一种高频超声椭圆振动切削装置.pdf

本发明公开了一种高频超声椭圆振动切削装置，该切削装置由超声振动单元和壳体单元组成，超声振动单元置于壳体单元内；所述壳体单元由基座、A盖板、B盖板和上盖板构成，超声振动单元由变幅杆、振动体、A激励源、B激励源、C激励源构成，变幅杆安装在振动体，变幅杆的端部安装有刀具，A激励源与B激励源平行放置且粘接在振动体的侧面上，C激励源安装在振动体的下部，A激励源与B激励源形成水平方向上的驱动力，C激励源形成纵向方向上的驱动力，应用相互垂直的两个高频振动之间的相位差，在刀具刀尖处合成一个椭圆振动，有效降低加工表面粗糙度。该切削装置工作在100kHz～200kHz的较高振动频率，提高了刀具振动切屑临界振速，使加工效率得到明显提高；采用变幅杆插接安装在振动体上，易于装卡，可以促进超声椭圆振动切削的实用化。

1、  一种高频超声椭圆振动切削装置，其特征在于：该切削装置由超声振动单元和壳体单元组成，超声振动单元置于壳体单元内；所述壳体单元由基座(1)、A盖板(2)、B盖板(3)和上盖板(4)构成，超声振动单元由变幅杆(5)、振动体(6)、A激励源(7)、B激励源(8)、C激励源(9)构成；
基座(1)为“凹”形形状；基座(1)上设有A支撑板(101)、B支撑板(102)和底板(103)，底板(103)上设有安装孔(103a)；振动体(6)安装在底板(103)上，C紧顶螺钉(12)的一端顺次穿过底板(103)上的一通孔、C激励源(9)的C通孔(9a)后螺纹连接在E螺纹孔(67)上；
A盖板(2)的一端安装在基座(1)的A支撑板(101)的前侧板面(101a)上，A盖板(2)的另一端安装在基座(1)的B支撑板(102)的前侧板面(102a)上；
B盖板(3)的一端安装在基座(1)的A支撑板(101)的后侧板面(101b)上，B盖板(3)的另一端安装在基座(1)的B支撑板(102)的后侧板面(102b)上；
上盖板(4)的一端安装在基座(1)的A支撑板(101)的上板面(101c)上，上盖板(4)的另一端安装在基座(1)的B支撑板(102)的上板面(102c)上，上盖板(4)上设有A光孔(4a)、B光孔(4b)；
振动体(6)为中部带有凹形槽的“T”形形状，振动体(6)上设有供安装变幅杆(5)的凹形槽(65)，凹形槽(65)是沿水平中心线开设的，该凹形槽(65)将振动体(6)分隔为上振动模块(6b)和下振动模块(6c)；上振动模块(6b)上设有C螺纹孔(61)、D螺纹孔(62)、十字孔(63)；下振动模块(6c)上设有丁字形孔(66)、E螺纹孔(67)；振动体(6)的前板面(6a)上开有椭圆形通孔(64)；
A激励源(7)粘接在A支撑板(101)的右板面(101d)与振动体(6)的左端上板面(6d)之间，B激励源(8)粘接在A支撑板(101)的右板面(101d)与振动体(6)的左端下板面(6e)之间，且A激励源(7)与B激励源(8)保持平行放置；振动体(6)的下振动模块(6c)的底部设置有C激励源(9)，C顶紧螺钉(12)的一端顺次穿过C激励源(9)的中心通孔、E螺纹孔(67)后与变幅杆(5)的底部顶紧；变幅杆(5)设置在振动体(6)的凹形槽(65)内，变幅杆(5)的一端伸出方孔(102d)外。

2、  根据权利要求1所述的高频超声椭圆振动切削装置，其特征在于：采用了杠杆与朗之万换能器的结构设计。

3、  根据权利要求1所述的高频超声椭圆振动切削装置，其特征在于：C激励源(9)提供纵向振动，A激励源(7)和B激励源(8)提供弯曲振动，且弯曲振动与纵向振动相互垂直使得变幅杆(5)带动刀具作椭圆振动切削。

