CN1040163A - 超声波尺寸加工设备 - Google Patents

Abstract

本设备用来加工由单晶体和多晶体制成的工件。该设备包括龙门式床身，纵向和横向移动的滑板，超声头和可更换的定量给料器。该设备装有可沿三个坐标调整位移的机构，以及带有一组加长圈的电视摄像机。此外，还包括装有超声波发生器和程控装置的电气柜。视频监控器装在可转动的托架上。给定压紧力的机构保证产生将滚子支承压紧到工作台凸出部所需要的作用力。压紧滚子的位置由与齿条刚性连接的动滑板的移动来决定。

Description

本发明可用于机械制造业、仪器仪表业及其它使用硬质脆性材料的工业，用来对零件例如单晶体和多晶体制成的零件进行超声波尺寸加工。

在机械制造工业当今发展的情况下，采用刀具相对工件移动的特殊机构（压紧机构），或者采用考虑了具体零件加工特点的特殊伺服***，是可以保证对零件进行超声波尺寸加工的高质量和高生产率的这种压紧机构可用来在工具和工件之间产生必要的压力，并在切削过程中保持这一压力。

最初采用的超声波加工机床装有带配重的压紧机构，压紧力是由超声头与配重的重量差产生的，配重悬吊在搭装于滑轮组上的柔性条带上，或者安装在杠杆上，有时这样的***也用来完成工作台的进给动作。压紧力的改变可以用更换配重，或者沿杠杆移动配重的方法来实现（例如，可参看美国专利NO.2580716，Cl 219-121，1951公布;以及Л， 洛津伯尔格等著超声波切削，莫斯科，苏联科学院出版社，1962，第159页）。

但是，这类超声波加工机床，由于惯性大和力的传递***存在很大的摩擦力，所以没有足够的压紧力动态变化的范围，并且也没有足够小的压紧力增量，而这种增量对于单晶体小零件加工是必要的。

已知一种外国公司制造的超声波加工机床，它的压紧机构采用平衡弹簧〔参看B.C.马尔盖林等著《超声波加工机床》（国外超声波加工机床结构的评述），中央自动化和机械制造科技情报所，莫斯科，1963，第40页〕。这种机床的优点是结构紧凑，灵敏度相当高。但其特点是在整个加工过程中压紧力不固定，并且也不能按照规定的程序在宽大的范围内调整压紧力。

许多外国机床采用压紧力调整器，这种调整器中装有周期性启动的电机（例如，可参看美国专利NO.2942383，CL.175-108，1957公布）。电机通过蜗杆传动装置压挤用来平衡超声头的弹簧，并且压紧力等于超声头重量和弹簧压缩力的差值。此外，还设有与滑行螺母一起移动的触头（螺母在螺杆转动时通过蜗杆传动装置移动），这种触头在与超声头上的挡块接触时即切断电路;在加工工件时，超声头下降，触头断开。

但是，采用弹簧会引起压紧机构的灵敏度不均匀，并且对于加工晶体的实际目标来说，这样的灵敏度也是不够的。

在4772型超声波加工机床的第一个样机中，采用了比较完善的方案，这种型号的机床在1958年布鲁塞尔博览会上展览过。在这种机床中，采用了感应式传感器以取代触头，然而这种机床加工的缺点依然如前那样。

还有一种带有螺管线圆型压紧调整器的超声波加工机床（例如，可参见苏联专利证书NO.114937，以及А.Л.里甫希茨等著“4772型万能超声波加工机床”，《机床与工具》，1959年，第六期，第10～12页），在这种机床上，压紧力是用螺管线圈的拉力进行调整的，而线圈的心部为配重或配重的滑块。

采用螺管线圈的这种机床的缺点是灵敏度低，而且在整个加工过程中的压紧力是非线性的。

此外，还有一种超声波加工机床的压紧机构，它装有使用电机的压紧调整器，此电机在制动状况下工作（例如，可参见苏联专利证书NO.117882，1957年）。异步伺服电机通过减速器和齿条传动装置驱动装有超声头的滑块。电机在这样的状况下工作，即电机在停止时继续产生扭矩，也就是说，继续产生使工具压靠工件的作用力（电机如同一个扭紧状态的螺旋弹簧）。

