多维旋转超声展成加工机构及其加工方法技术

多维旋转超声展成加工机构及其加工方法，采用轴向旋转超声与双径向超声耦合作用，激励进行零件空间型面展成加工。多维超声振动及轴向旋转运动可显著增强超声冲击、抛磨、空化等效应，加速硬脆材料超声去除效率、磨料工作液的循环更新及加工产物的及时排除；通过在线检测超声振动参数、工具与工件间的间隙、温度等参数，利用计算机运算处理及控制，对多维超声振动振幅、加工间隙等关键参数进行实时调节、控制多轴联动进给量，保持展成进给加工中超声系统合理振幅及加工间隙。可显著提高硬脆性材料的加工效率，改善加工精度。本发明专利技术机构新颖独特，可有效实现多维旋转超声振动及多轴联动进给运动，本加工方法是以柔克刚、展成运动柔性加工成形，具有多维超声加工及多轴联动数控技术优势，能有效解决各种硬脆材料异形曲面零部件的加工难题。

Multi dimensional rotary ultrasonic machining mechanism and its processing method

The multi axis rotary ultrasonic machining mechanism and its processing method are carried out by means of the coupling of axial rotary ultrasonic and double radial ultrasonic. Multi dimensional ultrasonic vibration and axial motion can be significantly enhanced, ultrasonic impact grinding, cavitation effect, accelerate the timely elimination of hard brittle materials in ultrasonic cycle update removal efficiency, working fluid and abrasive processing products; through the parameter detection of the tool and the workpiece, the gap between the ultrasonic vibration parameters and temperature, the use of computer processing and control, the key parameters of the ultrasonic vibration amplitude, multi working gap control multi axis feed regulation and real-time, keep generating ultrasonic system feed processing reasonable amplitude and machining gap. It can significantly improve the machining efficiency of hard brittle materials and improve the machining accuracy. The mechanism of the invention is novel and unique, can realize multi rotary ultrasonic vibration and multi axis motion effectively, the processing method is Killing with Kindness, generating motion of flexible machining, ultrasonic machining has multi-dimensional and multi axis CNC technology, can effectively solve the problem of machining hard brittle materials of various special-shaped curved surface parts.

