CN110681877B - 一种并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置 - Google Patents

Abstract

一种并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置，包括基座、超声波激励装置、柔性铰链组件，所述基座上表面一端通过螺栓固定安装有肋板Ⅰ，肋板Ⅰ竖直部分通过螺栓与立板一端相连，立板另一端通过螺栓与两个肋板Ⅱ相连，两个肋板Ⅱ的水平部分通过螺栓与承重板相连，所述超声波激励装置通过夹紧套及螺栓固定安装在承重板上，所述超声波激励装置与柔性铰链组件相连；在超声波高频振动激励下，带动车刀在水平面内发生旋转的同时，在竖直平面内沿超声变幅杆方向也产生一定的位移，从而以单激励形式代替三激励形式将超声波激励装置产生的一维超声振动转化为三维曲面型的复合超声振动，进行超声辅助车削加工。

Description

一种并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置

技术领域

本发明属于复合超声振动切削加工技术领域，特别是涉及一种并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置。

技术背景

在近几年，诸如高温合金、复合材料等一系列难加工材料由于其特有的优势被广泛应用于生产和生活中。另外，航空航天以及军工等产业对精密零件的加工质量要求也日益提高，传统的机械加工方式已经远远不能满足要求。针对这种问题，许多学者和专家也提出了多种特种加工技术，超声加工技术就是其中一种常用的特种加工技术。

超声加工是工件受到微观局部的撞击而进行的加工，所以硬度越大的材料越适合超声加工，其能很好地解决难加工材料、非金属材料的零件加工问题，加工范围广。加工过程中，工具与工件不需要做复杂的相对运动，可加工各种复杂的型面和型腔，故超声加工设备结构相对比较简单，维修、操作较方便。另外，去除加工材料是利用极微小的磨粒瞬时局部的撞击，所以工件表面产生的切削力小，切削应力、切削热很低，不会引起形变，工件精度高，刀具耐用度高，生产率很高，可用于表面质量要求高的零件加工。

超声辅助车削加工是超声加工的一种，超声辅助车削加工相对于普通车削具有降低切削力和切削热、提高加工效率等优点，还可以提高工件的表面质量和尺寸精度。现有的超声辅助车削装置主要用于一维、二维椭圆超声振动车削，而三维曲面超声振动辅助车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。

普通车削无法达到要求精度，无法对难加工材料进行切削。现有的同类型多维超声车削方案结构复杂，不便控制，难以满足实用要求。需要发明一种更为合理实用的方案来解决这些问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置，该装置将超声波激励装置与并联与螺旋槽组合式按压旋扭装置组合，利用并联支链与螺旋槽在受压时发生形变的特点，使车刀在水平面内发生旋转的同时，在竖直平面内沿超声变幅杆方向也产生一定的位移，从而将超声波激励装置产生的一维超声振动转化为三维曲面型的复合超声振动，进行超声辅助车削加工。该装置以单激励形式代替三激励形式来实现对三维曲面进行超声辅助车削加工，因此该装置机构简单精巧，易于制造装配，操作方便，便于提高超声振动辅助车削加工精度，且易于实现模块化生产。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置，包括基座、超声波激励装置、立板、柔性铰链组件，所述基座上表面一端通过螺栓固定安装有肋板Ⅰ，肋板Ⅰ为两个，肋板Ⅰ竖直部分通过螺栓与立板一端相连，立板另一端通过螺栓与两个肋板Ⅱ相连，两个肋板Ⅱ的水平部分通过螺栓与承重板相连，所述超声波激励装置通过夹紧套及螺栓固定安装在承重板上，所述超声波激励装置与柔性铰链组件相连。

所述柔性铰链组件包括上盖板、扭转圆筒及柔性铰链，所述上盖板通过螺栓与扭转圆筒的一端相连，扭转圆筒另一端端面沿周向均匀设置有柔性铰链。

所述柔性铰链为四组，每组由上铰链和下铰链组成，上铰链和下铰链通过内六角螺钉和螺母固定安装，所述上铰链与下铰链结构相同，均由倾斜板、水平板Ⅰ、水平板Ⅱ及螺栓孔组成，所述倾斜板一端与水平板Ⅰ一体铣削成型，另一端与水平板Ⅱ一体铣削成型，在水平板Ⅰ的对角线方向、在水平板Ⅱ的长度方向均加工有两个螺栓孔。

所述扭转圆筒包括上法兰板、下法兰板和圆筒组成，扭转圆筒通过上法兰板、螺栓与上盖板相连，所述圆筒沿轴向加工有螺旋槽，且螺旋槽的轴线与圆筒轴线共线设置，所述上法兰板与圆筒一端一体铸造成型，圆筒另一端与下法兰板一体铸造成型；在所述下法兰板的外圆面一体成型有连接凸柄，所述连接凸柄与刀架之间用两组螺栓连接固定。

