一种精密或超精密车削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及精密超精密加工【技术领域】，提供了一种超声振动加工装置，主要由超声振动单元、外壳和刀具组成。缩紧环结构的外壳对超声振动单元的2处波节位置进行紧固，非常容易调整外壳的长度，实现外壳内环形凸台始终紧固在超声振动单元的波节位置。该装置的工作频率在38±0.5KHz，不产生噪声污染，加工效率高，且其装配环节少、刀片安装和卸载方便；同时，该装置刚度好、密封性好；本发明在难加工材料加工和细长轴、薄壁件等弱刚度零件的切削加工方面效果显著，可以显著减小切削力、切削温度，刀具磨损和工件材料切削加工变形，提高了工件加工表面质量和形位精度，减少了后续加工工艺，进而提高加工效率和经济性。
【专利说明】一种精密或超精密车削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种精密或超精密加工中难加工材料、薄壁件及细长轴类零件的加工装置，具体涉及一种精密或超精密车削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置。
【背景技术】
[0002]超声振动切削最早是由日本学者提出的，它是将超声振动附加于刀具上，使原本连续的切削过程变成高频的断续切削过程。超声振动切削具有切削力小、切削温度低、不产生积屑瘤和抑制切削颤振等优点，大大提高了加工零件的表面质量和形位精度，延长了刀具使用寿命。对高温合金、钛合金、复合材料和陶瓷等难加工材料以及细长轴和薄壁件等弱刚度零件的加工具有显著的优势，同时也实现了黑色金属的金刚石超精密切削。
[0003]采用传统的超声振动切削加工方式进行加工存在很多问题:
[0004]1.使用范围小。若使用一维纵向超声振动切削装置，存在着观察不方便、刀具装夹不方便和对刀困难等问题，而且一般只能用来加工圆柱面和端面，对自由曲面或者凹槽等不规则面则无法加工；
[0005]2.实用程度低。若采用传统的模式转换型弯曲振动加工装置，由于装卡和配合的环节比较多，装卡和调整环节麻烦，而且纵向振动转换为弯曲振动的效率不易保证；同时刀具发生磨损后，由于振动装置的尺寸发生改变，振动的频率和波节位置发生改变，切削加工过程极不稳定，使用极其不方便，现在多应用于实验研究，工业应用化程度较低；
[0006]3.存在噪声污染。目前普遍使用的振动切削装置的工作频率大多在20HKz附近，超声振动装置工作时发生刺耳的鸣响声，产生噪声污染，危害操作人员的身心健康。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是为了解决航空、航天和军工等领域各种难加工材料以及细长轴和薄壁件等弱刚度零件切削加工的问题，提供一种精密或超精密车削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置。
[0008]本发明的精密或超精密车削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置是将超声振动单元通过前盖板上处于波节位置的法兰固定到圆筒状外壳上，并通过外壳内部的环形凸台紧固超声振动单元的另一处波节位置，使超声振动单元构成2点支撑，提高了超声振动装置的刚度和稳定性；该超声振动单元能使刀具的振动频率达到38±0.5KHz，振动幅值在4微米以上，显著提高了加工效率，保证加工精度。
[0009]本发明提供一种精密或超精密切削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置，其特征在于，该切削装置包括超声振动单元、套于超声振动单元外表面的外壳和安装在超声振动单元的输出端上的刀具；
[0010]超声振动单元包括通过紧固螺钉依次连接的法兰式前盖板、激励源、后盖板，法兰式前盖板为一体加工成型的阶梯轴结构，其一端设有变幅杆，变幅杆的前端设有用于安装刀具的刀槽，法兰式前盖板的另一端设有用于连接紧固螺钉的螺纹段的第一螺纹孔，法兰式前盖板的波节位置上设计有法兰盘，法兰盘上设有第二螺纹孔；