【技术实现步骤摘要】
多维旋转超声展成加工机构及其加工方法
本专利技术属于复合精密、微细特种加工
，特别涉及一种旋转超声展成加工、多维超声加工及硬脆性材料空间曲面加工技术，具体是一种多维旋转超声展成加工机构及其加工方法。
技术介绍
目前，硬脆性材料零件在机械制造领域内应用越来越广泛，但传统机械加工方法难以实现高精、高效加工，特别是硬脆性材料的空间异形曲面的加工更加困难，所以实现这类难加工材料、复杂型面零件高精、高效、低成本加工已成为当前制造业面临的重要研究课题。超声加工是通过悬浮磨粒的锤击、蚀除和磨料悬浮液的空化作用来进行工件型面加工的，常应用于硬脆性材料的加工，具有加工效率高、表面质量好的技术优点。但传统一维超声加工，其超声振动仅沿加工深度方向，只适合拷贝式成形加工，复杂型面的超声加工工具制造困难，且工具头磨损较快，影响加工精度和效率。超声工具在轴向超声振动的同时附加旋转运动，可有效增强加工区域的超声作用（锤击、空化等）效果，减小超声工具的损耗；设计研制X、Y径向超声振动系统，通过X、Y超声振动耦合作用，使工件在超声工具径向产生辅助二维超声振动，共产生三维旋转加工效果；计算机数字控制系统使超声工具相对工件实现三维超声加工，这种方法利用简单工具可实现复杂型面的展成加工，同时利用控制系统对在线加工参数的测量与控制，保持加工过程稳定优化，实现硬脆性材料异形曲面高精、高效、低成本加工。本技术方法还可利用附加超声振动的金刚石刀具（或铣刀工具）作为超声工具，在加工区注入冷却液，对工件进行超声辅助多轴联动展成加工。
技术实现思路
本专利技术针对单一超声加工技术存在的局限性，提出一种多维旋转超声展成加工机构及其加工方法，由轴向旋转超声与双径向超声耦合作用，激励、辅助数控多轴联动展成加工，通过在线参数实时检测、优化，实现三维旋转超声辅助展成加工，可进行各种硬脆性材料、异形面的柔性、高精加工。本专利技术的技术方案是:多维旋转超声展成加工机构，其特征是，包括机构底座，机构底座上设有Y向进给机构，Y向进给机构上设有X向进给机构，X向进给机构上设有Z向进给机构，Z向进给机构的上方设有绕Z轴旋转的旋转进给机构C，旋转进给机构C的上方固定设有圆形底板，圆形底板上设有球形关节、X径向超声振动装置、Y径向超声振动装置、绕Y轴旋转的旋转进给机构B；所述球形关节位于圆形底板中部，球形关节顶部设有工作台底座；X、Y径向超声振动装置分别横向、纵向设置在圆形底板上，且两装置夹角为90°，旋转进给机构B位于其中一个径向超声振动装置的一侧，并通过转轴与工作台底座相连；所述工作台底座上方连接有工作台，工作台中心放置待加工的工件，工作台上方设有轴向旋转超声振动装置，轴向旋转超声振动装置下端连接工具头。进一步地，所述机构一侧还设有控制装置，包括提供超声振动的超声电源、用于接收信号及控制机构运作的数字存储示波器、控制计算机、超声波发生器和检测工件移动位置的激光微位移传感器，激光微位移传感器分别与工具头、工件相连，用于检测超声振动参数、工具与工件间的间隙、温度参数。进一步地，X向进给机构、Y向进给机构、Z向进给机构、旋转进给机构B、旋转进给机构C构成的多轴传动机构还与激光微位移传感器连接，用于监测工件空间转动的实时位置，合理控制工件的进给方向和进给速度；在加工时多轴联动进给可不同时使用，例如五轴联动进给可实现任意直纹曲面的加工，X、Y、Z与C（或B）向四轴联动进给可实现平行直纹面的加工，二轴（或三轴）联动进给可实现柱形面的加工，单轴进给可实现拷贝式型面加工或孔加工。进一步地，所述超声波发生器为频率自动跟踪式发生器。进一步地，所述圆形底板顶部两侧分别设有安装耳，两安装耳对应位置分别设有开口向下的圆弧槽，所述转轴中部连接工作台底座，两端分别置于相应的圆弧槽内，且其中一端与旋转进给机构B相连（转轴在旋转进给机构B的带动下，顺着圆弧槽运动，即圆弧槽为转轴的运动轨迹）。本专利技术的加工机构能实现工具与工件间三维旋转超声振动，辅助、激励实现多轴联动展成加工，满足难加工材料、异形面的加工要求，多轴联动展成进给成形方法，简化了工具制作工艺，提高了加工过程的柔性；加工机理是超声辅助与多轴联动进给机构的复合，加工难度与材料硬度无直接关系，具有以柔克刚，特别适用于硬脆性金属材料加工的特点。本技术方法不仅可采用带有超声振动的悬浮磨料对工件进行冲击、抛磨、空化等实现硬脆材料复杂曲面的柔性加工；另一方面本专利技术方法还可选用附加多维旋转超声振动的金刚石刀具（或铣刀工具）作为超声工具，在加工区注入冷却液，对工件进行超声辅助多轴联动展成加工。多维旋转超声展成加工机构的加工方法，其特征是，首先将工件置于工作台上，启动超声电源，利用控制计算机、激光微位移传感器控制多轴传动机构（X向进给机构、Y向进给机构、Z向进给机构、旋转进给机构B、旋转进给机构C构成多轴传动机构）进行调节；启动轴向旋转超声振动装置、超声波发生器，同时注入超声磨料，在加工过程中根据计算机中的参数显示，来控制传动机构的进给，改变工件的空间位置。在加工过程中，控制计算机根据激光微位移传感器的参数可测出工件与工具头、X或Y径向超声振动工具头之间的间隙和温度参数，反馈到计算机控制系统中，实时进行振动幅值调节，循环往复加工至加工要求的型面精度。本专利技术在空间具有三个方向的超声振动，分别为轴向的旋转超声振动，双径向超声振动，其中轴向的旋转超声振动通过工具头传导进行加工，双径向的超声振动，通过球形关节传导超声振动到工件；工件与工具的距离可通过多轴联动机构来实现。这些进给机构中都设有伺服电机、伺服驱动器与滚珠丝杠导轨，可实现联动微细进给。在加工过程中，工件置于工作台的上方，Z向旋转超声振动装置置于工件的上方。在超声磨粒加工时，既可选用粒度W10的碳化硼（B4C）磨料悬浮液，又可以选用金刚石刀具（或铣刀工具）作为超声工具，在加工区注入冷却液，对工件进行超声辅助多轴联动展成加工。轴向旋转超声振动有利于工作液循环更新、加工产物排除，并对加工面有抛光整形作用。双径向超声振动装置通过耦合调制，可得到随动的、跟随展成加工面法向变化的二维超声振动，并形成工具与工件间的加工侧面间隙。计算机通过实时控制各伺服驱动器，驱动各伺服电机，实现工作台的空间转动；把激光微位移传感器与工具头和工件相连，可实时监测反馈超声振动参数、加工工件与工具间的间隙和温度等参数，控制工件精确的定位进给移动，实现空间曲面的展成式加工。本专利技术采用轴向旋转超声与双径向超声耦合作用，激励进行零件空间型面展成加工。多维超声振动及轴向旋转运动可显著增强超声冲击、抛磨、空化等效应，加速硬脆材料超声去除效率、磨料工作液的循环更新及加工产物的及时排除；通过在线检测超声振动参数、工具与工件间的间隙、温度等参数，利用计算机运算处理及控制，对多维超声振动振幅、加工间隙等关键参数进行实时调节、控制多轴联动进给量，保持展成进给加工中超声系统合理振幅及加工间隙。可显著提高硬脆性材料的加工效率，改善加工精度。本专利技术机构新颖独特，可有效实现多维旋转超声振动及多轴联动进给运动，本加工方法是以柔克刚、展成运动柔性加工成形，具有多维超声加工及多轴联动数控技术优势，能有效解决各种硬脆材料异形曲面零部件的加工难题。本专利技术的有益效果为:本专利技术提供了多维旋转本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多维旋转超声展成加工机构，其特征是，包括机构底座（19），机构底座上设有Y向进给机构（18），Y向进给机构上设有X向进给机构（17），X向进给机构上设有Z向进给机构（16），Z向进给机构的上方设有绕Z轴旋转的旋转进给机构C（15），旋转进给机构C的上方固定设有圆形底板（13），圆形底板上设有球形关节（12）、X径向超声振动装置（10）、Y径向超声振动装置（10）、绕Y轴旋转的旋转进给机构B（14）；所述球形关节位于圆形底板中部，球形关节顶部设有工作台底座（11）；X、Y径向超声振动装置分别横向、纵向设置在圆形底板上，且两装置夹角为90°，旋转进给机构B位于其中一个径向超声振动装置的一侧，并通过转轴（20）与工作台底座相连；所述工作台底座上方连接有工作台（9），工作台中心放置待加工的工件（8），工作台上方设有轴向旋转超声振动装置（6），轴向旋转超声振动装置下端连接工具头（7）。

