CN104014836B - 一种纵扭复合超声振动切削装置 - Google Patents

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Abstract

一种纵扭复合超声振动切削装置，属于复合超声振动切削加工技术领域，特别是涉及一种纵扭复合超声振动切削装置。本发明采用超声振动纵扭主轴***，实现了纵扭复合超声振动钻削或铣削，且结构简单，安装方便，加工省时省力。本发明包括同轴设置的加工刀具、超声振动纵扭主轴***和装夹锥柄，超声振动纵扭主轴***由预紧螺栓、定位卡盘、电极片、绝缘片、绝缘套、压电陶瓷片、扭转变幅体、变幅杆及集流环组成，所述加工刀具固定在变幅杆的底部，装夹锥柄固定在定位卡盘的顶部。

Description

一种纵扭复合超声振动切削装置
技术领域
本发明属于复合超声振动切削加工技术领域，特别是涉及一种纵扭复合超声振动切削装置。
背景技术
随着航空航天、半导体和电子工程的发展,晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆难加工材料在这些工程中获得广泛应用，但由于这些硬脆材料成形加工十分困难，严重影响了这些难加工材料的进一步推广应用，使这些硬脆性难加工材料的高精度切削加工技术成为世界各国制造业的一个重要研究课题。超声振动切削技术在硬脆性难加工材料的超精密加工中表现出优良的工艺特性，受到国际学术界和企业界的普遍重视。现有的超声波振动切削装置主要有一维超声振动钻削、铣削、车削，二维复合的超声振动钻削、铣削以及二维椭圆超声振动切削等。与一维超声振动切削相比，二维复合的超声振动切削可进一步提高工件的加工精度、降低工件的表面粗糙度、有效减小切削力、增加材料去除率、延长刀具寿命和显著提高加工效率等，但是二维复合的超声振动切削至少需要二个超声振动源，具有结构复杂、不易控制及成本高等缺陷。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种纵扭复合超声振动切削装置，该装置采用超声振动纵扭主轴***，实现了纵扭复合超声振动钻削或铣削，且结构简单，安装方便，加工省时省力。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种纵扭复合超声振动切削装置，包括同轴设置的加工刀具、超声振动纵扭主轴***和装夹锥柄，超声振动纵扭主轴***由预紧螺栓、定位卡盘、电极片、绝缘片、绝缘套、压电陶瓷片、扭转变幅体、变幅杆及集流环组成，集流环设置在变幅杆的顶部，扭转变幅体设置在集流环的顶部，扭转变幅体为倒置的圆筒形结构，在扭转变幅体的外侧壁上、沿着圆周方向设置有栅格组，栅格组为若干个相互平行的通槽，通槽倾斜设置，在扭转变幅体的顶部设置有预紧螺栓，在扭转变幅体的上方、预紧螺栓的顶部固定有定位卡盘，在定位卡盘与扭转变幅体顶部之间的预紧螺栓上设置有绝缘套，在扭转变幅体顶部与定位卡盘之间、绝缘套的外侧设置有上、下压电陶瓷片，上、下压电陶瓷片相邻端面的极性相同；在上压电陶瓷片与定位卡盘之间、下压电陶瓷片与扭转变幅体之间的绝缘套外分别设置有上、下绝缘片；在上绝缘片与上压电陶瓷片之间、下压电陶瓷片与下绝缘片之间及上、下压电陶瓷片之间的绝缘套外分别设置有上、下、中电极片，所述加工刀具固定在变幅杆的底部，装夹锥柄固定在定位卡盘的顶部。
所述扭转变幅体上设置有固定盘，固定盘与集流环、变幅杆通过螺栓相连接。
在所述扭转变幅体的顶部设置有通孔，预紧螺栓的底部穿过通孔设置在扭转变幅体内，且与扭转变幅体内的螺母相配合。
所述装夹锥柄采用莫氏锥柄结构。
所述加工刀具与变幅杆的底部之间通过夹头相连接。
本发明的有益效果：
本发明只需一个超声振动源，即可实现纵扭复合超声振动切削，且结构简单、控制容易、成本低、安装方便、加工省时省力，具体优势如下：
1、本发明采用了超声振动纵扭主轴***，即在一个超声频率纵向振动的基础上增加一个与纵向振动的超声频率相同的扭转振动，进一步提高了钻削或铣削的加工性能；
2、本发明在振动钻削或铣削加工过程中，加工刀具与工件是非连续性接触，时切时离，加工刀具的运动速度和方向不断地变化，解决了钻削或铣削时存在的切削力大、刀具寿命低、加工质量差、排屑困难等问题；
3、本发明除了可完成对各种零件的超声钻削外，还可以进行超声铣削，用以加工不锈钢、复合材料等难加工材料。