4、  根据权利要求1所述的高频超声椭圆振动切削装置，其特征在于：该高频超声椭圆振动切削装置的工作频率范围为100kHz～200kHz。

5、  根据权利要求1所述的高频超声椭圆振动切削装置，其特征在于：A激励源(7)、B激励源(8)和C激励源(9)的结构是相同的，三个激励源能够提供给变幅杆5的功率为5～10W。

6、  根据权利要求1所述的高频超声椭圆振动切削装置，其特征在于：A激励源(7)、B激励源(8)和C激励源(9)选用型号PZT-8压电陶瓷圆环片。

一种高频超声椭圆振动切削装置
技术领域
本发明涉及一种应用于精密加工领域的金属切削加工装置，尤其是指一种能产生高频超声椭圆振动的切削装置。
背景技术
超声振动切削是将一超声振动附加于刀具上，使原本连续的切削过程变成断续的、间断的，具有特殊切削效果的切削方式，是日本学者率先提出来的。超声振动切削具有降低切削力和切削温度、提高表面质量和形位精度的独特优点。但是，在常规超声振动(振动方向为直线运动)切削过程中，当刀具同工件分离时，由于后刀面会撞击已加工表面，产生摩擦，不但会损伤已加工表面，而且是刀具承受拉应力，尤其在精密加工中，一般都选用刀尖非常锋利的金刚石刀具、聚晶金刚石刀具等硬而脆的刀具材料，这类材料可以承受很高的压应力，但是在拉应力的作用下刀具会很快破损或崩刃，严重影响刀具寿命和加工质量，限制了超声振动切削技术在精密及超精密加工领域的应用。
发明内容
为了解决在切削过程刀具崩刃的问题，本发明提出一种在高频100kHz～200kHz下的超声椭圆振动切削装置。该切削装置工作在100kHz～200kHz的较高振动频率，提高了刀具振动切屑临界振速，使加工效率得到明显提高；应用相互垂直的两个高频振动之间的相位差，在刀具刀尖处合成一个椭圆振动，有效降低加工表面粗糙度；采用变幅杆插接安装在振动体上，易于装卡，可以促进超声椭圆振动切削的实用化。
本发明的一种高频超声椭圆振动切削装置是结合杠杆和朗之万换能器进行的结构设计。该切削装置由超声振动单元和壳体单元组成，超声振动单元置于壳体单元内；所述壳体单元由基座、A盖板、B盖板和上盖板构成，超声振动单元由变幅杆、振动体、A激励源、B激励源、C激励源构成。本发明的振动切削装置通过设置在基座的底板上的安装孔与加工车床进行固定。
A盖板的一端安装在基座的A支撑板的前侧板面上，A盖板的另一端安装在基座的B支撑板的前侧板面上；B盖板的一端安装在基座的A支撑板的后侧板面上，B盖板的另一端安装在基座的B支撑板的后侧板面上；上盖板的一端安装在基座的A支撑板的上板面上，上盖板的另一端安装在基座的B支撑板的上板面上。
振动体安装在底板上，变幅杆安装在振动体的凹形槽中，C紧顶螺钉的一端顺次穿过底板上的一通孔、C激励源的C通孔后螺纹连接在E螺纹孔上，即C激励源放置在振动体的下振动模块与底板之间。
本发明高频超声椭圆振动切削装置的优点在于：
(1)应用纵向振动(激励源C)和弯曲振动(激励源A和激励源B)相互垂直的两个高频振动进行切削，两个方向的合成可实现高频率的椭圆振动切削，在保持超声20kHz椭圆振动切削的优势前提下，振动频率(100kHz～200kHz)的大幅度增加，进一步提高了切屑临界振速，因此可大大提高工作效率，特别适合精密和超精密切削加工的应用。
(2)本发明中激励源、振动体和变幅杆的装配，可显著提高刀具寿命和加工表面质量；利用金刚石刀具可实现普通切削无法完成的微细切削、仿形表面及特殊表面的制造等，如应用于生物仿形表面的制造。
(3)由于为高频超声椭圆振动进行的切削，其有效切削时间短，明显降低了切削温度，因此利用金刚石刀具切削单晶硅等半导体材料，可显著提高塑性切削深度，延长刀具使用寿命，在某些场合还可利用普通金刚石刀具来代替昂贵的天然金刚石刀具来进行切削加工，节省加工成本。