所述上盖板沿周向加工有螺纹孔和扇形孔，且扇形孔较螺纹孔靠近中心设置，在上盖板的中心加工有与连接头配合的通孔。

所述超声波激励装置包括超声波发生器、超声换能器、变幅杆及连接头，所述超声波发生器与超声换能器一端相连，超声换能器另一端与变幅杆一端相连，变幅杆另一端与连接头相连，在连接头上安装有定位夹紧螺母，定位夹紧螺母的螺母个数为两个。

一种并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置的使用方法，采用一种并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置，包括以下步骤：

步骤1，将并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置通过基座上，且位于立板两端的两个光孔安装于对应型号车床的刀塔上，启动超声波发生器，超声波发生器产生超声频率的电振荡信号传递给超声换能器，超声换能器将电信号转化为机械振动，通过变幅杆对振幅进行放大，从而将一维超声振动传递到连接头上；

步骤2，连接头带动上盖板进行一维超声振动，而连接在上盖板下端的扭转圆筒的圆筒将一维超声振动转化为三维曲面型的超声振动，同时连接在扭转圆筒下端的柔性铰链组件同样作三维曲面的超声振动；

步骤3，由于刀架安装在扭转圆筒底部的连接凸柄上，则刀架与车刀会随着扭转圆筒共同做三维曲面型的超声振动，使车刀在切削时形成三维曲面的运动轨迹，进而实现了并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削加工。

本发明的有益效果为：

1、本发明实现了超声辅助车削由一维超声振动向三维的转换，利用并联支链与螺旋槽在受压时发生形变的特点，当受到超声波高频振动激励时，在竖直方向产生形变，并在水平面上也发生扭转，进一步带动车刀在竖直方向沿超声变幅杆方向产生一定的上下振动的同时，在水平面内也发生弧形旋转运动，即通过并联与螺旋槽组合式按压旋扭装置将由超声波激励装置产生的一维超声振动转化为三维曲面型的超声振动，进而实现只需单激励便可实现车刀的三维曲面运动，进行超声辅助车削加工；主动调节超声波激励装置的振幅与振动频率，以及所述并联支链的长度、厚度等尺寸要素，可以实现车刀三维曲面运动的不同轨迹变化，以适应不同的加工条件和加工要求。

2、相比于现有的部分三维曲面超声辅助车削加工装置，本发明在保证加工效果相同的情况下，具有结构简单，操作方便，易于制造装配，易形成模块化等优点，是未来三维曲面超声辅助车削加工的发展趋势。

3、由于本发明结构简单，且部件不多，因此在制造、安装、装配等过程中的工艺要求相比于现有同功能装置会由繁至简，不仅提高了加工效率，且在保证关键部件形位精度和尺寸精度的前提下可以有效减少在这些过程中误差的产生与累积，从而在预加工方面提高了车削加工精度。

附图说明

图1为本发明的并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置的结构三维示意图；

图2为本发明并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置装配结构爆炸图；

图3为本发明的并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置的并联与螺旋槽组合式按压旋扭装置结构三维示意图；

图4为本发明的并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置的超声波激励装置结构三维示意图；

图5为并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置的扭转圆筒零件示意图；

图6为并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置的柔性铰链组件装配零件爆炸图；

1-超声换能器，2-变幅杆，3-连接头，4-夹紧套，5-承重板，6-肋板Ⅰ，7-立板，8-肋板Ⅱ，9-基座，10-定位夹紧螺母，11-上盖板，12-扭转圆筒，13-刀架，14-车刀，15-上铰链，16-下铰链，17-上法兰板，18-下法兰板，19-圆筒，20-倾斜板，21-水平板Ⅰ，22-水平板Ⅱ，23-螺旋槽，24-内六角螺钉，25-螺母，26-连接凸柄。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图3所示，一种并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置，包括基座9、超声波激励装置、立板7、柔性铰链组件，所述基座9上表面一端通过螺栓固定安装有肋板Ⅰ6，肋板Ⅰ6为两个，肋板Ⅰ6竖直部分通过螺栓与立板7一端相连，立板7另一端通过螺栓与两个肋板Ⅱ8相连，肋板Ⅰ6和肋板Ⅱ8不仅是支撑结构，而且提高了结构的强度，两个肋板Ⅱ8的水平部分通过螺栓与承重板5相连，所述超声波激励装置通过形状为Ω形的两个夹紧套4及四个螺栓配合固定安装在承重板5上，所述超声波激励装置与柔性铰链组件相连，从而实现对整个超声波激励装置的固定连接，肋板Ⅰ6与立板7、立板7与肋板Ⅱ8、肋板Ⅱ8与基座9之间的夹角均为90度，不仅方便装配及检验，而且具有较高的刚度、强度以充分发挥支撑作用，所述基座9、立板7、肋板Ⅰ6、肋板Ⅱ8及承重板5组成固定架，所述固定架沿长度方向采用对称设计，便于整个装置稳固的安装在车床上使用。