附图说明
图1为本发明的纵扭复合超声振动切削装置的结构示意图；
图2为图1的侧视剖视图；
图3为图1的A-A剖视图；
图中，1—加工刀具，2—夹头，3—变幅杆，4—扭转变幅体，5—电极片，6—装夹锥柄，7—绝缘片，8—预紧螺栓，9—定位卡盘，10—压电陶瓷片，11—绝缘套，12—垫片，13—螺母，14—集流环，15—固定盘，16—栅格组。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1～图3所示，一种纵扭复合超声振动切削装置，包括同轴设置的加工刀具1、超声振动纵扭主轴***和装夹锥柄6，超声振动纵扭主轴***由预紧螺栓8、定位卡盘9、电极片5、绝缘片7、绝缘套11、压电陶瓷片10、扭转变幅体4、变幅杆3及集流环14组成，集流环14设置在变幅杆3的顶部，扭转变幅体4设置在集流环14的顶部，扭转变幅体4为倒置的圆筒形结构，在扭转变幅体4的外侧壁上、沿着圆周方向设置有栅格组16，栅格组16为若干个相互平行的矩形通槽，矩形通槽倾斜设置，在扭转变幅体4的顶部设置有预紧螺栓8，在扭转变幅体4的上方、预紧螺栓8的顶部固定有定位卡盘9，在定位卡盘9与扭转变幅体4顶部之间的预紧螺栓8上设置有绝缘套11，在扭转变幅体4顶部与定位卡盘9之间、绝缘套11的外侧设置有上、下压电陶瓷片，上、下压电陶瓷片相邻端面的极性均为负极，上压电陶瓷片的上端面、下压电陶瓷片的下端面的极性均为正极，在上压电陶瓷片与定位卡盘9之间、下压电陶瓷片与扭转变幅体4之间的绝缘套11外分别设置有上、下绝缘片；在上绝缘片与上压电陶瓷片之间、下压电陶瓷片与下绝缘片之间及上、下压电陶瓷片之间的绝缘套11外分别设置有上、下、中电极片，所述加工刀具1固定在变幅杆3的底部，装夹锥柄6通过螺栓固定在定位卡盘9的顶部。
所述栅格组16与水平面呈27°夹角，栅格组16的横截面为倒梯形。
所述扭转变幅体4上设置有固定盘15，固定盘15与集流环14、变幅杆3通过螺栓相连接。
在所述定位卡盘9上设置有阶梯孔，预紧螺栓8的顶部设置在阶梯孔内，在所述扭转变幅体4的顶部设置有通孔，预紧螺栓8的底部穿过通孔设置在扭转变幅体4内，且与扭转变幅体4内的螺母13相配合，在预紧螺栓8上、扭转变幅体4顶部与螺母13之间设置有垫片12。
所述装夹锥柄6采用莫氏锥柄结构，用于装夹在机床主轴上。
所述加工刀具1与变幅杆3的底部之间通过钻铣夹头2相连接。
下面结合附图说明本发明的一次使用过程：
如图1～图3所示，本实施例的加工刀具1采用钻头，以在不锈钢的面板上钻削直径为1mm、深径比为10的孔为例。首先，将本发明的中电极片与集流环14通过导线相连，上、下电极片通过导线相连后再通过导线与集流环14相连，中电极片与上、下电极片的极性相反；本发明的集流环14与电刷相配合，电刷的输出端与超声波发生器的输入端通过导线相连，本发明的装夹锥柄6装夹在机床主轴上，对钻头进行定位。
启动机床电源，机床主轴高速旋转，带动本发明装置同步转动，同时启动超声波发生器，超声波发生器将30kHz的超声激励信号通过电刷传递给集流环14，集流环14再将超声激励信号传递给电极片5，进而使压电陶瓷片10通过其自身具有的逆压电效应产生周期性膨胀、收缩，将超声激励信号转换成30kHz的超声频率的纵向振动。机床主轴竖直向下平移，带动本发明装置向下运动，与面板接触后，向上的纵向抗力产生，当压电陶瓷片10膨胀时，其向下作用力与纵向抗力一同压缩扭转变幅体4的栅格组16，使其产生弹性扭转形变，当压电陶瓷片10收缩时，栅格组16受到的压缩力变小，弹性扭转形变恢复，如此循环则形成周期性弹性扭转形变与恢复，由此产生30kHz的超声频率的扭转振动(与纵向振动的超声频率相同)，其与前述的纵向振动复合之后，最终经过变幅杆3的聚能作用在钻头端形成10μm～15μm振幅的纵扭复合超声振动。
钻削时，机床主轴竖直向下平移，带动本发明装置向下运动，以10μm～15μm振幅振动的钻头进入到面板内部进行钻削，当钻头钻入到所需深度后，机床主轴竖直向上平移，钻头退出面板，直至达到初始位置后停止；如此循环，直至加工出直径为1mm、深径比为10的孔。
若加工刀具1采用铣刀，则能实现铣削加工功能。超声振动纵扭主轴***在切削过程中带动铣刀作高速旋转，同时产生规律的超声频率纵向振动和扭转振动，形成复合振动铣削功能，满足了难加工材料的相应铣削加工。

