專利名稱：一種高頻超聲橢圓振動切削裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用于精密加工領域的金屬切削加工裝置，尤其是指一種能產生 高頻超聲橢圓振動的切削裝置。
背景技術：
超聲振動切削是將一超聲振動附加于刀具上，使原本連續的切削過程變成斷續 的、間斷的，具有特殊切削效果的切削方式，是日本學者率先提出來的。超聲振動切 削具有降低切削力和切削溫度、提高表面質量和形位精度的獨特優點。但是，在常規 超聲振動(振動方向為直線運動)切削過程中，當刀具同工件分離時，由于后刀面會 撞擊已加工表面，產生摩擦，不伹會損傷已加工表面，而且是刀具承受拉應力，尤其 在精密加工中， 一般都選用刀尖非常鋒利的金剛石刀具、聚晶金剛石刀具等硬而脆的 刀具材料，這類材料可以承受很高的壓應力，伹是在拉應力的作用下刀具會很快破損 或崩刃，嚴重影響刀具壽命和加工質量，限制了超聲振動切削技術在精密及超精密加 工領域的應用。 發明 內 容
為了解決在切削過程刀具崩刃的問題，本發明提出一種在高頻100Wfe 20(U他下的超聲橢圓振動切削裝置。該切削裝置工作在10(U歷 20(U他的較高 振動頻率，提高了刀具振動切屑臨界振速，使加工效率得到明顯提髙；應用相互垂直 的兩個高頻振動之間的相位差，在刀具刀尖處合成一個橢圓振動，有效降低加工表面 粗糙度；釆用變幅桿插接安裝在振動體上，易于裝卡，可以促進超聲橢圓振動切削的 實用化。
本發明的一種高頻超聲橢圓振動切削裝置是結合杠桿和朗之萬換能器進行的結 構設計。該切削裝置由超聲振動單元和殼體單元組成，超聲振動單元置于殼體單元內； 所述売體單元由基座、A蓋板、B蓋板和上蓋板構成，超聲振動單元由變幅桿、振動 體、A激勵源、B激勵源、C激勵源構成。本發明的振動切削裝置通過設置在基座的 底板上的安裝孔與加工車床進行固定。
4A蓋板的一端安裝在基座的A支撐板的前側板面上，A蓋板的另一端安裝在基座 的B支撐板的前側板面上；B蓋板的一端安裝在基座的A支撐板的后側板面上，B 蓋板的另一端安裝在基座的B支撐板的后側板面上；上蓋板的一端安裝在基座的A 支撐板的上板面上，上蓋板的另一端安裝在基座的B支撐板的上板面上。
振動體安裝在底板上，變幅桿安裝在振動體的凹形槽中，C緊頂螺釘的一端順次 穿過底板上的一通孔、C激勵源的C通孔后螺紋連接在E螺紋孔上，即C激勵源放 置在振動體的下振動模塊與底板之間。
本發明高頻超聲橢圓振動切削裝置的優點在于
(1) 應用縱向振動(激勵源C)和彎曲振動(激勵源A和激勵源B)相互垂直
的兩個高頻振動進行切削，兩個方向的合成可實現高頻率的橢圓振動切削，在保持超 聲2CU他橢圓振動切削的優勢前提下，振動頻率(100A論 20(U歷)的大幅度增
加，進一步提高了切屑臨界振速，因此可大大提高工作效率，特別適合精密和超精密 切削加工的應用。
(2) 本發明中激勵源、振動體和變幅桿的裝配，可顯著提高刀具壽命和加工表 面質量；利用金剛石刀具可實現普通切削無法完成的微細切削、仿形表面及特殊表面 的制造等，如應用于生物仿形表面的制造。
(3) 由于為高頻超聲橢圓振動進行的切削，其有效切削時間短，明顯降低了切 削溫度，因此利用金剛石刀具切削單晶硅等半導體材料，可顯著提高塑性切削深度， 延長刀具使用壽命，在某些場合還可利用普通金剛石刀具來代替昂貴的天然金剛石刀 具來進行切削加工，節省加工成本。
(4) 高頻超聲橢圓振動切削裝置的換刀方便，對現有精密或超精密加工車床進 行振動切削改造特別容易，可利用現有的刀具，不需要特別地設計刀具，且裝卡、拆 卸方便。
圖1是本發明高頻超聲橢圓振動切削裝置的外部結構圖。 圖1A是圖1的背部結構圖。
圖1B是未裝配上蓋板、A蓋板和B蓋板的本發明高頻超聲橢圓振動切削裝置的
結構圖。