(4)高频超声椭圆振动切削装置的换刀方便，对现有精密或超精密加工车床进行振动切削改造特别容易，可利用现有的刀具，不需要特别地设计刀具，且装卡、拆卸方便。
附图说明
图1是本发明高频超声椭圆振动切削装置的外部结构图。
图1A是图1的背部结构图。
图1B是未装配上盖板、A盖板和B盖板的本发明高频超声椭圆振动切削装置的结构图。
图2是本发明椭圆振动单元的结构图。
图2A是本发明椭圆振动单元的分解图。
图中：        1.基座        101.A支撑板   101a.前侧板面  101b.后侧板面
101c.上板面   101d.右板面   102.B支撑板   102a.前侧板面  102b.后侧板面
102c.上板面   102d.方孔     103.底板      103a.安装孔    2.A盖板
3.B盖板       3a.通孔       3b.A螺纹孔    4.上盖板       4a.A光孔
4b.B光孔      5.变幅杆      6.振动体      6a.前板面      6b.上振动模块
6c.下振动模块 6d.左端上板面 6e.左端上板面 6f.右板面      61.C螺纹孔
62.D螺纹孔    63.十字孔     64.椭圆形通孔 65.凹形槽      66.丁字形孔
67.E螺纹孔    7.A激励源     7a.A通孔      8.B激励源      8a.B通孔
9.激励源      9a.C通孔      10.A顶紧螺钉  11.B顶紧螺钉   12.C顶紧螺钉
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明的一种高频超声椭圆振动切削装置是结合杠杆和朗之万换能器进行的结构设计。参见图1、图1A、图1B和图2所示，该切削装置由超声振动单元和壳体单元组成，超声振动单元置于壳体单元内；所述壳体单元由基座1、A盖板2、B盖板3和上盖板4构成，超声振动单元由变幅杆5、振动体6、A激励源7、B激励源8、C激励源9构成。本发明的振动切削装置通过设置在基座1的底板103上的安装孔103a与加工车床进行固定。
参见图1B所示，基座1为“凹”形形状；A盖板2的一端安装在基座1的A支撑板101的前侧板面101a上，A盖板2的另一端安装在基座1的B支撑板102的前侧板面102a上。
B盖板3的一端安装在基座1的A支撑板101的后侧板面101b上，B盖板3的另一端安装在基座1的B支撑板102的后侧板面102b上。
上盖板4的一端安装在基座1的A支撑板101的上板面101c上，上盖板4的另一端安装在基座1的B支撑板102的上板面102c上。
参见图1A所示，B盖板3上设有B通孔3a，该B通孔3a的四周设有A螺纹孔3b，本发明超声振动单元散热用的风扇放置在B通孔3a处，且通过B通孔3a四周的A螺纹孔3b实现将风扇安装在B盖板3上。
参见图1、图1A所示，上盖板4上设有A光孔4a、B光孔4b，A光孔4a用于A顶紧螺钉10通过，B光孔4b用于B顶紧螺钉11通过。
参见图1B，基座1上设有A支撑板101、B支撑板102和底板103，底板103上设有用于固定本发明装置在相应切削车床上的安装孔103a。振动体6安装在底板103上，C紧顶螺钉12的一端顺次穿过底板103上的一通孔、C激励源9的C通孔9a后螺纹连接在E螺纹孔67上，即C激励源9放置在振动体6的下振动模块6c与底板103之间。
B支撑板102的上设有方孔102d，该方孔102d用于变幅杆5穿过，变幅杆5的伸出端(即穿过方孔102d端)上安装有刀具。变幅杆5在A激励源7和B激励源8提供的弯曲振动与C激励源9提供的纵向振动相互垂直的作用下，变幅杆5的伸出端形成椭圆加工轨迹，进而带动刀具作椭圆运动。
