[实用新型]一种针对硬脆材料的智能超声椭圆振动铣削加工系统

说明书

本实用新型公开一种针对硬脆材料的智能超声椭圆振动铣削加工系统，包括HSK刀柄、无线电能传输模块、超声换能器模块、斜面式纵扭转换模块以及信号调制模块、信号无线传输模块、薄膜热偶传感器；所述斜面式纵扭转换模块由上工具头、下工具头、螺杆组成，利用超声波的反射、折射特性将纵振转换为纵扭复合振动；所述薄膜热偶传感器布置在距刀具刀尖1~2mm处，实时测温，测得电热信号经信号调制模块调制后，由信号无线传输模块无线传输到PC端，对电热信号实时显示处理。本实用新型对原刀柄结构更改小，不影响刀具安装，使用斜面式纵扭转换装置实现纵扭复合振动，结构简单、经济效益高，利用薄膜热偶传感器测量铣削热，可以实时监控铣削过程中的温度变化。

技术领域

本实用新型涉及一种针对硬脆材料超声椭圆振动铣削的智能加工系统，主要用于超声波加工设备中，属于难加工材料精密、超精密加工技术领域。

背景技术

硬脆材料因高强度、高硬度以及耐磨、耐热、耐腐蚀等优越特性而广泛应用于航空工业等领域。但由于硬脆材料加工特性差，易产生微裂纹和烧伤，限制其广泛应用及行业发展。针对该材料的加工特性提出了超声振动复合加工方法，并在在航空航天、精密仪器、脆性材料加工等领域得到广泛应用。

超声振动复合加工通过在工具或工件上沿一定方向施加超声频振动进行加工，有效降低切削力和切削热，改善了加工质量。但通用超声加工方法多为单一振动模式，对硬脆材料的加工质量提高有一定局限性。除此之外，超声振动辅助加工过程切削温度监控同样存在技术难点，而目前监控方法无法实时监控切削温度，不利于提高零件加工精度和刀具磨损控制。

针对通用超声振动复合加工振动模式单一的问题，专利[聂文忠.一种智能纵扭复合超声铣削装置:中国,CN201920553955.8]提出一种可实现纵扭复合超声铣削装置，其包括同轴设置的法兰盘、纵扭变幅杆、刀头 以及在法兰盘的两端分别设有的压电陶瓷片组。但该类铣削系统中螺旋槽变幅杆设计参数多，加工制造成本高。同时，对于加工过程中切削温度实时监测方面，有专利[李广慧.一种内置式实时连续测温刀柄:中国,CN201420067922.X]提出一种内置式实时连续测温刀柄，其主要包括热电偶传感器、数据处理模块、天线、无线数据接收模块、温度数据实时动态显示模块。该专利所述结构是将数据采集模块置入刀柄内部，并采用充电电池供电，通过无线传输方法实现切削区域切削温度的实时连续测量、同步显示。该专利所述方法虽然不能直接应用于超声声学系统，却为智能超声椭圆振动铣削加工系统构建提供了新思路。综上所述，目前超声纵扭复合振动加工通常采用螺旋槽变幅杆实现纵扭复合振动且无法连续监测铣削热，存在变幅杆加工难度大、加工成本高、传感器布置难等问题，不能满足使用要求。

实用新型内容

本实用新型为了解决通用超声振动复合加工的不足之处，提供一种针对硬脆材料超声椭圆振动铣削的智能加工系统，通过上、下工具头组成的斜结合面将单一纵向振动转换为纵扭复合振动，并使用薄膜热偶传感器实时测量加工温度。

为实现上述目标，本实用新型的技术方案是：一种针对硬脆材料超声椭圆振动铣削的智能加工系统，由HSK刀柄、无线电能传输模块、超声换能器模块、斜面式纵扭转换模块以及信号调制模块、信号无线传输模块、薄膜热偶传感器组成，斜面式纵扭转换模块由上工具头、下工具头、螺杆组成，上工具头、下工具头顶压配合，螺杆依次将下工具头、上工具头轴向固定并和变幅杆首端相连，信号调制模块、信号无线传输模块集成在单片机上，安置于下工具头安装腔内，刀具通过刀架和下工具头安装腔相联接，薄膜热偶传感器布置在距刀具刀尖1~2mm处。

斜面式纵扭转换模块的上工具头、下工具头为中空圆柱结构，且一端面加工有四个关于轴中心对称的四个斜面，上工具头中空结构为螺纹孔且旋向与变幅杆扭装方向相反，下工具头中空结构为通孔且直径略大于上工具头的螺纹孔，下工具头另一端面向内凹起形成安装连接部，和刀具联结。

薄膜热偶传感器主要由基片、Al₂O₃介质、温度传感器薄膜、氮化硅保护膜组成，薄膜热偶传感器沉积在基片上，将基片粘结在距刀具刀尖1~2mm处。