[发明专利]一种三维超声振动切削加工工作头

说明书

本发明公开了一种三维超声振动切削加工工作头，包括X超声振动臂、Y超声振动臂以及刀头三部分；X超声振动臂的前端刀头与Y超声振动臂的前端刀头连接。本发明功率型三维超声振动切削加工工作头的三个换能器的频率、振幅和相位可单独控制，亦可联动控制，从而实现工作头对刀具在X、Y、Z三个方向上振动位移的控制。

技术领域

本发明涉及一种三维超声振动切削加工工作头，属于精密金属切削加工领域。

背景技术

超声振动切削技术在硬脆材料、大塑性材料以及复合材料的精密切削加工方面表现出优良的工艺特性，受到国际学术界和企业界的普遍重视。日本、美国、俄罗斯、德国、英国、新加坡等国家先后开展超声振动切削技术的研究，进行了大量的实验分析和应用开发，取得了较多的研究成果。目前世界对超声振动切削技术的研究从实验逐步转向应用，实验装置也趋于实用化，在航空航天、超精密加工、光学器材加工、医学等领域得到相当程度的应用。

超声振动切削是将超声振动与传统切削相结合，即在切削过程中刀具附加周期性的高频超声振动，实现周期性的、间隙性的切削。由于刀尖与工件周期性分离，所以超声振动切削有着传统切削无法比拟的优势，如切削力小，切削温度低、变形小、残余应力小等。一维超声振动切削技术比较成熟，在很多领域效果也很显著，但由于振型单一，其不足也已显现出来，刀具与零件处于分离状态时，后刀面会摩擦、撞击已加工的表面，严重影响已加工表面的精度。由此可见，除了切削参数外，超声波振动的空间振型也是影响加工质量的关键因素，于是Moriwaki和Shamoto在20世纪50年代提出了二维超声椭圆振动切削法，实验证实二维超声椭圆振动切削与一维超声直线振动切削相比，可以更好的抑制工件表面加工毛刺的产生。但是二维超声椭圆振动切削相关产品很少。为弥补现有超声振动切削技术的不足，有必要设计具有二维或者更高维的切削加工工作头。

发明内容

本发明提供了一种三维超声振动切削加工工作头，以用于通过该工作头实现刀具在X、Y、Z三个方向上振动位移的控制。

本发明的技术方案是：一种三维超声振动切削加工工作头，包括X超声振动臂Ⅰ、Y超声振动臂Ⅱ以及刀头Ⅲ三部分；X超声振动臂Ⅰ的前端刀头Ⅲ与Y超声振动臂Ⅱ的前端刀头Ⅲ连接。

所述X超声振动臂Ⅰ是由卡盘5、套筒6、X臂超声波振子、筒体Ⅰ7、T型定位块8、长方体定位块9、筒体后端盖10、航空插头11组成；所述X臂超声波振子包括变幅杆Ⅰ4和1个超声波换能器12，超声波换能器12通过双头螺栓连接在变幅杆Ⅰ粗端403构成X臂超声波振子；变幅杆Ⅰ细端402穿过卡盘5伸出筒体Ⅰ7并通过双头螺栓与前端刀头Ⅲ连接，卡盘5与套筒6完成变幅杆Ⅰ节面401的定位，变幅杆Ⅰ粗端403穿过套筒6与超声波换能器12设置于筒体Ⅰ7内，套筒6安装在筒体Ⅰ7内并通过四个沉头螺钉与筒体Ⅰ7连接，卡盘5的外螺纹与筒体Ⅰ7前端的内螺纹配合完成与筒体Ⅰ7的连接，筒体后端盖10通过四个螺钉安装在筒体Ⅰ7的后端，T型定位块8、航空插头11均通过螺钉与筒体Ⅰ7连接；长方体定位块9与T型定位块8之间采用螺栓连接。

所述Y超声振动臂Ⅱ是由筒体Ⅱ1、筒体前端盖2、Y臂超声波振子、T型定位块8、长方体定位块9、筒体后端盖10、航空插头11组成；所述Y臂超声波振子包括变幅杆Ⅱ3、2个超声波换能器12，2个超声波换能器12Z向竖直排列并分别通过双头螺栓连接在变幅杆Ⅱ粗端303构成Y臂超声波振子；变幅杆Ⅱ细端302穿过筒体前端盖2伸出筒体Ⅱ1并通过双头螺栓与前端刀头Ⅲ连接，筒体Ⅱ1和筒体前端盖2完成Y臂超声波振子变幅杆Ⅱ节面301的定位，变幅杆Ⅱ粗端303及2个超声波换能器12设置于筒体Ⅱ1内，筒体前端盖2通过四个沉头螺钉与筒体Ⅱ1前端连接，筒体后端盖10通过四个螺钉安装在筒体Ⅱ1的后端，T型定位块8、航空插头11均通过螺钉与筒体Ⅱ1连接，长方体定位块9与T型定位块8之间采用螺栓连接。