圖2是本發明橢圓振動單元的結構圖。 圖2A是本發明橢圓振動單元的分解圖。
5圖中l.基座IOI.A支撐板lOla.前側板面101b.后側板面
101c.上板面101d.右板面102.B支撐板102a.前側板面102b.后側板面
102c.上板面102d.方孔103.底板103a.安裝孔2.A蓋板
3.B蓋板3a.通孔3b.A螺紋孔4.上蓋板4a-A光孔
4b.B光孔5.變幅桿6.振動體6a.前板面6b.上振動模塊
6c.下振動模塊6d.左端上板面6e.左端上板面6f.右板面61.C螺紋孔
62.D螺紋孔63.十字孔64.橢圓形通孔65.凹形槽66.丁字形孔
67.E螺紋孔7.A激勵源7a.A通孔8.B激勵源8a.B通孔
9.激勵源9a.C通孔IO.A頂緊螺釘ll.B頂緊螺釘12.C頂緊螺釘
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。 本發明的一種高頻超聲橢圓振動切削裝置是結合杠桿和朗之萬換能器進行的結
構設計。參見圖l、圖1A、圖1B和圖2所示，該切削裝置由超聲振動單元和殼體單元 組成，超聲振動單元置于殼體單元內；所述殼體單元由基座l、 A蓋板2、 B蓋板3和 上蓋板4構成，超聲振動單元由變幅桿5、振動體6、 A激勵源7、 B激勵源8、 C激勵 源9構成。本發明的振動切削裝置通過設置在基座l的底板103上的安裝孔103a與加 工車床進行固定。
參見圖1B所示，基座l為"凹"形形狀；A蓋板2的一端安裝在基座1的A支撐板 101的前側板面101 a上，A蓋板2的另 一端安裝在基座1的B支撐板102的前側板面 102a上。
B蓋板3的一端安裝在基座l的A支撐板101的后側板面101b上，B蓋板3的另一 端安裝在基座1的B支撐板102的后側板面102b上。
上蓋板4的一端安裝在基座1的A支撐板101的上板面101 c上，上蓋板4的另 一端 安裝在基座1的B支撐板102的上板面102c上。
參見圖1A所示，B蓋板3上設有B通孔3a，該B通孔3a的四周設有A螺紋孔3b， 本發明超聲振動單元散熱用的風扇放置在B通孔3a處，且通過B通孔3a四周的A螺紋 孔3b實現將風扇安裝在B蓋板3上。
參見圖l、圖1A所示，上蓋板4上設有A光孔4a、 B光孔4b， A光孔4a用于A頂緊 螺釘10通過，B光孔4b用于B頂緊螺釘ll通過。
6參見圖1B，基座1上設有A支撐板101、 B支撐板102和底板103，底板103上設 有用于固定本發明裝置在相應切削車床上的安裝孔103a。振動體6安裝在底板103 上，C緊頂螺釘12的一端順次穿過底板103上的一通孔、C激勵源9的C通孔9a后螺 紋連接在E螺紋孔67上，即C激勵源9放置在振動體6的下振動模塊6c與底板103之間。
B支撐板102的上設有方孔102d，該方孔102d用于變幅桿5穿過，變幅桿5的伸 出端(即穿過方孔102d端)上安裝有刀具。變幅桿5在A激勵源7和B激勵源8提供的 彎曲振動與C激勵源9提供的縱向振動相互垂直的作用下，變幅桿5的伸出端形成橢圓
加工軌跡，進而帶動刀具作橢圓運動。
A支撐板101的右板面101d上粘接有A激勵源7、 B激勵源8， A激勵源7的另一端 和B激勵源8的另一端分別粘接在振動體6的左端上板面6d和左端下板面6e上。
參見圖2、圖2A所示，超聲振動單元由變幅桿5、振動體6、 A激勵源7、 B激勵 源8、 C激勵源9構成，A激勵源7、 B激勵源8和C激勵源9的結構是相同的，從商家購
入。該激勵源是由壓電陶瓷片與銅片電極釆用間距方式裝配形成。在本發明中，激勵 源能夠提供給變幅桿5的功率為5 IOW。
