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一种固结 磨料超声加工装置及方法

阅读：15发布：2020-05-14

专利汇可以提供一种固结磨料超声加工装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种固结磨料超声加工装置及方法，属于硬脆性材料加工领域，可以进行异形孔加工和平面磨削加工，所述固结磨料超声加工装置包括XY轴进给装置、工作槽、主轴立柱、固结磨料工具、Z轴伺服进给装置和超声波发生系统，所述超声波发生器采用超声恒流电源，所述超声恒流电源包括用于采集超声换能器两端的电流和电压的采集单元和用于计算超声加工系统的等效阻抗的处理单元，所述处理单元将计算的等效阻抗与阻抗设定值进行比较后对固结磨料工具的进给速度和/或超声波发生器的输出电流进行调节。上述固结磨料超声加工装置不仅结构简单，加工精度高；而且响应速度快，提高了固结磨料超声加工过程的稳定性。，下面是一种固结磨料超声加工装置及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种固结磨料超声加工装置，其包括XY轴进给装置、工作槽、主轴立柱、固结磨料工具、Z轴伺服进给装置和超声波发生系统，其特征在于，所述工作槽设置于所述XY轴进给装置上，所述工作槽内放置待加工工件且其内盛有工作液，所述超声波发生系统包括超声变幅杆、超声换能器和超声波发生器，所述固结磨料工具连接于所述超声变幅杆的底部，所述Z轴伺服进给装置设置于主轴立柱上，所述超声换能器设置于所述Z轴伺服进给装置上且与所述超声变幅杆连接，所述超声波发生器与所述超声换能器电连接，且所述超声波发生器包括用于采集超声换能器两端的电流和电压的采集单元和用于计算超声加工系统的等效阻抗的处理单元，所述处理单元将计算的等效阻抗与阻抗设定值进行比较后对固结磨料工具的进给速度和/或超声波发生器的输出电流进行调节。
2.根据权利要求1所述的固结磨料超声加工装置，其特征在于，所述固结磨料超声加工装置还包括用于保持固结磨料工具温度稳定的冷却系统。
3.根据权利要求2所述的固结磨料超声加工装置，其特征在于，所述冷却系统采用循环水冷方式，其包括循环水槽、循环泵、循环管路和冷却喷头，所述循环水槽通过循环管路与所述工作槽内相连通，所述循环泵通过循环管路与所述冷却喷头相连接，所述冷却喷头设置于所述固结磨料工具的一侧，所述循环泵将工作槽中的工作液送入冷却喷头中对固结磨料工具进行水冷。
4.根据权利要求2所述的固结磨料超声加工装置，其特征在于，所述冷却系统采用风冷方式，其包括风冷喷头和压缩空气装置，所述风冷喷头设置于所述固结磨料工具的一侧，所述压缩空气装置给风冷喷头提供高压风冷气源对固结磨料工具进行风冷。
5.根据权利要求1所述的固结磨料超声加工装置，其特征在于，所述超声换能器和超声变幅杆之间通过螺栓连接；所述超声变幅杆和固结磨料工具之间通过螺栓连接。
6.根据权利要求1所述的固结磨料超声加工装置，其特征在于，所述超声恒流电源输出电流的频率为超声振动系统的串联谐振频率,工作电流峰峰值的可调节范围为280mA～
1200mA，最大有效输出功率为75W，典型工作频率：20kHz～40kHz。
7.根据权利要求6所述的固结磨料超声加工装置，其特征在于，所述串联谐振频率为
24kHz，空载阻抗为40Ω，所述固结磨料工具端面振幅可调节范围为2.5μm～22μm。
8.一种固结磨料超声加工方法，其特征在于，在对待加工工件加工过程中，通过采集超声换能器两端电流和电压，据此计算超声加工系统的等效阻抗，并与阻抗设定值比较，进而控制固结磨料工具的进给速度和/或超声波发生器的输出电流，通过控制固结磨料工具的进给速度控制加工间隙，通过控制超声波发生器的输出电流控制工具端面振幅。
9.根据权利要求8所述的固结磨料超声加工方法，其特征在于，所述固结磨料超声加工方法还包括对所述固结磨料工具进行冷却的操作，以消除固结磨料工具温度对超声加工系统的等效阻抗的影响。
10.根据权利要求8所述的固结磨料超声加工方法，其特征在于，所述待加工工件为不导电的硬脆性工件，所述硬脆性工件由碳化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、玻璃的任一种材料制成。