但是，这种压紧***由于存在着很大的摩擦力，所以就压紧力来看，灵敏度是低的。

4Б772型超声波加工机床最接近于在技术上提出的和要求达到的结果，这种机床的主轴借助于配重和平衡杆得到平衡，但留有约5～6.5千克的剩余重量（例如，参看А.И.马尔科夫著《难加工工材料的超声波切削》，莫斯科，机械制造工业出版社，1968年第81和387页）。配重沿平衡杆移动，以补偿剩余重量。

但是，这种机床在压紧机构中存在着很大的摩擦力和机械***惯性，所以压紧机构和压紧力调整的灵敏度低，压紧力的调整范围窄小（约为40∶1），这种情况是由结构设计决定的，此外，这种机床在实现超声波尺寸加工过程的自动化方面会复杂化，生产率也低。

本发明的基本任务，是研制一种对晶体进行超声波尺寸加工的设备，它的进给机构和给定压紧力的机构应能提高用复杂成形工具加工单晶体和多晶体的生产率和质量。

这项任务可按如下方法实现，即晶体超声波尺寸加工设备包括双柱床身，纵向和横向移动的滑板、超声头、装有超声波发生器和程控装置的电气柜、与平衡杠杆运动连接的工作台，工作台安装在装在床身上的横向滑板上，同时工作台在带有气体静力键的气体静力导轨上可通过工作台往上升高实现工作进给，此外，在该设备上还装有独立动作的给定工具压紧力的机构。

给定压紧力的机构最好制成滚子支承式的，这种滚子支承与工作台上部的凸出部相接触，并且安装在平衡杠杆的一端，在平衡杠杆的另一端装有压紧滚子，以保证使上述滚子支承压紧到上述凸起部所必需的作用力。

为了调整压紧力，最好将压紧滚子装在托架的横向杠杆上，在杠杆的一端设有可更换的荷重，另一端制作得能够在动滑板铰销内产生角度转动，而动滑板通过齿条齿轮副与由步进电机驱动的减速器相连接。

为了提高对压紧力的灵敏度，最好将平衡杠杆在中间部位支撑压在刀形支点上，而为了选择最佳工作条件，要在与滚子支承相反的一边，给平衡杠杆加装以校正荷重。

最好在进给机构中对工作台加装上一对联锁触头，触头在工作台升起而工具与工件接触时闭合，其中的一个触头装在与工作台刚性连接的杠杆上，杠杆的一端用铰接在横向移动的滑板上，而另一端与单级减速器的轴运动连接，减速器则由附加的步进电机来驱动。

最好使联锁触头和对应的步进电机与程控装置和对应的压紧力值及加工深度值的数字显示部件加以电气连接。

此外，在床身门架上最好从背面装有带电平传感器的可换定量给料器，而从前面将与超声波发生器相连接的超声头装在纵向移动的滑板上，此外，定量给料器和超声头应与程控装置和工具工作循环及使用寿命计数器加以电气连接，这样可以监督操作员的工作，并且可以指明何时需要更换已磨损的刀具。

最后，为了有效地按角度和坐标对刀具进行定位，最好在横向移动的滑板上。沿着工作台在原始位置的坐标原点所在的那条直线，设置一个调整移动机构和带有一组加长圈的电视摄像机，电视摄像机和程控装置和视频监控器加以电气连接，视频监控器装在转动托架上，用以使工具在电视摄像机上显示。

本发明可最大限度地减少摩擦和提高压紧滚子的灵敏度，其主要方法是将平衡杠杆支承在刀形支点上，以及把工作台安装在气体静力导轨上。采用气体静力键可以消除工作台绕垂直轴线的转动。

此外，由于将工作台的进给机构和给定压紧力的机构加以分开，本发明还可以扩大设备的功能。给定压紧力机构的新结构可以实现按照下列程序给定压紧力的可能性：

1.使带有所安放的工件和悬浮液的工作台保持平衡;

2.保证低切削力;

3.保证最优加工力;

4.保证从工件中退出工具的力是低的。

可换定量给料器的构造及其安装位置允许采用各种成份的工作介质，又可保证对定量给料器内的液体存量进行监测和根据控制***的指令供给稳定量的磨料剂量，磨料例如研磨膏定量给料器最好从工件上可能已涂满研磨膏的加工区移开，然后向加工区内供给液体以形成悬浮液，用以补偿（抵消）由超声刀具来的悬浮液超声流，进料可减少磨料加工区向凹槽周边流出和稳定加工区内的磨料浓度，从而提高加工效率。