振動體6為中部帶有凹形槽的"T"形形狀，振動體6上設有供安裝變幅桿5的凹 形槽65，凹形槽65是沿水平中心線開設的，該凹形槽65將振動體6分隔為上振動模 塊6b和下振動模塊6c;上振動模塊6b上設有C螺紋孔61、 D螺紋孔62、十字孔63; C螺紋孔61用于A頂緊螺釘10通過，且A頂緊螺釘10的端部頂緊變幅桿5; D螺紋孔 62用于B頂緊螺釘11通過，且B頂緊螺釘11的端部頂緊變幅桿5。下振動模塊6c上設 有丁字形孔66、 E螺紋孔67， E螺紋孔67用于C頂緊螺釘12通過。振動體6的前板面 6a上開有橢圓形通孔64。
在本發明中，十字孔63、 丁字形孔66和橢圓形通孔64的設計一方面用于減輕振 動體6的重量，另一方面在有激勵源提供的驅動力條件下，便于分散振動體6在水平 方向和縱向上的力，使得變幅桿5帶動刀具更有利于在橢圓軌跡上運動。
A激勵源7粘接在A支撐板101的右板面101d與振動體6的左端上板面6d之間，B 激勵源8粘接在A支撐板101的右板面101d與振動體6的左端下板面6e之間，且A激勵 源7與B激勵源8保持平行放置。振動體6的下振動模塊6c的底部設置有C激勵源9， C
7頂緊螺釘12的一端順次穿過C激勵源9的中心通孔、E螺紋孔67后與變幅桿5的底部 頂緊。變幅桿5設置在振動體6的凹形槽65內，變幅桿5的一端伸出方孔102d外，且 變幅桿5的傾斜端上安裝有切削用的刀具(如金剛石成形刀具)。
在本發明中，A激勵源7、 B激勵源8和C激勵源9選用型號PZT-8壓電陶瓷圓環片， 其外徑15mm，內徑6mm，厚度3mm。激勵源一般采用每兩片銅片之間采用環氧 樹脂粘接有壓電陶瓷環。相互垂直的兩個高頻振動(一個為縱向振動， 一個為彎曲振 動)使刀具刀尖處合成一個橢圓振動。工作頻率范圍為10C^/fe 200/b/fe，具體工 作頻率，視具體結構的尺寸決定，需兩路高頻超聲電源激勵。
本發明裝置適合在精密或超精密車床上安裝，對于特定的車床，僅需要提供能裝 卡本發明裝置的底座及相應對刀裝置即可。工作過程是首先針對特定車床對原有裝 刀結構進行改造，根據本發明裝置設計連接底座(只需一個供安裝的M8的螺孔)，將 本裝置用螺栓固定安裝到車床上。接下來，在本發明裝置上，安裝切削刀具(一般為 金剛石成形刀具)，進行對刀工作，調整到最終安裝位置。下一步，進行橢圓振動調 整工作，即打開超聲激勵電源，根據切削工藝的需要，調整工作頻率，使刀具處在最 好的振動狀態，其中，振動控制系統具有自動控制功能，可根據工藝要求方便設置， 實際工作過程中，用戶只需細微調整；最后，根據工藝要求，設定切削參數，如切削 速度、切深、進給量，即可開始進行精密和超精密切削加工。
本發明設計的一種能夠產生高頻超聲橢圓振動的切削裝置。它是一種由刀具刀 桿、刀具振動部分、壓電陶瓷圓片及電極片經環氧樹脂黏結后用螺栓連接而成，需用 雙路高頻超聲電源激勵的用于金屬切削的振動切削裝置。超聲橢圓振動切削加工，是 一種在普通切削刀具刀尖上附加一強迫的橢圓振動，產生特殊加工效果的金屬切削加 工方法。利用成形金剛石刀具，該裝置可方便應用于精密和超精密切削加工領域，能 有效降低切削力，從而獲得一系列普通切削所不具備的優點，如抑制顫振、抑制毛剌、 降低切削熱和切削溫度及提高加工精度等；變幅桿(刀桿)更換方便，易于實現通用 化、實用化、小型化。
權利要求
1、一種高頻超聲橢圓振動切削裝置，其特征在于該切削裝置由超聲振動單元和殼體單元組成，超聲振動單元置于殼體單元內；所述殼體單元由基座(1)、A蓋板(2)、B蓋板(3)和上蓋板(4)構成，超聲振動單元由變幅桿(5)、振動體(6)、A激勵源(7)、B激勵源(8)、C激勵源(9)構成；基座(1)為“凹”形形狀；基座(1)上設有A支撐板(101)、B支撐板(102)和底板(103)，底板(103)上設有安裝孔(103a)；振動體(6)安裝在底板(103)上，C緊頂螺釘(12)的一端順次穿過底板(103)上的一通孔、C激勵源(9)的C通孔(9a)后螺紋連接在E