说明书全文

一种固结磨料超声加工装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于超声加工技术领域，尤其是涉及一种固结磨料超声加工装置及方法。

背景技术

[0002] 光学玻璃、陶瓷和碳化硅等硬脆性材料具备优越的物理、化学和机械性能，在航空、电子、汽车、冶金、生物工程和国防等工业领域得到了越来越广泛的应用。电化学加工和电火花加工难以加工不导电的材料，激光加工会导致耐高温的硬脆性材料产生裂纹，而超声加工已被证明是硬脆性材料成形加工的有效方法。超声加工是在工具或工件上沿一定方向施加高于20kHz的超声波振动来实现零件成形的一种工艺方法，通过选择不同的工具端面形状和磨料(通常分为游离磨料和固结磨料两种形式)，可以实现硬脆性材料的异形孔加工、平面磨削加工。

[0003] 游离磨料超声加工是将磨料悬浮液输入到工具和工件表面，磨粒在工具的振动下高速撞击工件表面。这种加工的缺点在于：工具本身会产生磨损；深小孔加工时，磨料悬浮液难以进入到加工区域，加工效率较低；磨料悬浮液的流动使得加工精度也会降低。

[0004] 固结磨料超声加工是磨料通过钎焊或电镀工艺烧结到工具表面，这种加工方法克服了游离磨料悬浮液在工具和工件之间流通不畅以及磨料对加工工具的磨蚀等问题。近年来，固结磨料超声加工逐渐取代传统的游离磨料超声加工。

[0005] 目前，国内已有加工力恒定控制系统控制超声加工状态，这种进给系统采用测力仪或电子天平间接检测加工力从而控制工具进给速度。然而，检测加工力的机床结构较为复杂，测力仪器的响应速度通常较慢，在大型工件和微细超声加工过程中，加工力远小于工件自重，难以保证加工力的检测精度。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种固结磨料超声加工装置，其具有结构简单、响应速度快和加工精度高的特点，以解决现有技术中固结磨料超声加工中存在的上述问题。

[0007] 本发明的另一目的在于提供一种固结磨料超声加工方法，该方法能够实现大型工件或微细超声加工的伺服控制，具有响应速度快和加工精度高的特点，以解决现有技术中固结磨料超声加工中存在的上述问题。

[0008] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：

[0009] 一种固结磨料超声加工装置，其包括XY轴进给装置、工作槽、主轴立柱、固结磨料工具、Z轴伺服进给装置和超声波发生系统，其中，所述工作槽设置于所述XY轴进给装置上，所述工作槽内放置待加工工件且其内盛有工作液，所述超声波发生系统包括超声变幅杆、超声换能器和超声波发生器，所述固结磨料工具连接于所述超声变幅杆的底部，所述Z轴伺服进给装置设置于主轴立柱上，所述超声换能器设置于所述Z轴伺服进给装置上且与所述超声变幅杆连接，所述超声波发生器与所述超声换能器电连接，且所述超声波发生器包括用于采集超声换能器两端的电流和电压的采集单元和用于计算超声加工系统的等效阻抗的处理单元，所述处理单元将计算的等效阻抗与阻抗设定值进行比较后对固结磨料工具的进给速度和/或超声波发生器的输出电流进行调节。

[0010] 特别地，所述固结磨料超声加工装置还包括用于保持固结磨料工具温度稳定的冷却系统。

[0011] 特别地，所述冷却系统采用循环水冷方式，其包括循环水槽、循环泵、循环管路和冷却喷头，所述循环水槽通过循环管路与所述工作槽内相连通，所述循环泵通过循环管路与所述冷却喷头相连接，所述冷却喷头设置于所述固结磨料工具的一侧，所述循环泵将工作槽中的工作液送入冷却喷头中对固结磨料工具进行水冷。