【技术特征摘要】
1.一种多维旋转超声展成加工机构，其特征是，包括机构底座（19），机构底座上设有Y向进给机构（18），Y向进给机构上设有X向进给机构（17），X向进给机构上设有Z向进给机构（16），Z向进给机构的上方设有绕Z轴旋转的旋转进给机构C（15），旋转进给机构C的上方固定设有圆形底板（13），圆形底板上设有球形关节（12）、X径向超声振动装置（10）、Y径向超声振动装置（10）、绕Y轴旋转的旋转进给机构B（14）；所述球形关节位于圆形底板中部，球形关节顶部设有工作台底座（11）；X、Y径向超声振动装置分别横向、纵向设置在圆形底板上，且两装置夹角为90°，旋转进给机构B位于其中一个径向超声振动装置的一侧，并通过转轴（20）与工作台底座相连；所述工作台底座上方连接有工作台（9），工作台中心放置待加工的工件（8），工作台上方设有轴向旋转超声振动装置（6），轴向旋转超声振动装置下端连接工具头（7）。2.根据权利要求1所述的多维旋转超声展成加工机构，其特征是，所述机构一侧还设有控制装置，包括提供超声振动的超声电源（1）、用于接收信号及控制机构运作的数字存储示波器（3）、控制计算机（2）、超声波发生器（4）和检测工件移动位置的激光微位移传感器（5），激光微位移传感器分别与工具头、工件相连，用于检测超声振动参数、工具与工件...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱永伟，孙继欣，张宇，杨庭飞，赵青青，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32