[发明专利]水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置

说明书

水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置属于精密机械加工技术领域，解决了三维超声振动微铣削装置振动频率单一，切削效率和切削质量低下，自动化程度不高的技术问题。该装置包括：支撑单元、X方向滑台、Y方向滑台、X方向超声振子、Y方向超声振子、XY方向正交架、高频超声振子、微控水箱、微铣刀、高速气浮主轴、主轴Z方向滑台、相机Z方向滑台、相机Y方向滑台和观测相机；本装置属于小型精密加工机床，占地面积小，自动化程度高，操作要求低，大大降低使用成本。加工区域处于高频振子上方的水表层，使得加工过程在剧烈空化泡环境中进行，进一步改善加工过程中的散热条件，减少材料与刀具的粘粘，提高刀具寿命和已加工表面质量。

技术领域

本发明属于精密机械加工技术领域，具体涉及一种水表层空化泡环境高低频复合三维超声振动微铣削装置。

背景技术

微铣削加工是最基本的微切削技术之一，也是最广泛应用于生产复杂微小结构件的加工方法。然而，微铣削加工不能直接被视为缩小尺寸的传统铣削方式，微铣削过程中的“尺寸效应”对微铣削力学、微铣削材料去除机理以及微铣刀磨损等方面有直接影响；由于微铣刀机械强度较弱，高速运动下直接作用于工件时，微铣刀更易磨损，严重时刀具会产生崩刃以及振颤现象，其完整性对加工过程的稳定性要求更高；与常规铣削表面相比，微铣削表面存在的微观缺陷对零件的使用寿命以及可靠性影响更大，同时，传统微铣削也存在加工效率较低。超声振动辅助切削的概念自提出以来，在几十年间取得了飞速的发展，大量的研究表明，超声振动辅助切削具备的分离、冲击、等特性使其在降低切削力、提高刀具寿命、提高加工效率、保证切削质量等方面具有较大优势。然而，现有的超声振动辅助加工技术大多只考虑从刀具与工件的运动角度利用超声振动提高切削效果，而在空化泡环境中利用剧烈的空化效果，促进切削液快速流动，雾化，冲击加工表面与刀具，改善切削条件的较少，尤其是在空化作用更加剧烈的水表层；目前已有的三维超声振动微铣削装置振动频率多为单一频段，而高低频复合振动三维切削能够进一步提高切削效率，提升切削质量，而这一方面涉及的相关研究与相应设备较少。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置，解决了现有技术中三维超声振动微铣削装置振动频率单一，切削效率和切削质量低下，自动化程度不高的技术问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

水表层空化泡环境高低频复合超声振动微铣削装置，该装置包括：支撑单元、X方向滑台、Y方向滑台、X方向超声振子、Y方向超声振子、XY方向正交架、高频超声振子、水位传感器、位移传感器、微控水箱、微铣刀、高速气浮主轴、主轴Z方向滑台、相机Z方向滑台、相机Y方向滑台和观测相机；所述X方向滑台和Y方向滑台从下到上依次设置在所述支撑单元的水平部件上，控制设置在所述Y方向滑台上的微控水箱在X方向和Y方向的运动；所述XY方向正交架和水位传感器设置在所述微控水箱内，所述位移传感器安装在所述XY方向正交架上；所述XY方向正交架的两端分别连接X方向超声振子和Y方向超声振子，所述XY方向正交架的上表面设有所述高频超声振子，待加工的微小工件设置在所述高频超声振子上方；在支撑单元的竖直部件上，靠近微控水箱方向设有主轴Z方向滑台，所述高速气浮主轴设置在所述主轴Z方向滑台的端面上，所述高速气浮主轴下设有微铣刀；在支撑单元的竖直部件上，远离微控水箱方向设有相机Z方向滑台，所述相机Z方向滑台的下端面上设有相机Y方向滑台，所述相机Y方向滑台的下端面安装观测相机，所述相机Z方向滑台和相机Y方向滑台控制所述观测相机在支撑单元的竖直部件的镂空空间内往复运动；工作时将微控水箱内水位调整至淹没加工区域的深度，打开高频超声振子，根据空化效果设置水位传感器的数值反馈给计算机，计算机自动调整水位的高低；打开X方向超声振子和Y方向超声振子，位移传感器将测得XY方向正交架的振动位移反馈给计算机，计算机自动调整X方向超声振子和Y方向超声振子超声波发生器电流；计算机根据设计图纸控制电机移动X方向滑台、主轴Z方向滑台、Y方向滑台进行切削加工；相机Z方向滑台与主轴Z方向滑台由计算机并联控制，实现Z向同步位移；相机Y方向滑台由计算机控制调焦，实现对微铣刀和微小工件的在线观测。