本发明在升高机构的触头断开的情况下可实现工作台不连续的升高，从而在切入、穿孔和从工件中退刀的情况下，可使压紧力平稳变化，并且也可使孔眼的加工沿深度具有高精度（精度可与工作台垂直进给的步长相比）。

最后，根据本发明，电视摄像机的采用和摄像机的安装特点，以及与工作台的进给机构和控制装置合在一起，可以保证刀具从定位工位自动移至工作位置（同时，工作台沿纵坐标“y”是处在起始位置，而当刀具经过槽壁时工作台则下降）。

下面借助于本发明的最佳实施例的描述和附图，对本发明加以解释，在这些附图中：

图1，根据本发明，表示晶体超声波尺寸加工设备的概貌图;

图2，根据本发明，表示用于这项设备上的工作台进给机构和给定压紧力机构的具体原理图。

按照附图（图1，2），对晶体进行超声波尺寸加工的设备包含龙门式床身1，并且在床身本体上安装横向移动的滑板2，在床身的龙门架上安装纵向移动的滑板3。在滑板3上安置超声头4，在龙门架背面的左侧，固定有可更换的定量给料器5。在横向移动的滑板2上，沿着工件上在起始位置处的坐标原点所在的那条轴线，安放可按三个坐标轴调整位移的机构6，该机械上带有电视摄像机和一组加长圈7（例如，放大20～100倍）。在该设备的右侧，安放带有超声波发生器9的电气柜8，而在电气柜内安装程控装置10，这种程控装置内设有工作台位置和压紧力值的数字显示器和加工的模拟***。视频监控器11安装在可转动的托架上，可用来显示工具的图像。为了工作方便，在监控器的屏幕上制作有标线。

通过改变压紧滚子16在平衡杠杆13上的位置和可换荷重17的重量，给定压紧力的机构（图2）可以保证产生将平衡杠杆13上的滚子支承12压紧至工作台15的凸出部14所需要的作用力。可换荷重17（对于压紧力范围为20～2500克的场合，建议采用三种可换荷重）装在托架18上，而托架的一端固定在动滑板20的铰销19上，并且能够在垂直平面内转动。

压紧滚子16的位置由动滑板20的移动来决定，而动滑板20与齿条21刚性连接，齿条21则与安装在减速器23的输出轴上的齿轮22相啮合，减速器由步进电机24来驱动。平衡杠杆13上的校准荷重25用来选择最佳的工作条件。

工作台的进给机构可利用杠杆26使工作台升高。由附加的步进电机29所驱动的单级减速器28的输出轴27支撑在杠杆26上。联锁触头30，31与控制装置10相连接。一个触头30装在杠杆26上。压紧滚子16的轴32连接于托架18。平衡杠杆13支撑在刀形支点34上。

根据图1和2，超声波尺寸加工设备按下列方式进行工作：

在机床的工作台15上旋转带有凹槽和已预定位工作的随行夹具可事先在加工区外，在工件上涂敷以研磨膏，研磨膏为1∶5至1∶20的液体与磨料混合物。为了向工件供给研磨膏，可以利用现有结构的定量给料器。涂有研磨膏的工件被放置在随行夹具的凹槽内，工件与夹具一起被送到机床上的加工区域。这种方法的优越性在于运送时可以消除磨料的损耗，因为磨料是潮湿的。

最好在机床上加工区域的凹槽内，向涂有研磨膏的工件供给形成悬浮液所需量的液体。此外，为了减少超声流的有害作用（抛撒磨料），改善形成悬浮液的条件，在浮悬液中要形成可以阻止和抵消超声流的液体流。最好采用向切削区供入压缩空气并使之起泡（通过管壁带孔的管子）的方法来形成液体流（图上未示出）。这样，借助于消除磨料的损耗的磨料在加工区域内具有稳定的浓度，可以提高生产率和加工质量。

