[发明专利]一种自由曲面变幅杆的超声波振动辅助车削装置

说明书

本发明公开了一种自由曲面变幅杆的超声波振动辅助车削装置，包括壳体、换能器和车刀；所述换能器固定在所述壳体上，所述换能器包括将单一方向的振动在传递过程中改变方向的自由曲面变幅杆，以及压电陶瓷组和后盖板，所述自由曲面变幅杆为输入端面为垂直平面、输出端面垂直于输入端面的自由曲面弯曲结构；所述后盖板上固定的螺杆穿过所述压电陶瓷组的中间圆孔与所述自由曲面变幅杆的输入端相连接，并施加一预紧力压紧所述压电陶瓷组；所述车刀固定在所述自由曲面变幅杆的输出端。本发明可通过一个激励源来实现刀尖的椭圆振动，且结构简单，安装方便。

技术领域

本发明涉及超精密加工，特别涉及一种自由曲面变幅杆的超声波振动辅助车削装置。

背景技术

光学透镜在航天航空、国防装备、电子通讯等领域的应用越来越多。精密注塑是大规模生产这类零件的主要方式之一。在其加工过程中，模芯的表面质量对产品的质量非常关键。为了保证足够的强度和加工表面光洁度，一般采用模具钢来制作模芯。为了达到高面形精度和高表面质量，采用金刚石刀具结合超精密车削机床是首选方案。虽然天然金刚石是目前最硬的材料，但是在加工黑色金属的时候往往会发生严重的化学磨损，导致加工质量的显著下降。

目前，解决此问题的方法之一就是在模芯上附着一层镍磷合金镀层，然后采用金刚石刀具在镍磷合金层直接切削出理想的镜面。此方法的缺点是加工镍磷合金镀层增加了生产成本，并且镍磷合金层在循环热载荷的作用下容易脱离基体，使模芯的使用寿命降低。另外一种方法就是采用超声辅助车削方法。目前的超声波振动辅助车削装置根据刀具的振动形式可以分为一维直线振动装置和二维椭圆振动装置。其中一维直线振动装置中的变幅杆采用的是单激励纵向振动形式，二维椭圆振动装置中的变幅杆采用的是双激励多向复合共振形式。两种装置相比较，后者可以更大幅度的降低切削力和切削热，但是由于需要两个激励源，结构设计复杂且安装调试难度大。单激励纵向一维直线振动装置在加工较深的凹形截面工件时，由于刀具伸出较短，工件与装置容易发生干涉。

发明内容

本发明的目的是解决黑色金属材料的光学自由曲面零件的无干涉镜面加工问题，提供一种自由曲面变幅杆的超声波振动辅助车削装置，本装置可通过一个激励源来实现刀尖的椭圆振动，且结构简单，安装方便。

本发明所采用的技术方案是：一种自由曲面变幅杆的超声波振动辅助车削装置，包括壳体、换能器和车刀；所述换能器固定在所述壳体上，所述换能器包括将单一方向的振动在传递过程中改变方向的自由曲面变幅杆，以及压电陶瓷组和后盖板，所述自由曲面变幅杆为输入端面为竖直平面、输出端面垂直于输入端面的自由曲面弯曲结构；所述后盖板上固定的螺杆穿过所述压电陶瓷组的中间圆孔与所述自由曲面变幅杆的输入端相连接，并施加一预紧力压紧所述压电陶瓷组；所述车刀固定在所述自由曲面变幅杆的输出端。

所述压电陶瓷组包括交替排列的环形压电陶瓷片和铜片。

所述自由曲面变幅杆的输入端设置有法兰，安装时，通过压盖配合螺纹联接压紧所述法兰，使由曲面变幅杆固定在壳体上。

所述自由曲面变幅杆的工作频率为40kHz-80kHz，所述车刀刀尖的振动方向随着自由曲面变幅杆工作频率的改变而改变。

所述壳体的后端外设置有用于与车削机床联接的筋板，所述筋板上开设有筋板孔；所述壳体的前端设置有用于容纳所述换能器的压电陶瓷组的腔体；所述壳体的侧壁上、位于所述腔体的位置开设有用于穿过超声波电源联接的导线的引线孔；所述腔体的两侧开设有用于调整安装位置的通槽。

所述车刀采用单晶金刚石车刀或聚晶金刚石车刀。

本发明的有益效果是：

(1)变幅杆是采用自由曲面形状设计，可以把单一方向的振动在传递过程中改变方向；

(2)本装置的工作频率在40kHz到80kHz之间，车刀刀尖的振动方向随着频率的改变而改变，可以适应自由曲面的车削，避免发生车刀的后刀面与工件干涉；