[0011]激励源包括第一铜片电极、第二铜片电极、第三铜片电极、第四铜片电极、第五铜片电极和第一半圆环形压电陶瓷片、第二半圆环形压电陶瓷片、第三半圆环形压电陶瓷片、第四半圆环形压电陶瓷片、第五半圆环形压电陶瓷片、第六半圆环形压电陶瓷片、第七半圆环形压电陶瓷片和第八半圆环形压电陶瓷片，两两半圆环形压电陶瓷片形成一个圆环形压电陶瓷片，并且将该圆环形压电陶瓷片置于两个铜片电极之间，所述铜片电极中心设有孔，半圆环形压电陶瓷片组合在一起时中间也形成孔，以使紧固螺钉可以从中穿过；
[0012]外壳中部设有用于放置超声振动单元的空腔，外壳的上端面上设有多个第三螺纹孔，该螺纹孔与超声振动单元的法兰盘上的第二螺纹孔配合。
[0013]根据本发明的优选实施方式，外壳还包括从空腔向外延伸的上卡盘和下卡盘，上卡盘上设有多个沉头螺纹孔，下卡盘上设有多个第四螺纹孔，空腔内设有环形凸台，通过沉头螺栓实现外壳内部的环形凸台与超声振动单元的后盖板的紧缩配合。
[0014]根据本发明的优选实施方式，刀具通过变幅杆前端的刀槽和顶丝螺纹孔安装在超声振动单兀的输出端上。
[0015]根据本发明的优选实施方式，所述激励源的工作频率为38±0.5KHz。
[0016]根据本发明的优选实施方式，所述激励源的结构为8片半圆环形陶瓷片组成的4片结构的圆环形压电陶瓷堆，第一铜片电极与第二铜片电极之间放置第一半圆环形压电陶瓷片与第八半圆环形压电陶瓷片形成的圆环形压电陶瓷片；第二铜片电极与第三铜片电极之间放置第二半圆环形压电陶瓷片与第七半圆环形压电陶瓷片形成的圆环形压电陶瓷片；第三铜片电极与第四铜片电极之间放置第三半圆环形压电陶瓷片与第六半圆环形压电陶瓷片形成的圆环形压电陶瓷片；第四铜片电极与第五铜片电极之间放置第四半圆环形压电陶瓷片与第五半圆环形压电陶瓷片形成的圆环形压电陶瓷片。
[0017]根据本发明的优选实施方式，所述变幅杆上安装刀具的刀槽为对称结构。
[0018]根据本发明的优选实施方式，刀具可根据加工需要采用天然单晶金刚石刀具、聚晶金刚石刀具、CBN刀具或硬质合金刀具。
[0019]根据本发明的优选实施方式，外壳是一个缩紧环结构。
[0020]根据本发明的优选实施方式，所述外壳内部的环形凸台处于超声振动单元的波节位置。
[0021]本发明精密或超精密车削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置的优点在于:
[0022]①超声振动切削装置的共振频率为38±-0.5KHz，远远超出了人耳能够听到的声频区域，不会造成噪音污染。
[0023]②超声振动切削装置通过其紧固螺栓将变幅杆上的发兰与外壳连接在一起，既保证了连接的刚度，又很好的起到了密封防护作用，外界的切削液和灰尘不会进入外壳内，有效的防护了超声振动切削装置。
[0024]③超声振动切削装置变幅杆上的法兰位于其波节位置处，因此装置的超声振动不会传递到刀架和机床上，保证了加工装置和加工质量的稳定。
[0025]④外壳内部的环形凸台紧固在超声振动单元后盖板上靠近驱动源一侧的波节位置处，该处支撑与变幅杆上法兰构成2个支撑点，既有效地保证了超声振动装置的支撑刚度，又不会将装置的超声振动传递到机床上，保证了加工装置的加工质量的稳定。
[0026]⑤外壳的长度修正方便，因此装配时非常有利于调整外壳内环形凸台与超声振动单元配合的位置。
[0027]⑥采用多片薄压电陶瓷配合的结构，即保证了输出功率的要求，又降低了驱动电压，提高了安全性。
[0028]⑦本发明装置还可以应用于立式加工中心上做刨削装置用。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是本发明精密或超精密车削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置的外部结构图:1-外壳；2_超声振动单元；3_刀具；
[0030]图1A是本发明精密或超精密车削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置的剖视图:1-外壳；2_超声振动单兀；3_刀具；
[0031]图1B是本发明精密或超精密车削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置的分解图:21_法兰式如盖板；22_驱动源；23_后盖板；24_紧固螺栓；