螺紋孔(67)上；A蓋板(2)的一端安裝在基座(1)的A支撐板(101)的前側板面(101a)上，A蓋板(2)的另一端安裝在基座(1)的B支撐板(102)的前側板面(102a)上；B蓋板(3)的一端安裝在基座(1)的A支撐板(101)的后側板面(101b)上，B蓋板(3)的另一端安裝在基座(1)的B支撐板(102)的后側板面(102b)上；上蓋板(4)的一端安裝在基座(1)的A支撐板(101)的上板面(101c)上，上蓋板(4)的另一端安裝在基座(1)的B支撐板(102)的上板面(102c)上，上蓋板(4)上設有A光孔(4a)、B光孔(4b)；振動體(6)為中部帶有凹形槽的“T”形形狀，振動體(6)上設有供安裝變幅桿(5)的凹形槽(65)，凹形槽(65)是沿水平中心線開設的，該凹形槽(65)將振動體(6)分隔為上振動模塊(6b)和下振動模塊(6c)；上振動模塊(6b)上設有C螺紋孔(61)、D螺紋孔(62)、十字孔(63)；下振動模塊(6c)上設有丁字形孔(66)、E螺紋孔(67)；振動體(6)的前板面(6a)上開有橢圓形通孔(64)；A激勵源(7)粘接在A支撐板(101)的右板面(101d)與振動體(6)的左端上板面(6d)之間，B激勵源(8)粘接在A支撐板(101)的右板面(101d)與振動體(6)的左端下板面(6e)之間，且A激勵源(7)與B激勵源(8)保持平行放置；振動體(6)的下振動模塊(6c)的底部設置有C激勵源(9)，C頂緊螺釘(12)的一端順次穿過C激勵源(9)的中心通孔、E螺紋孔(67)后與變幅桿(5)的底部頂緊；變幅桿(5)設置在振動體(6)的凹形槽(65)內，變幅桿(5)的一端伸出方孔(102d)外。
2、 根據權利要求1所述的高頻超聲橢圓振動切削裝置，其特征在于釆用了杠桿與 朗之萬換能器的結構設計。
3、 根據權利要求1所述的高頻超聲橢圓振動切削裝置，其特征在于C激勵源(9) 提供縱向振動，A激勵源(7)和B激勵源(8)提供彎曲振動，且彎曲振動與縱 向振動相互垂直使得變幅桿(5)帶動刀具作橢圓振動切削。
4、 根據權利要求1所述的高頻超聲橢圓振動切削裝置，其特征在于該高頻超聲橢 圓振動切削裝置的工作頻率范圍為10(U/fe 200^/z。
5、 根據權利要求1所述的高頻超聲橢圓振動切削裝置，其特征在于A激勵源(7)、 B激勵源(8)和C激勵源(9)的結構是相同的，三個激勵源能夠提供給變幅桿 5的功率為5~10W。
6、 根據權利要求1所述的高頻超聲橢圓振動切削裝置，其特征在于A激勵源(7)、 B激勵源(8)和C激勵源(9)選用型號PZT-8壓電陶瓷圓環片。
全文摘要
本發明公開了一種高頻超聲橢圓振動切削裝置，該切削裝置由超聲振動單元和殼體單元組成，超聲振動單元置于殼體單元內；所述殼體單元由基座、A蓋板、B蓋板和上蓋板構成，超聲振動單元由變幅桿、振動體、A激勵源、B激勵源、C激勵源構成，變幅桿安裝在振動體，變幅桿的端部安裝有刀具，A激勵源與B激勵源平行放置且粘接在振動體的側面上，C激勵源安裝在振動體的下部，A激勵源與B激勵源形成水平方向上的驅動力，C激勵源形成縱向方向上的驅動力，應用相互垂直的兩個高頻振動之間的相位差，在刀具刀尖處合成一個橢圓振動，有效降低加工表面粗糙度。該切削裝置工作在100kHz～200kHz的較高振動頻率，提高了刀具振動切屑臨界振速，使加工效率得到明顯提高；采用變幅桿插接安裝在振動體上，易于裝卡，可以促進超聲橢圓振動切削的實用化。
文檔編號B23B25/00GK101502971SQ200910079410
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月10日 優先權日2009年3月10日
發明者姜興剛, 張德遠, 文 李, 王桂林 申請人:北京航空航天大學