Claims (5)

1.一种纵扭复合超声振动切削装置，其特征在于包括同轴设置的加工刀具、超声振动纵扭主轴***和装夹锥柄，超声振动纵扭主轴***由预紧螺栓、定位卡盘、电极片、绝缘片、绝缘套、压电陶瓷片、扭转变幅体、变幅杆及集流环组成，集流环设置在变幅杆的顶部，扭转变幅体设置在集流环的顶部，扭转变幅体为倒置的圆筒形结构，在扭转变幅体的外侧壁上、沿着圆周方向设置有栅格组，栅格组为若干个相互平行的通槽，通槽倾斜设置，在扭转变幅体的顶部设置有预紧螺栓，在扭转变幅体的上方、预紧螺栓的顶部固定有定位卡盘，在定位卡盘与扭转变幅体顶部之间的预紧螺栓上设置有绝缘套，在扭转变幅体顶部与定位卡盘之间、绝缘套的外侧设置有上、下压电陶瓷片，上、下压电陶瓷片相邻端面的极性相同；在上压电陶瓷片与定位卡盘之间、下压电陶瓷片与扭转变幅体之间的绝缘套外分别设置有上、下绝缘片；在上绝缘片与上压电陶瓷片之间、下压电陶瓷片与下绝缘片之间及上、下压电陶瓷片之间的绝缘套外分别设置有上、下、中电极片，所述加工刀具固定在变幅杆的底部，装夹锥柄固定在定位卡盘的顶部。
2.根据权利要求1所述的纵扭复合超声振动切削装置，其特征在于所述扭转变幅体上设置有固定盘，固定盘与集流环、变幅杆通过螺栓相连接。
3.根据权利要求1所述的纵扭复合超声振动切削装置，其特征在于在所述扭转变幅体的顶部设置有通孔，预紧螺栓的底部穿过通孔设置在扭转变幅体内，且与扭转变幅体内的螺母相配合。
4.根据权利要求1所述的纵扭复合超声振动切削装置，其特征在于所述装夹锥柄采用莫氏锥柄结构。
5.根据权利要求1所述的纵扭复合超声振动切削装置，其特征在于所述加工刀具与变幅杆的底部之间通过夹头相连接。
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