在控制装置10的操纵台上，放置加工的工艺规范（压紧力值，切削深度，穿孔深度，退刀深度，超声波刀具的使用寿命，被加工孔的坐标，悬浮液的剂量数等）。然后，按照程序将刀具装在定位工位起动带有监视器的电视摄像机，并且按照监视器屏幕上的标线，根据角度和坐标对刀具进行定位。接着，刀具按照程序返回到起始位置，进而占有第一孔的坐标，与此同时，开始随后的加工循环。

控制装置10发出适当的指令，而步进电机29通过减速器28和轴27将与工作台15相连接的杠杆26升高到工件与刀具相接触（最好以快速实现工作台的上升）。当刀具与工件接触时，借助于杠杆26的升高和杠杆在铰销32内的转动，联锁触头对30和31发生闭合，关于这种情况，向控制装置10发送指令。控制装置将指令送至步进电机24，步进电机24通过减速器23转动齿轮22，进而移动齿条21，动滑板20，并且通过横向杠杆33移动压紧滚子16。可更换的荷重17通过杠杆***一直挤压工作台15的凸出部14，直到在刀形支点34上摆动的平衡杠杆13达到平衡为止（最初工作台15将“下沉”），此后，触头30，31断开，并向控制装置10发送指令。

在最后指令的作用下，控制装置10向步进电机24发出给定的脉冲数，步进电机24保证将压紧滚子16沿平衡杠杆13移动一定的距离，以保证产生所要求的压紧力（切入作用力）。

这样一来，开始形成孔眼，并且加工是间断进行的（也就是说，例如，如果触头30，31是断开的，工作台15上升一些，当加工速度高于进给速度时，两触头断开，而在相反的情况下，工作台遇到刀具的阻挡，触头闭合，这时进行加工孔眼，两触头断开，而工作台再上升一些，这值过程就这样重复着）。

当刀具深入到切入结束的深度时，指令作用到控制装置10，步进电机24转动齿轮22，进而沿平衡杠杆13移动压紧滚子16（“穿孔”作用力）。这样一来，有可能以低的作用力完成穿孔和从工件退出刀具。

为了提高加工效率，建议将刀具制作得仅在工作部分的周边，而一般不在其整个表面上具有耐磨层，因为在形成孔眼的过程中，这一部分将受到最大的负荷。此外，最好使耐磨层两倍的厚度大于磨料颗粒的尺寸，而小于被加工孔眼尺寸公差带的值，另外，为了达到有效地切入工件，还要使端部的空腔具有最合适的尺寸，这个尺寸应可容纳刀具下面的一层磨粒。

同时，最好使刀座的工作端制作成具有圆锥形的空腔，圆锥的底部直径和高度按下列关系式决定：

0.85 -δa，

而耐磨层的厚度为0.5a＜h＜0.7a+0.5A，

式中a-磨料颗粒的尺寸，微米，

A-振幅，微米，

-刀具工作部分的直径，毫米，

δ-系数，为5～12。

这样一来，耐磨层两倍厚度的上限由孔眼尺寸公差带的值（一般为60～200微米）来限制，上限由磨料颗粒的尺寸来限制。

制作在端部的具有最小容积的空腔，可使在最初加工时刻具有最少的磨料，以便在不加厚刀具侧壁的情况下切入工件，而当表层的耐磨度高于刀具材料的耐磨度0.5～3倍时，刀具工作部分会得到均匀磨损。

在完成每一孔眼的加工循环后，刀具循环数（积累）的计数器和刀具使用寿命的计数器（每一循环后的值减少1直到零，此时控制装置10中的联锁发生动作，即需要更换刀具）进入动作。

必要时，要将可更换的定量给料器加以替换，或者对重新安装的刀具施行定位。

本发明可以在具有微处理机控制的专用超声波加工机床上加以实现，与基准型机床-批量生产的4

772型（苏联）超声波加工机床相比，可以提高生产率1.5倍，本发明还可以提高加工精度约1～2倍，稳定加工过程，使该过程具有加工结果的高度再现性，此外，还可以缩减手工劳动部分的30～50%。

Claims (14)

