[发明专利]多维旋转超声展成加工机构及其加工方法

说明书

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。

技术领域

本发明属于复合精密、微细特种加工技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明的技术方案是: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。