A支撑板101的右板面101d上粘接有A激励源7、B激励源8，A激励源7的另一端和B激励源8的另一端分别粘接在振动体6的左端上板面6d和左端下板面6e上。
参见图2、图2A所示，超声振动单元由变幅杆5、振动体6、A激励源7、B激励源8、C激励源9构成，A激励源7、B激励源8和C激励源9的结构是相同的，从商家购入。该激励源是由压电陶瓷片与铜片电极采用间距方式装配形成。在本发明中，激励源能够提供给变幅杆5的功率为5～10W。
振动体6为中部带有凹形槽的“T”形形状，振动体6上设有供安装变幅杆5的凹形槽65，凹形槽65是沿水平中心线开设的，该凹形槽65将振动体6分隔为上振动模块6b和下振动模块6c；上振动模块6b上设有C螺纹孔61、D螺纹孔62、十字孔63；C螺纹孔61用于A顶紧螺钉10通过，且A顶紧螺钉10的端部顶紧变幅杆5；D螺纹孔62用于B顶紧螺钉11通过，且B顶紧螺钉11的端部顶紧变幅杆5。下振动模块6c上设有丁字形孔66、E螺纹孔67，E螺纹孔67用于C顶紧螺钉12通过。振动体6的前板面6a上开有椭圆形通孔64。
在本发明中，十字孔63、丁字形孔66和椭圆形通孔64的设计一方面用于减轻振动体6的重量，另一方面在有激励源提供的驱动力条件下，便于分散振动体6在水平方向和纵向上的力，使得变幅杆5带动刀具更有利于在椭圆轨迹上运动。
A激励源7粘接在A支撑板101的右板面101d与振动体6的左端上板面6d之间，B激励源8粘接在A支撑板101的右板面101d与振动体6的左端下板面6e之间，且A激励源7与B激励源8保持平行放置。振动体6的下振动模块6c的底部设置有C激励源9，C顶紧螺钉12的一端顺次穿过C激励源9的中心通孔、E螺纹孔67后与变幅杆5的底部顶紧。变幅杆5设置在振动体6的凹形槽65内，变幅杆5的一端伸出方孔102d外，且变幅杆5的倾斜端上安装有切削用的刀具(如金刚石成形刀具)。
在本发明中，A激励源7、B激励源8和C激励源9选用型号PZT-8压电陶瓷圆环片，其外径15mm，内径6mm，厚度3mm。激励源一般采用每两片铜片之间采用环氧树脂粘接有压电陶瓷环。相互垂直的两个高频振动(一个为纵向振动，一个为弯曲振动)使刀具刀尖处合成一个椭圆振动。工作频率范围为100kHz～200kHz，具体工作频率，视具体结构的尺寸决定，需两路高频超声电源激励。
本发明装置适合在精密或超精密车床上安装，对于特定的车床，仅需要提供能装卡本发明装置的底座及相应对刀装置即可。工作过程是：首先针对特定车床对原有装刀结构进行改造，根据本发明装置设计连接底座(只需一个供安装的M8的螺孔)，将本装置用螺栓固定安装到车床上。接下来，在本发明装置上，安装切削刀具(一般为金刚石成形刀具)，进行对刀工作，调整到最终安装位置。下一步，进行椭圆振动调整工作，即打开超声激励电源，根据切削工艺的需要，调整工作频率，使刀具处在最好的振动状态，其中，振动控制系统具有自动控制功能，可根据工艺要求方便设置，实际工作过程中，用户只需细微调整；最后，根据工艺要求，设定切削参数，如切削速度、切深、进给量，即可开始进行精密和超精密切削加工。
本发明设计的一种能够产生高频超声椭圆振动的切削装置。它是一种由刀具刀杆、刀具振动部分、压电陶瓷圆片及电极片经环氧树脂黏结后用螺栓连接而成，需用双路高频超声电源激励的用于金属切削的振动切削装置。超声椭圆振动切削加工，是一种在普通切削刀具刀尖上附加一强迫的椭圆振动，产生特殊加工效果的金属切削加工方法。利用成形金刚石刀具，该装置可方便应用于精密和超精密切削加工领域，能有效降低切削力，从而获得一系列普通切削所不具备的优点，如抑制颤振、抑制毛刺、降低切削热和切削温度及提高加工精度等；变幅杆(刀杆)更换方便，易于实现通用化、实用化、小型化。