1、对晶体进行超声波尺寸加工的设备，含有龙门式床身(1)纵向和横向移动的滑板(3，2)，超声头(4)，装有超声波发生器(9)和程控装置(10)的电气柜(8)，与平衡杠杆(13)加以运动连接的工作台(15)，本项设备的特点是，为了提高生产率和加工质量，工作台(15)安置在横向移动的滑板(2)上，而横向移动的滑板(2)装于床身(1)上，并且工作台(15)是安放在气体静力垂直导轨上的，垂直导轨上还带有气体静力键，通过工作台(15)的向上升高，能够实现进给作用，此外，本项设备还装有独立动作的对刀具给定压紧力的机构。

2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于，给定刀具压紧力的机构制作成滚子支承（12）形式，该支承与工作台（15）上部的凸出部（14）相接触，并且安装在平衡杠杆（13）的端部，而在平衡杠杆的另一端安装压紧滚子（16），以保证产生将上述滚子支承压紧到上述凸出部所需要的作用力。

3、根据权利要求2所述的设备，其特征在于，为了调整压紧力，压紧滚子（16）安装在托架（18）的横向杠杆（33）上，托架的一端设置有可更换的荷重（17），而托架的另一端要安装在动滑板（20）的铰销（19）上，并且能够在垂直平面内进行角度转动，而动滑板（20）通过齿条齿轮副（21，22）与由步进电机（24）所驱动的减速器（23）相连接。

4、根据权利要求2或3所述的设备，其特征在于，为了提高对压紧力的灵敏度，平衡杠杆（13）用中间部分支撑在刀形支点（34）上。

5、根据权利要求2～4中任一项所述的设备，其特征在于，为了选取最佳的工作条件，平衡杠杆（13）要装以校准用的荷重（25）。

6、根据权利要求1所述的设备，其特征在于，为了保证产生工作进给作用，工作台（15）要加装一对联锁触头（30，31），当工作台升高，刀具与工件接触时，联锁触头闭合。

7、根据权利要求5所述的设备，其特征在于，联锁触头对的一个触头（30）装在与工作台（15）刚性连接的杠杆（26）上，该杠杆一端铰接在横向移动的滑板（2）上，另一端与单级减速器（28）的轴（27）加以运动连接，而减速器（28）由附加的步进电机（29）来驱动。

8、根据权利要求3或5或6所述的设备，其特征在于，联锁触头（30，31）和相应的步进电机（24，29）与微处理型程控装置（10）和相应的压紧力值及加工深度值的数字显示部件加以电气连接。

9、根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在床身（1）的龙门架上，从背面安装带有电平传感器的可换的定是给料器（5），而从前面将与超声波发生器（9）相连接的超声头（4）装在纵向移动的滑板（3）上，此外，要将定量给料器（5）和超声头（4）与程控装置（10）和刀具运行循环的计数器，刀具使用时间的计数器加以电气连接。

10、根据权利要求1所述的设备，其特征在于，为了有效地将刀具按照角度和坐标值进行定位，要在横向移动的滑板（2）上，沿着工作台（15）在起始位置处的坐标原点所在的那条直线，设置一个调整位移的机构和带有一组加长圈的电视摄像机，另外，电视摄像机与程控装置（10）和监视器（11）加以电气连接，而监视器装在可转动的托架上，用来显示刀具在电视摄像机中的图像。

11、根据权利要求1或9所述的设备，其特征在于，在该设备上还装有附加的研磨膏定量给料器（5），比定量供料器与床身（1）有一定的距离，并且能够便于在加工区外面向工件涂敷研磨膏。

12、根据权利要求11所述的设备，其特征在于，为了借助于加工区稳定的磨粒浓度以提高加工质量，并且为了减少磨粒的损失，该设备装有安置在床身（1）上的用来产生定向气体介质流的部件，这种定向气流可以抵消在加工过程中从刀具传来的悬浮液的超声流。

13、根据权利要求6所述的设备，其特征在于，为了提高刀具与工件接触时的加工效率，刀具座的工件端制作成空腔，而刀座的侧表面敷有耐磨层，耐磨层的耐磨度比刀具材料的耐磨度高出0.5～3倍。

14、根据权利要求13所述的设备，其特征在于，将刀具端头的空腔制作成圆锥形，圆锥的底部直径和高度由下列关系式确定：

0.85

-δa，

而耐磨层的厚度为

0.5a＜h＜0.7a+0.5A，

式中a-磨粒的尺寸，微米，

A-振幅，微米，

-刀具工作部分的直径，毫米，

δ-系数，为5～12。

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