一种中心驱动超声振动辅助抛光工具的制作方法

本发明涉及超声辅助加工领域，尤其涉及一种中心驱动超声振动辅助抛光工具。

背景技术：

现有超声振动辅助技术以一维和二维为主，并广泛应用在车削、铣削和钻削领域。现有的二维振动辅助加工应用在车削和钻削上。在抛光领域上还未有空间多维超声振动的辅助技术，现有的振动辅助抛光技术大都是一维轴向振动，且少有超声频率下的振动辅助抛光。个别二维超声振动辅助抛光技术的第一维振动大都为刀具的轴向振动，第二维为工件的平面纵向振动，而且现有的多维振动大都是在刀具上添加一个维度的振动，将剩下的维度的振动添加在工件上，需要在加工设备上设置多个超声振动装置，成本较高。此外，现有光学元件传统抛光方式存在加工效率较低、加工精度难以保证的问题，因此亟需一种中心驱动超声振动辅助抛光工具来将超声振动刀柄一维振动转变为空间多维振动，从而提高传统抛光的效率和加工精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种中心驱动超声振动辅助抛光工具，以提高抛光效率和精度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种中心驱动超声振动辅助抛光工具，包括超声振动刀柄、球头顶杆、多段式卡箍、弹簧阻尼杆和抛光模块；多段式卡箍安装于超声振动刀柄的中部，球头顶杆安装于超声振动刀柄的末端，球头顶杆下方设有设有抛光模块，且抛光模块与球头顶杆的球状头部以球铰链的形式配合接触，弹簧阻尼杆的一端与多段式卡箍连接，弹簧阻尼杆的另一端与抛光模块连接。

所述弹簧阻尼杆包括上连接杆、下连接杆、弹簧、套筒和压紧螺母；上连接杆的上端与多段式卡箍连接，下连接杆的下端固定在抛光模块上；上连接杆的下端沿轴向设有顶抵部，下连接杆的上端沿轴向设有凸出部，顶抵部和凸出部顶抵，以使上连接杆和下连接杆同轴以保证弹簧阻尼杆的导向；所述套筒的底部设有向内延伸的压抵部，所述弹簧套在下连接杆上，且弹簧的两端分别顶抵凸出部和压抵部；所述套筒设于上连接杆、下连接杆和弹簧组成的组件外周；所述压紧螺母设于套筒与上连接杆之间，以调节弹簧的预压缩量。

所述弹簧阻尼杆还包括橡胶垫圈，所述橡胶垫圈设于顶抵部和凸出部之间。

本发明中，上连接杆的上端和多段式卡箍的铰链基座连接；下连接杆的下端与抛光模块的铰链基座连接。

所述抛光模块包括抛光基板和抛光垫，抛光垫贴于抛光基板的底面，抛光基板圆周分布铰链基座与弹簧阻尼杆连接。抛光基板和抛光垫均为环状结构。抛光基板的中间与球头顶杆的球状头部以球铰链的形式配合接触，从而使抛光基板能绕着球头顶杆的球心做空间多维振动。

所述多段式卡箍为三段式、四段式或五段式卡箍；所述弹簧阻尼杆的个数为多个，且弹簧阻尼杆均布于多段式卡箍与抛光模块之间。

所述多段式卡箍可为三段式卡箍，相应的，所述弹簧阻尼杆的个数为3。

不同刚度的弹簧阻尼杆在抛光基板圆周上施加不同的下压力，使抛光基板产生形变进而带动抛光垫产生空间多维的运动。

超声振动辅助加工是在加工工具或被加工材料上施加一定方向的超声波振动，利用其不同方向的周期性振动作用，可使加工工具的切削深度周期性改变，从而使加工力减小而材料去除率增大。有方向性的周期振动还可实现不同加工工具的切削轨迹互相干涉而产生重复研磨作用，可基于加工质量而进一步提高表面质量。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

1、本发明将超声振动刀柄输出的一维纵向变为空间多维振动，仅需一个超声振动源，节约了设备成本。

2、通过球头顶杆将位移和力输出到抛光模块上，抛光模块受到不同刚度的弹簧阻尼杆的作用后，将一维振动转换为空间多维振动，提高光学元件抛光的表面精度和去除效率。

3、本发明可通过旋调压紧螺母改变弹簧的预压缩量，从而以机械形式改变输出振幅的大小以适应粗抛光和精抛光的不同振幅需求。

4、本发明利用振动来提高加工硬脆材料工件的效率和表面精度，适合加工各种硬脆材料，将其应用于光学元件的抛光上，很大程度提高了光学元件的表面精度和材料去除效率。

附图说明

图1为本发明采用三段式卡箍的立体结构示意图；

图2为本发明的分解结构示意图；

图3为采用四段式卡箍的立体结构示意图；

图4为弹簧阻尼杆的剖面结构示意图；

图5为在抛光垫上选定p点的示意图；

图6为抛光垫p点的zy平面模型图；

图7为抛光垫p点的空间轨迹图；

图8为抛光垫p点的低频振动轨迹图。

附图说明：1超声振动刀柄，2销钉，3球头顶杆，4多段式卡箍，5压紧螺母，6套筒，7上连接杆，8弹簧，9橡胶垫圈，10下连接杆，11抛光基板，12抛光垫。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1～3所示，本发明包括超声振动刀柄1、球头顶杆3、多段式卡箍4、弹簧阻尼杆和抛光模块。