[0012] 特别地，所述冷却系统采用风冷方式，其包括风冷喷头和压缩空气装置，所述风冷喷头设置于所述固结磨料工具的一侧，所述压缩空气装置给风冷喷头提供高压风冷气源对固结磨料工具进行风冷。

[0013] 特别地，所述超声换能器和超声变幅杆之间通过螺栓连接；所述超声变幅杆和固结磨料工具之间通过螺栓连接。

[0014] 特别地，所述超声恒流电源输出电流的频率为超声振动系统的串联谐振频率,工作电流峰峰值的可调节范围为280mA～1200mA，最大有效输出功率为75W，典型工作频率：20kHz～40kHz。

[0015] 特别地，所述串联谐振频率为24kHz，空载阻抗为40Ω，所述固结磨料工具端面振幅可调节范围为2.5μm～22μm。

[0016] 一种固结磨料超声加工方法，在对待加工工件加工过程中，通过采集超声换能器两端电流和电压，据此计算超声加工系统的等效阻抗，并与阻抗设定值比较，进而控制固结磨料工具的进给速度和/或超声波发生器的输出电流，通过控制固结磨料工具的进给速度控制加工间隙，通过控制超声波发生器的输出电流控制工具端面振幅。

[0017] 特别地，所述固结磨料超声加工方法还包括对所述固结磨料工具进行冷却的操作，以消除固结磨料工具温度对超声加工系统的等效阻抗的影响。

[0018] 特别地，所述待加工工件为不导电的硬脆性工件，所述硬脆性工件由碳化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、玻璃的任一种材料制成。

[0019] 本发明的有益效果为，与现有技术相比所述固结磨料超声加工装置适应于对不导电的硬脆性工件进行异形孔加工和平面磨削加工，其利用了超声加工系统的等效阻抗与工具端面负载的关系，即：固结磨料超声加工过程中，处于串联谐振状态下的超声加工系统的等效阻抗随着加工间隙的减小、超声恒流电源的输出电流的增大而增大。在具体应用中具有以下优点：

[0020] 1)通过基于等效阻抗的方法来代替传统的加工力恒定控制系统，检测的信号来自于超声换能器两端，与工件的自重和形状无关，因此检测精度不受工件影响，可实现大型工件或微细超声加工的伺服控制；

[0021] 2)传统的加工力恒定控制系统需要在工作台下方放置测力仪器进行进给力的测量，本发明通过检测出的超声波发生器的输出电流和电压计算超声加工系统的等效阻抗，不需要测力仪器，简化了机床结构；

[0022] 3)通过检测超声换能器两端的电流和电压计算超声加工系统的等效阻抗，测量环节检测的是电信号，因此具有更快的响应速度；

[0023] 4)超声磨削加工平面时，可以通过改变超声波发生器的输出电流控制工具端面振幅，使得超声加工系统的等效阻抗保持稳定，输出信号为电信号，采用超声振动系统的执行机构的响应速度更快；

[0024] 5)通过检测超声换能器两端的电流和电压计算等效阻抗调节工具的进给速度或控制超声波发生器的输出电流，从而控制加工间隙或工具振幅，使等效阻抗维持在设定值，提高了固结磨料超声加工过程的稳定性使等效阻抗维持在设定值，提高了固结磨料超声加工过程的稳定性。附图说明

[0025] 图1是本发明具体实施方式1提供的固结磨料超声加工装置的结构示意图；

[0026] 图2是本发明具体实施方式1提供的固结磨料超声加工装置的进行异性孔加工的加工原理图；

[0027] 图3是本发明具体实施方式1提供的固结磨料超声加工装置进行平面磨削加工的加工原理图。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

