[发明专利]一种变参数三维超声振动加工装置及加工方法

说明书

本发明公开了一种变参数三维超声振动加工装置，包括：机床壳体，其包括第一竖直壁和第一水平壁；超声振动装置，其设置在所述第一水平壁上支撑座，其包括第二竖直壁和第二水平壁，并且所述第二竖直壁和所述第二水平壁垂直连接；主轴，其可旋转的支撑在所述第一竖直壁上，且一端放置工件；一维振动杆，其可旋转的支撑在所述第二水平壁上；二维振动杆，其一端可旋转地垂直穿过所述第二竖直壁，且其上开设有多个贯穿所述二维振动杆的斜槽；工具头，其固定在所述二维振动杆的一端；通过螺栓将两个变幅杆垂直连接，生成的椭圆轨迹可靠，工作频率较高，本发明还提供一种变参数三维超声振动加工方法。

技术领域

本发明涉及一种变参数三维超声振动加工装置及加工方法，属于机械加工领域。

背景技术

近代以来，科技迅速发展，人们对于零件的精度要求越来越高，传统的机械加工显然已经不能满足其加工要求，反应离子刻蚀(RIE)技术、LIGA技术、激光表面微织构技术、表面喷丸技术、压刻技术、超声振动等先进加工技术便应运而生，超声振动辅助加工方法不需要昂贵复杂的设备，对加工环境和加工材料的要求低，与其他织构加工方法相比有明显优势，在各种难加工材料及表面光整强化加工领域已有应用。包括难加工材料的加工、提高材料力学性能的表面光整强化、弱刚性结构件的加工等。通过对零件表面上的划痕、微观不平等进行加工，能够抑制毛刺、微观裂纹的产生，改善零件加工质量，提高工件表面的功能性。

根据超声振动辅助加工装置的驱动频率与驱动的原理来进行划分，超声振动辅助加工装置主要分为共振型与非共振型两种。共振型超声振动辅助加工装置是人们最初使用的也是应用比较广泛的椭圆振动加工装置，利用压电陶瓷激发换能器的高频共振状态，通过变幅杆的放大作用得到合理的振幅，其工作频率较高；非共振型超声振动辅助加工装置，其工作原理是利用压电陶瓷直接驱动装置各轴，从而实现超声振动。对于超声振动辅助加工装置，非共振型装置的工作频率比较低，超声加工技术的优势没有被完全体现；共振型装置的工作频率较高，在切削加工时可以显著降低切削时的主切削力，在一定程度上提高了加工效率和加工精度。然而学者的研究主要集中在非共振型，对共振型装置的研究较少，因此，研究共振型装置是很有必要的。

美国西北大学教授Ehmann提出了一种V形的二维共振型椭圆振动辅助切削装置，柔性铰链头座将两个方向上的振动放大并结合在一起使刀具按照椭圆轨迹运动。然而该装置刀尖处的振动轨迹并不是利用两个纵向共振的合成，而是通过精心调整换能器的结构和尺寸，使得装置刀尖位置的法向和切向振动模态在某个振动频率下均有较大的振幅，可以得到较理想的椭圆，该装置合成的椭圆运动的参数不可调，振动方向是固定的，以及两个换能器振动的相位差都是固定的，限制了该类型装置的应用。吉林大学设计了一套垂直式的二维共振型椭圆振动辅助切削装置，并对刀具椭圆振动轨迹的参数可调的实现途径进行了讨论。但仅停留在有限的共振频率，不能实现通过频率的连续调节改变振幅，从而改变椭圆振动轨迹。另外，两个垂直方向的运动会产生耦合，从而影响椭圆振动轨迹的精度。日本名古屋大学的社本英二提出了一种三维共振型椭圆振动辅助切削的装置。但是社本英二的三维椭圆振动辅助加工装置刀尖椭圆运动的产生是基于刀杆的两个纵向振动和一个弯曲振动共振的合成。将换能器杆的伸长与垂直方向的弯曲按一定规律合成，在刀尖处产生了空间三维椭圆振动轨迹。由于当压电片的驱动信号频率的整数倍与刀杆的高阶模态固有频率接近时才能产生共振，所以刀杆的设计困难，难以获得所需的高阶模态；三维椭圆运动的频率和其它椭圆运动参数依赖于刀杆的非线性结构动力学参数，难以自主控制，缺乏柔性。

对于二维共振型椭圆振动辅助加工装置，目前已经有学者对刀具椭圆振动轨迹的参数可调的实现途径进行了讨论，能够适应一些不同型面及加工条件的要求，但对于复杂型面的运动轨迹仍然不能适应，三维椭圆振动辅助加工方法正好可以弥补这一缺点，然而学者对共振型三维椭圆振动装置的研究同样较少，椭圆振动轨迹难以自主控制，目前的共振型三维椭圆振动加工装置，远远不能满足对三维椭圆振动加工作更深入研究的需求。因此，提出一种变参数三维共振超声振动加工装置是很有必要的。

发明内容