所述多段式卡箍4安装于超声振动刀柄1的中部，球头顶杆3安装于超声振动刀柄1的末端，球头顶杆3下方设有设有抛光模块；弹簧阻尼杆的一端与多段式卡箍4连接，弹簧阻尼杆的另一端与抛光模块连接。

所述抛光模块包括抛光基板11和抛光垫12，抛光垫12贴于抛光基板11的底面，抛光基板11圆周分布铰链基座与弹簧阻尼杆连接。抛光基板11和抛光垫12均为环状结构。抛光基板11的中间与球头顶杆3的球状头部以球铰链的形式配合接触，从而使抛光基板11能绕着球头顶杆3的球心做空间多维振动。

本实施例所述多段式卡箍4为三段式卡箍，弹簧阻尼杆个数为3，采用三段式卡箍固定三根弹簧阻尼杆来传递超声振动位移，也可将三段式卡箍改为四段式卡箍或五段式卡箍，同时在多段式卡箍4上固定四根或五根弹簧阻尼杆来传递位移。如图3所示，为本发明采用四段式卡箍的立体结构示意图。

如图2和图4所示，所述弹簧阻尼杆包括上连接杆7、下连接杆10、弹簧8、套筒6、压紧螺母5和橡胶垫圈9。

上连接杆7的上端通过销钉2与多段式卡箍4的铰链基座连接，下连接杆10的下端通过销钉2与抛光基板11的铰链基座连接；上连接杆7的下端沿轴向设有顶抵部，下连接杆10的上端沿轴向设有凸出部，橡胶垫圈9设于顶抵部和凸出部之间，顶抵部和凸出部通过橡胶垫圈9相互顶抵，以使上连接杆7和下连接杆10同轴以保证弹簧阻尼杆的导向；所述套筒6的底部设有向内延伸的压抵部，所述弹簧8套在下连接杆10上，且弹簧8的两端分别顶抵凸出部和压抵部；所述套筒6设于上连接杆7、下连接杆10和弹簧8组成的组件外周；所述压紧螺母5设于套筒6与上连接杆7之间，以调节弹簧8的预压缩量。

本发明中，不同刚度的弹簧阻尼杆在抛光基板11圆周上施加不同的下压力，使抛光基板11产生形变进而带动抛光垫12产生空间多维的运动。

本发明在现有的一维超声振动刀柄1上安装多段式卡箍4、弹簧阻尼杆、抛光基板11和抛光垫12，通过球头顶杆3将位移和力输出到抛光模块上，抛光模块受到三根不同刚度的弹簧阻尼杆的作用后，使原来的一维超声振动加工转变为空间多维超声振动，提高光学元件抛光的表面精度和去除效率，并且可以通过旋调压紧螺母5调整弹簧8的预压缩量，从而以机械的方式调整超声振动的振动幅值，以适应粗抛光和精抛光的不同振幅需求。

本发明一种中心驱动超声振动辅助抛光工具的操作方法如下：

使用时应先将超声振动刀柄1安装在机床主轴上，并将超声振动刀柄1的电源配件装好；然后将多段式卡箍4安装在超声振动刀柄1的中部，多段式卡箍4上的铰链基座与弹簧阻尼杆的上连接杆7相连；弹簧阻尼杆的下连接杆10与抛光基板11上的铰链基座相连。抛光光学元件时，根据粗抛或精抛的不同振幅需求，可以旋调弹簧阻尼杆的压紧螺母5进而调节弹簧8的预压缩量，从而调节最终抛光垫12的振幅。当调节好弹簧阻尼杆的预压缩量后进可以对超声振动刀柄1通电，并启动机床开始抛光作业。

如图5所示，取抛光垫上一点p；根据本发明的结构模型，对结构进行化简得到如图6所示的抛光垫p点的zy平面模型图，d为p点的水平位移距离，θ为抛光垫的倾斜角度，据旋转轴线距离为28mm，进行数学建模。

x＝r·sin(ω·t)，

y＝r·cos(ω·t)，

z＝a·sin(2·π·f·t)，

r＝26+2·sin(2·π·f·t)

式中，p点可视作绕抛光垫中心轴转动，故用极坐标形式表达p点在平面位置。f为超声振动刀柄的振动频率，ω为主轴旋转的角速度，a为振幅，半径r是随时间t变化的量，当抛光垫处于水平位姿时，r＝r＝28。为了更直观表达p点在空间的轨迹，当p在最低点时，即图6中的倾斜位姿时，取其投影在zy平面上的r与r的差值为2，即得r＝26+2·sin(2·π·f·t)。

将上述数学模型导入到matlab软件中运行，仿真出图7抛光垫p点的空间轨迹和图8抛光垫p点的低频振动轨迹图，符合空间多维振动的轨迹特征。