如图6所示，所述柔性铰链组件包括上盖板11、扭转圆筒12及柔性铰链，所述上盖板11通过四个螺栓与扭转圆筒12的一端相连，扭转圆筒12另一端端面沿周向均匀设置有柔性铰链，每组柔性铰链通过两个螺栓安装在扭转圆筒12上。

所述柔性铰链为四组，每组由上铰链15和下铰链16组成，上铰链15和下铰链16通过两个内六角螺钉24和两个螺母25固定安装，所述上铰链15与下铰链16结构相同且为“Z”字形状结构，均由倾斜板20、水平板Ⅰ21、水平板Ⅱ22及螺栓孔组成，所述倾斜板20一端与水平板Ⅰ21一体铣削成型，另一端与水平板Ⅱ22一体铣削成型，在水平板Ⅰ21的对角线方向、在水平板Ⅱ22的长度方向均加工有两个螺栓孔，柔性铰链的上铰链15通过螺栓与扭转圆筒12的下法兰板18相连，柔性铰链的下铰链16通过螺栓与基座9相连；所述柔性铰链的作用是在超声波激励装置的作用下产生三维纵扭超声振动，进而将这种超声振动传递给刀架13和车刀14以实现车刀14的三维曲面运动轨迹。

如图5所示，所述扭转圆筒12包括上法兰板17、下法兰板18和圆筒19组成，扭转圆筒12通过上法兰板17、四个螺栓与上盖板11相连，所述圆筒19沿轴向加工有螺旋槽23，且螺旋槽23的轴线与圆筒19轴线共线设置，本实施例中圆筒19上的螺旋槽23的旋向为左旋式，所述上法兰板17与圆筒19一端一体铸造成型，圆筒19另一端与下法兰板18一体铸造成型，圆筒19的设置一是将超声波激励装置产生的一维超声振动转化成三维曲面型的超声振动，即扭转圆筒12的圆筒受到纵向超声振动产生的纵向力而产生形变，使得圆筒19压缩后产生垂直于纵向力方向平面内的切向力，二是减轻圆筒19的质量；在所述下法兰板18的外圆面一体成型有连接凸柄26，以用于承载刀架13，所述连接凸柄26与刀架13之间用两组螺栓连接固定，以限制刀架13与扭转圆筒12的相对移动与转动，保证加工刚度。

所述上盖板11沿周向加工有螺纹孔和扇形孔，且扇形孔较螺纹孔靠近中心设置，扇形孔的设置用于减轻上盖板11的质量，进而减小超声波激励装置的负载，螺纹孔用于固定上盖板11与扭转圆筒12之间的相对位置，从而将超声振动传递至扭转圆筒12，在上盖板11的中心加工有与连接头3配合的通孔，以用于固定与所述超声波激励装置连接头3之间的相对位置。

如图4所示，所述超声波激励装置包括超声波发生器、超声换能器1、变幅杆2及连接头3，所述超声波发生器与超声换能器1一端相连，本实施例中的超声换能器1为压电陶瓷换能器，超声换能器1另一端与变幅杆2一端相连，变幅杆2另一端通过螺纹连接有连接头3，在连接头3上安装有定位夹紧螺母10，定位夹紧螺母10的螺母个数为两个，超声波激励装置通过连接头3及两个夹紧螺母与上盖板11连接，从而将超声振动传递到上盖板11、扭转圆筒12、柔性铰链组件及基座9组成的并联与螺旋槽组合式按压旋扭装置及刀架13与车刀14上；所述超声波激励装置通过变幅杆2最大直径处端面与承重板5上表面接触定位，并且定位部分上表面利用夹紧套4接触夹紧实现对整个超声波激励装置的轴向位置固定，而其径向固定是利用超声波激励装置变幅杆2的定位轴径与承重板5孔径的间隙配合，变幅杆2定位轴颈即位于变幅杆2最大直径处下部分的轴颈，此种配合既不影响超声振动的传递，又能限制超声振动装置的径向偏移。

一种并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置的使用方法，采用一种并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置，包括以下步骤：