[0032]图2是本发明超声振动单元中法兰前盖板的结构图:211-变幅杆；212_第二螺纹孔；213_第一螺纹孔；214_法兰盘；215_刀槽；216_顶丝螺纹孔；
[0033]图2A是本发明超声振动单元中激励源的结构图:2201-第一铜片电极；2202_第二铜片电极；2203_第三铜片电极；2204_第四铜片电极；2205_第五铜片电极；2206_第一半圆环形压电陶瓷片；2207_第二半圆环形压电陶瓷片；2208_第三半圆环形压电陶瓷片；2209-第四半圆环形压电陶瓷片；2210_第五半圆环形压电陶瓷片；2211_第六半圆环形压电陶瓷片；2212_第七半圆环形压电陶瓷片；2213_第八半圆环形压电陶瓷片；
[0034]图2B是本发明超声振动单元中激励源的分解图:2201-第一铜片电极；2202_第二铜片电极；2203_第三铜片电极；2204_第四铜片电极；2205_第五铜片电极；2206_第一半圆环形压电陶瓷片；2207_第二半圆环形压电陶瓷片；2208_第三半圆环形压电陶瓷片；2209-第四半圆环形压电陶瓷片；2210_第五半圆环形压电陶瓷片；2211_第六半圆环形压电陶瓷片；2212_第七半圆环形压电陶瓷片；2213_第八半圆环形压电陶瓷片；
[0035]图3是本发明筒状外壳的结构图:11_下卡盘；12_第三螺纹孔；13_空腔；14_上端面；15-接线螺纹孔；16-沉头螺纹孔；17-环形凸台；18-上卡盘；
[0036]图3A是本发明筒状外壳的另一视角结构图:19_第四螺纹孔；
[0037]图3B是本发明筒状外壳的剖视图:17_环形凸台；18_上卡盘。
【具体实施方式】
[0038]以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明:
[0039]参见图1、图1A、图1B所示，本发明的一种精密或超精密车削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置，该切削装置包括超声振动单元2、套于超声振动单元2外表面的外壳I和通过外壳I前端的顶丝螺纹孔216和刀槽215安装在超声振动单元2的输出端上的刀具3。
[0040](一 )超声振动单元2
[0041]参见图1B所示，超声振动单元2包括法兰式前盖板21、激励源22、后盖板23和紧固螺钉24 ;后盖板(23)的结构为空心圆柱体结构。
[0042]参见图2所示，法兰式前盖板21为一体加工成型的阶梯轴结构，该结构一端为变幅杆211，变幅杆211的前端设有用于安装刀具3的刀槽215，法兰式前盖板21的另一端设有第一螺纹孔213，法兰式前盖板21的波节位置还设计有法兰盘214结构；法兰盘214上设有第二螺纹孔212，法兰盘214上的多个第二螺纹孔212与外壳I上端面14的多个第三螺纹孔12配合，实现法兰式前盖板21与外壳I上端面的连接；第一螺纹孔213用于连接紧固螺钉24的螺纹段；紧固螺栓24的螺纹段顺次穿过后盖板23、激励源22后，螺纹连接在法兰式前盖板21的第二螺纹孔213内，从而实现将后盖板23、激励源22和前盖板21的紧固在一起。
[0043]参见图2A、2B所示，激励源22包括有5个铜片电极(第一铜片电极2201、第二铜片电极2202、第三铜片电极2203、第四铜片电极2204、第五铜片电极2205)和8个半圆环形压电陶瓷片(第一半圆环形压电陶瓷片2206、第二半圆环形压电陶瓷片2207、第三半圆环形压电陶瓷片2208、第四半圆环形压电陶瓷片2209、第五半圆环形压电陶瓷片2210、第六半圆环形压电陶瓷片2211、第七半圆环形压电陶瓷片2212和第八半圆环形压电陶瓷片2213)，两两半圆环形压电陶瓷片形成一个圆环形压电陶瓷片，并且将该圆环形压电陶瓷片置于两个铜片电极之间，即第一半圆环形压电陶瓷片2206与第八半圆环形压电陶瓷片2213形成一个圆环形压电陶瓷片，第二半圆环形压电陶瓷片2207与第七半圆环形压电陶瓷片2212形成另一个圆环形压电陶瓷片，第三半圆环形压电陶瓷片2208与第六半圆环形压电陶瓷片2211形成另一个圆环形压