[0029] 请参阅图1所示，本实施例中，一种固结磨料超声加工装置包括XY轴进给装置1、工作槽2、主轴立柱3、固结磨料工具4、Z轴伺服进给装置5和超声波发生系统，所述工作槽2通过底座6设置于所述XY轴进给装置1上，所述工作槽2内放置待加工工件7且其内盛有工作液，所述超声波发生系统包括超声变幅杆8、超声换能器9和超声波发生器10，所述固结磨料工具4通过螺栓连接于所述超声变幅杆8的底部，所述Z轴伺服进给装置5设置于主轴立柱3上，所述超声换能器9设置于所述Z轴伺服进给装置5上且与所述超声变幅杆8连接，所述超声波发生器10与所述超声换能器9电连接，所述超声波发生器10将市电转换成与超声换能器9相匹配的高频交流电信号，激励超声振动系统工作，所述超声换能器9、超声变幅杆8和固结磨料工具4组成超声振动系统，超声换能器9将电能转换成机械能，通过超声变幅杆8将振幅放大并聚集能量，通过固结磨料工具4端面的振动使磨粒和工作液以一定的能量冲击工件。

[0030] 所述超声波发生器10采用超声恒流电源，输出电流的频率为超声振动系统的串联谐振频率,工作电流峰峰值的可调节范围为280mA～1200mA，误差在2％以内，最大有效输出功率为75W，典型工作频率：20kHz～40kHz。将超声换能器9、超声变幅杆8和固结磨料工具4组成的超声振动系统安装在Z轴伺服进给装置5上，振动系统的串联谐振频率约为24kHz，空载阻抗为40Ω，工具端面振幅可调节范围为2.5μm～22μm。固结磨料工具4加工段的直径为3mm，以45号钢为基体，通过钎焊的方式将金刚石颗粒烧结在工具端面上，钎焊的磨粒50目。

[0031] 所述Z轴伺服进给装置5包括电机驱动器、步进电机、丝杆及工作台，最小分辨率为1μm，由DSP模块为电机驱动器提供脉冲信号。

[0032] 所述固结磨料超声加工装置还包括用于保持固结磨料工具温度稳定的冷却系统，所述冷却系统采用循环水冷方式，其包括循环水槽11、循环泵12、循环管路13和冷却喷头，所述循环水槽11通过循环管路13与所述工作槽2内相连通，所述循环泵12通过循环管路13与所述冷却喷头相连接，所述冷却喷头设置于所述固结磨料工具4的一侧，所述循环泵12将工作槽2中的工作液送入冷却喷头中对固结磨料工具4进行水冷，同时，水的空化作用还可以加速材料的去除，及时将加工产物排出加工区域。

[0033] 所述超声波发生器10的超声恒流电源包括用于采集超声换能器9两端的电流和电压的采集单元和用于计算超声加工系统的等效阻抗的处理单元，所述处理单元将计算的等效阻抗与阻抗设定值进行比较后对固结磨料工具4的进给速度和/或超声波发生器的输出电流进行调节。

[0034] 请参阅图2所示，在对待加工工件7进行异形孔加工时，先设置恒定的超声恒流电源的输出电流，孔加工过程中，超声恒流电源多次采集超声换能器9两端的电流和电压，计算等效阻抗取平均值，与阻抗设定值进行比较后发送脉冲信号给电机驱动器，从而控制工具的进给速度，以适应粗、中、精不同的加工规准。在进行异性孔加工时的调节对象为工具端面的平衡位置和工件被加工表面之间的加工间隙，应控制加工间隙小于工具端面空载振幅。加工过程中，工具的能量聚集导致温度升高，超声振动系统的空载阻抗也将急剧上升，以水为冷却液对工具进行持续冲液可以消除工具温度对等效阻抗的影响，同时，水的空化作用还可以加快了材料的去除，冷却液及时冲走加工产物可以保证加工顺利进行。

[0035] 请参阅图3所示，在对待加工工件7进行平面磨削加工时，工件需进行X、Y方向的运动；调节对象为工具端面的振幅，通过调节超声恒流电源的输出电流可以改变工具端面的振幅，该方案适用于平面磨削加工。具体说来，平面磨削加工过程中，超声恒流电源采集超声换能器两端的电流和电压，并计算平均阻抗，与阻抗设定值进行比较后调节输出电流，使得超声加工系统等效阻抗达到稳定。通过工件的X、Y方向的运动可以进行大平面的超声磨削加工。

[0036] 以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述事例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

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