步骤1，将本发明装置通过基座9固定安装于机床的刀塔上，通过调整刀塔安装角度调整本发明装置角度，通过增加或减少垫片的方式调整刀具高度，使其满足加工要求；

步骤2，接通机床电源，机床主轴带动轴类工件高速旋转处于待切削状态，同时启动超声波发生器，超声波发生器的输出功率为20KHz，超声波发生器将220V、50Hz的交流电转化成超声频率的电振荡信号，以提供振动切削加工中的振动能量，并传递给超声换能器1，超声换能器1将电信号转化为机械振动，通过变幅杆2对振幅进行放大，放大的振幅被传递到与变幅杆2螺纹连接的连接头3上，再传递到与连接头3通过定位夹紧螺母连接的上盖板11上；

步骤3，连接头3带动上盖板11进行一维超声振动，而连接在上盖板11下端的扭转圆筒12的圆筒将一维超声振动转化为三维曲面型的超声振动，同时连接在扭转圆筒12下端的柔性铰链组件同样作三维曲面的超声振动，柔性铰链在纵向力与切向力共同作用下也发生形变同时又可以避免扭转圆筒12直接与基座9相连而使基座9吸收已经产生的三维曲面超声振动；

步骤4，由于刀架13安装在扭转圆筒12底部的连接凸柄26上，则刀架13与车刀14会随着扭转圆筒12共同做三维曲面型的超声振动，在一个激振里周期内车刀14刀尖既完成了平面内一个完整弧形的运动，又完成了一维超声辅助车削加工的上下振动，使车刀14在切削时形成三维曲面的运动轨迹，进而实现了并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削加工。

Claims (5)

1.一种并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置，其特征在于，包括基座、超声波激励装置、立板、柔性铰链组件，所述基座上表面一端通过螺栓固定安装有肋板Ⅰ，肋板Ⅰ为两个，肋板Ⅰ竖直部分通过螺栓与立板一端相连，立板另一端通过螺栓与两个肋板Ⅱ相连，两个肋板Ⅱ的水平部分通过螺栓与承重板相连，所述超声波激励装置通过夹紧套及螺栓固定安装在承重板上，所述超声波激励装置与柔性铰链组件相连；

所述柔性铰链组件包括上盖板、扭转圆筒及柔性铰链，所述上盖板通过螺栓与扭转圆筒的一端相连，扭转圆筒另一端端面沿周向均匀设置有柔性铰链；

所述超声波激励装置包括超声波发生器、超声换能器、变幅杆及连接头，所述超声波发生器与超声换能器一端相连，超声换能器另一端与变幅杆一端相连，变幅杆另一端与连接头相连，在连接头上安装有定位夹紧螺母，定位夹紧螺母的螺母个数为两个。

2.根据权利要求1所述的一种并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置，其特征在于：所述柔性铰链为四组，每组由上铰链和下铰链组成，上铰链和下铰链通过内六角螺钉和螺母固定安装，所述上铰链与下铰链结构相同，均由倾斜板、水平板Ⅰ、水平板Ⅱ及螺栓孔组成，所述倾斜板一端与水平板Ⅰ一体铣削成型，另一端与水平板Ⅱ一体铣削成型，在水平板Ⅰ的对角线方向、在水平板Ⅱ的长度方向均加工有两个螺栓孔。

3.根据权利要求1所述的一种并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置，其特征在于：所述扭转圆筒包括上法兰板、下法兰板和圆筒组成，扭转圆筒通过上法兰板、螺栓与上盖板相连，所述圆筒沿轴向加工有螺旋槽，且螺旋槽的轴线与圆筒轴线共线设置，所述上法兰板与圆筒一端一体铸造成型，圆筒另一端与下法兰板一体铸造成型；在所述下法兰板的外圆面一体成型有连接凸柄，所述连接凸柄与刀架之间用两组螺栓连接固定。

4.根据权利要求1所述的一种并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置，其特征在于：所述上盖板沿周向加工有螺纹孔和扇形孔，且扇形孔较螺纹孔靠近中心设置，在上盖板的中心加工有与连接头配合的通孔。

5.一种并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置的使用方法，采用权利要求1所述的一种并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削装置通过基座上，且位于立板两端的两个光孔安装于对应型号车床的刀塔上，启动超声波发生器，超声波发生器产生超声频率的电振荡信号传递给超声换能器，超声换能器将电信号转化为机械振动，通过变幅杆对振幅进行放大，从而将一维超声振动传递到连接头上；

步骤2，连接头带动上盖板进行一维超声振动，而连接在上盖板下端的扭转圆筒的圆筒将一维超声振动转化为三维曲面型的超声振动，同时连接在扭转圆筒下端的柔性铰链组件同样作三维曲面的超声振动；

步骤3，由于刀架安装在扭转圆筒底部的连接凸柄上，则刀架与车刀会随着扭转圆筒共同做三维曲面型的超声振动，使车刀在切削时形成三维曲面的运动轨迹，进而实现了并联与螺旋槽组合式单激励三维曲面超声辅助车削加工。

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