨损、超声换能器242发热等因素的影响，超声换能器242的机械共振频率将发生漂移，从而使振动系统失谐，导致加工工具244端面的振幅减小，而振幅的减小或消失，会使系统降低甚至丧失旋转超声加工的能力。因而，为了保证旋转超声加工的顺利进行，要求超声波发生器241具有适应负载变化的自动频率跟踪和稳定的振幅输出功能。而且，为了使机床能适用于不同工件5、不同材料的加工，要求超声波发生器241具有功率输出连续可调的功能等等。为此，综合考虑开关电源的发展和应用，选用当前高频开关电源常用电子器件，在本实施例中，所述超声波发生器241具有适应负载变化的自动频率跟踪和稳定的振幅输出功能，以及具有功率输出连续可调的功能。
[0023]所述超声换能器242是运用纵振理论的波动方程，把超声换能器242等效为长细棒的纵振模型，利用超声换能器242前后匹配块、电极、压电陶瓷片之间的边界条件，推导出超声换能器的节点两侧的频率方程。可利用此频率方程设计出超声换能器242各个部分的结构和尺寸。
[0024]所述变幅杆243需谐振于设计超声换能器242的谐振频率处，避免应力集中问题，寻求准确的位移节面位置，通过此节面合理设计法兰盘22，从而可以解决大功率超声振动系统与机床连接部分因声耦合造成的能量耗损、系统发热等问题。
[0025]由于目前对旋转超声加工用金刚石工具的基体研究甚少，如对于工加工工具244基体的材料、加工工具244形状参数、工具与变幅杆243的匹配(有关能量损耗)等对于加工过程及加工工具244磨损的影响亟待系统研究，只有这样才能更好的利用实验参数，为分析能量分配、工具磨损、加工机理、材料去除模型、切削力等提供基础。
[0026]通过本实用新型对超声加工装置与数控机床的整合、集成及优化，使其解决了传统加工技术难以满足许多硬脆材料的加工需要和加工成本过高的问题，推进了新材料发展及复杂零件的推广，提高切除效率，且本实用新型具有较高的加工稳定性、效率及精度，有利于提升我国超声旋转机床自主创新能力和市场竞争力。
[0027]上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种具有旋转超声精密加工技术的数控加工中心，包括底座(I)、主轴加工组件(2)和立柱组件(3)，所述立柱组件(3)设置在所述底座(I)的一侧，所述底座(I)上设置有用于放置被加工件的机床工作台(4)，所述主轴加工组件(2)活动设置在所述立柱组件(3)上，该主轴加工组件(2)位于所述机床工作台(4)的上方，其特征在于:所述主轴加工组件(2)包括主轴进给机构(21)、法兰盘(22)、主轴(23)及旋转安装在所述主轴(23)的主轴孔中的超声加工装置(24)，所述主轴(23)固定在所述法兰盘(22)内，所述主轴进给机构(21)带动所述超声加工装置(24)做竖向往复运动。2.根据权利要求1所述的一种具有旋转超声精密加工技术的数控加工中心，其特征在于:所述超声加工装置(24)包括超声波发生器(241)、超声换能器(242)、变幅杆(243)及加工工具(244)，所述超声波发生器(241)与所述超声换能器(242)电连接，所述超声换能器(242)通过变幅杆(243)连接所述加工工具(244)。3.根据权利要求2所述的一种具有旋转超声精密加工技术的数控加工中心，其特征在于:所述加工工具(244)的端部设有磨料(245)。4.根据权利要求2所述的一种具有旋转超声精密加工技术的数控加工中心，其特征在于:所述变幅杆(243)与超声换能器(242)通过螺纹固定连接。5.根据权利要求2所述的一种具有旋转超声精密加工技术的数控加工中心，其特征在于:所述变幅杆(243)与加工工具(244)通过焊接或螺纹方式固定连接。6.根据权利要求1所述的一种具有旋转超声精密加工技术的数控加工中心，其特征在于:所述主轴(23)的一侧设置有喷油嘴(6)。
【文档编号】B24B1/04GK205572062SQ201620172494
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年3月7日
【发明人】李泽彪, 胡啟晏, 宁煜茂, 黄勇
【申请人】广东润星科技股份有限公司