电陶瓷片，第四半圆环形压电陶瓷片2209与第五半圆环形压电陶瓷片2210形成另一个圆环形压电陶瓷片；第一铜片电极2201与第二铜片电极2202之间放置的是第一半圆环形压电陶瓷片2206与第八半圆环形压电陶瓷片2213形成一个圆环形压电陶瓷片；第二铜片电极2202与第三铜片电极2203之间放置的是第二半圆环形压电陶瓷片2207与第七半圆环形压电陶瓷片2212形成另一个圆环形压电陶瓷片；第三铜片电极2203与第四铜片电极2204之间放置的是第三半圆环形压电陶瓷片2208与第六半圆环形压电陶瓷片2211形成另一个圆环形压电陶瓷片；第四铜片电极2204与第五铜片电极2205之间放置的是第四半圆环形压电陶瓷片2209与第五半圆环形压电陶瓷片2210形成另一个圆环形压电陶瓷片；
[0044]五个铜片电极中心设有孔，半圆环形压电陶瓷片组合在一起时中间也形成孔，以使紧固螺钉24可以穿过整个激励源22。在本发明中，激励源22用于产生加工时的弯曲振动。
[0045](二)外壳 I
[0046]参见图3、图3A、图3B所不,夕卜壳I为一体加工成型件，外壳I的中部是用于放置超声振动单元2的空腔13 ;外壳I的上端面14上设有多个第三螺纹孔12，该螺纹孔12与超声振动单元2的法兰214上的第二螺纹孔212配合，通过螺栓实现超声振动单元2与外壳I的上端面14的配合；外壳I还包括从空腔13向外延伸的上卡盘18和下卡盘11,外壳的上卡盘18设有多个沉头螺纹孔16，外壳的下卡盘11设有多个第四螺纹孔19，上卡盘18上设有的多个沉头螺纹孔16和下卡盘11上设有的多个第四螺纹孔19配合，通过沉头螺栓实现空腔13内的环形凸台17与超声振动单元2的后盖板23的缩紧配合；外壳I壳体中部设有接线螺纹孔15，用于超声振动单元2与外接电源连线。[0047]刀具可根据加工需要采用天然单晶金刚石刀具、聚晶金刚石刀具、CBN刀具和硬质合金刀具。
[0048]振动激励源22选用型号PZT-8半圆环压电陶瓷片，能够提供给变幅杆211的功率为O?100W，且连续可调。
[0049]本发明的一种精密或超精密车削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置的工作过程为:当激励源22通上超声激励电源后，通过调节频率和电压可以在刀具刀尖处实现一定振幅的高频弯曲振动。通过设置机床进给参数,从而实现高频超声振动切削加工。
【权利要求】
1.一种精密或超精密切削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置，其特征在于，该切削装置包括超声振动单元(2)、套于超声振动单元(2)外表面的外壳(I)、和安装在超声振动单元⑵的输出端上的刀具⑶； 超声振动单元(2)包括通过紧固螺钉(24)依次连接的法兰式前盖板(21)、激励源(22)和后盖板(23)，法兰式前盖板(21)为一体加工成型的阶梯轴结构，其一端设有变幅杆(211)，变幅杆(211)的前端设有用于安装刀具(3)的刀槽(215)，法兰式前盖板(21)的另一端设有用于连接紧固螺钉(24)的螺纹段的第一螺纹孔(213)，法兰式前盖板(21)的波节位置上设计有法兰盘(214)，法兰盘(214)上设有第二螺纹孔(212)； 激励源(22)包括第一铜片电极(2201)、第二铜片电极(2202)、第三铜片电极(2203)、第四铜片电极(2204)、第五铜片电极(2205)和第一半圆环形压电陶瓷片(2206)、第二半圆环形压电陶瓷片(2207)、第三半圆环形压电陶瓷片(2208)、第四半圆环形压电陶瓷片(2209)、第五半圆环形压电陶瓷片(2210)、第六半圆环形压电陶瓷片(2211)、第七半圆环形压电陶瓷片(2212)和第八半圆环形压电陶瓷片(2213)，两两半圆环形压电陶瓷片形成一个圆环形压电陶瓷片，并且将该圆环形压电陶瓷片置于两个铜片电极之间，所述铜片电极中心设有孔，半圆环形压电陶瓷片组合在一起时中间也形成孔，以使紧固螺钉(24)可以从中穿过； 外壳(I)中部设有用于放置超声振动单元(2)的空腔(13)，外壳(I)的上端面(14)上设有多个第三螺纹孔(12)，该螺纹孔(12)与超声振动单元(2)的法兰盘(214)上的第二螺纹孔(212)配合。
2.根据权利要求1所述的适用于精密或超精密车削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置，其特征在于， 外壳(I)还包括从空腔(13)向外延伸的上卡盘(18)和下卡盘(11)，上卡盘(18)上设有多个沉头螺纹孔(16)，下卡盘(11)上设有多个第四螺纹孔(19)，空腔(13)内设有环形凸台(17)，通过沉头螺栓实现外壳(I)内部的环形凸台(17)与超声振动单元(2)的后盖板(23)的紧缩配合。
3.根据权利要求1或2所述的适用于精密或超精密车削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置，其特征在于，刀具⑶通过变幅杆(211)前端的刀槽(215)和顶丝螺纹孔(216)安装在超声振动单元(2)的输出端上。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的适用于精密或超精密车削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置，其特征在于，所述激励源(22)的工作频率为38±0.5KHz。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的适用于精密或超精密车削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置，其特征在于，所述激励源(22)的结构为8片半圆环形压电陶瓷片组成的4片结构的圆环形压电陶瓷堆，第一铜片电极(2201)与第二铜片电极(2202)之间放置第一半圆环形压电陶瓷片(2206)与第八半圆环形压电陶瓷片(2213)形成的圆环压电陶瓷片；第二铜片电极(2202)与第三铜片电极(2203)之间放置第二半圆环形压电陶瓷片(2207)与第七半圆环形压电陶瓷片(2212)形成的圆环压电陶瓷片；第三铜片电极(2203)与第四铜片电极(2204)之间放置第三半圆环形压电陶瓷片(2208)与第六半圆环形压电陶瓷片(2211)形成的圆环压电陶瓷片；第四铜片电极(2204)与第五铜片电极(2205)之间放置第四半圆环形压电陶瓷片(2209)与第五半圆环形压电陶瓷片(2210)形成的圆环压电陶瓷片O
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的适用于精密或超精密车削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置，其特征在于，所述变幅杆(211)上安装刀具(3)的刀槽(215)为对称结构。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的适用于精密或超精密车削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置，其特征在于，刀具(3)可根据加工需要采用天然单晶金刚石刀具、聚晶金刚石刀具、CBN刀具或硬质合金刀具。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的适用于精密或超精密车削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置，其特征在于，所述外壳(I)是一个缩紧环结构。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的适用于精密或超精密车削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置，其特征在于，所述外壳(I)内部的环形凸台(17)处于超声振动单元(2)的波节位置。
【文档编号】B06B1/06GK103817355SQ201410075821
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月4日 优先权日:2014年3月4日
【发明者】周明, 韩建超, 胡林华, 董国军 申请人:哈尔滨工业大学