專利名稱：超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
車銑法的原理是將銑刀代替車刀，完成斷續(xù)車削運(yùn)動的加工方法。車銑過 程中，利用銑刀旋轉(zhuǎn)和工件旋轉(zhuǎn)的合成運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)對工件的切削加工，使工件 在形狀精度、位置精度、表面粗糙度及殘余應(yīng)力等方面達(dá)到使用要求。
車銑加工包括銑刀旋轉(zhuǎn)、工件旋轉(zhuǎn)、銑刀軸向進(jìn)給和徑向進(jìn)給四個基本運(yùn) 動。銑刀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是主運(yùn)動。切削速度由銑刀旋轉(zhuǎn)速度和工件旋轉(zhuǎn)速度共同決 定，其中銑刀旋轉(zhuǎn)速度是決定切削速度的主要因素，特別是在高速、超高速車 銑加工中，工件旋轉(zhuǎn)速度對切削速度的影響可以被忽略。切削的進(jìn)給速度由工 件旋轉(zhuǎn)速度、銑刀軸向進(jìn)給速度和徑向進(jìn)給速度三個基本速度共同決定，其中 工件旋轉(zhuǎn)速度對進(jìn)給速度的影響遠(yuǎn)大于其它兩個基本速度。工件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切 向線速度即為銑刀周向進(jìn)給速度，它的大小等于工件的轉(zhuǎn)速與工件周長的乘積； 銑刀的軸向(或徑向)進(jìn)給速度則等于工件的轉(zhuǎn)速與銑刀在工件每轉(zhuǎn)時沿工件 軸向(或徑向)移動距離的乘積。銑刀的直線進(jìn)給運(yùn)動根據(jù)不同加工的需要可 采用軸向進(jìn)給(如加工軸類零件)或徑向進(jìn)給(如加工盤類零件)運(yùn)動，也可 同時采用軸向進(jìn)給和徑向進(jìn)給(如加工錐體零件)運(yùn)動。
車銑不是單純的將車和銑兩種加工方法合并到一臺機(jī)床上，而是利用車銑 合成運(yùn)動來完成各類表面的加工。根據(jù)工件旋轉(zhuǎn)軸線與刀具旋轉(zhuǎn)軸線相對位置 的不同，車銑加工可分為軸向車銑、正交車銑和一般車銑。根據(jù)工件與刀具旋 轉(zhuǎn)相對方向的不同，它們又都可分為順銑和逆銑兩種不同的形式。軸向車銑由 于銑刀與工件的旋轉(zhuǎn)軸線相互平行，因此它不但可以加工外圓表面，而且也可 加工內(nèi)孔表面。但由于它們的旋轉(zhuǎn)軸線相互平行，如銑刀直徑小于其主軸箱體 徑向尺寸時，就限制了銑刀的縱向行程，這種情況下不適宜用軸向車銑加工軸 向行程較長的外圓表面或較深的內(nèi)孔表面。與此相反，如銑刀直徑大于其主軸 箱體徑向尺寸，軸向車銑也可進(jìn)行長軸外圓和深孔內(nèi)表面的車銑加工。正交車 銑由于銑刀與工件的旋轉(zhuǎn)軸線相互垂直，它不能對內(nèi)孔進(jìn)行加工，但在加工外 圓表面時由于銑刀的縱向行程不受限制，且可以采用較大的縱向進(jìn)給，因此在 加工外圓表面時效率較高。
使用車銑法加工高強(qiáng)度、高韌性材料時，切屑自然分離，不需要使用斷屑
裝置，切屑容積小，便于切屑處理。 車銑法存在下述缺點(diǎn)
1) 車銑過程中，沖擊力大，不易保證加工精度；
2) 表面粗糙，加工質(zhì)量低；
3) 車銑溫度較高。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的提供一種超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑系統(tǒng)。
超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑系統(tǒng)中采用超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑裝置具有超聲波發(fā)生 器、扭轉(zhuǎn)振動夾芯式壓電換能器、扭轉(zhuǎn)振動變幅桿、法蘭盤、銑刀盤、刀齒、 機(jī)架，扭轉(zhuǎn)振動夾芯式壓電換能器與扭轉(zhuǎn)振動變幅桿、銑刀相連，銑刀具有銑 刀盤，銑刀盤上設(shè)有刀齒，扭轉(zhuǎn)振動變幅桿上設(shè)有法蘭盤，法蘭盤與機(jī)架相連。
本實(shí)用新型具有的有益效果
1) 超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑是間斷切削，因此無論加工何種材料的工件都能得到 較短的切屑，易于自動除屑；
2) 大幅度降低車銑過程中產(chǎn)生的沖擊力，提高加工精度；
3) 表面光滑，加工質(zhì)量高；
4) 間斷切削使刀具有充足的冷卻時間，車銑溫度大幅度降低，提高了刀齒的 壽命；
5) 由于切削速度是由工件和刀具的回轉(zhuǎn)速度共同合成，因此不需使工件高速 旋轉(zhuǎn)也能實(shí)現(xiàn)高速切削，有利于對大型工件進(jìn)行高速切削；
6) 工件轉(zhuǎn)速相對較低，加工薄壁件時幾乎沒有由于離心力產(chǎn)生的變形；
7) 使用較大的軸向進(jìn)給也能得到較小的表面粗糙度；
8) 如采用CNC車銑中心，需用車、銑、鉆、鏜等不同方法進(jìn)行加工的工件 能在一次裝夾中完成，不需更換機(jī)床，大大縮短了生產(chǎn)周期，防止了重復(fù)裝夾 誤差；
9) 超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑是多刃切削，可較大地提高生產(chǎn)效率；
10) 超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑屬于多刃切削，切削過程平穩(wěn)，刀具磨損小，這對 新型難加工材料和大型回轉(zhuǎn)體毛坯的加工十分有益。


附圖是超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑裝置結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，超聲波發(fā)生器l、扭轉(zhuǎn) 振動夾芯式壓電換能器2、扭轉(zhuǎn)振動變幅桿3、法蘭盤4、銑刀盤5、刀齒6、工
件7、三爪卡盤8。
具體實(shí)施方式
超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑方法是在車銑過程中，利用銑刀旋轉(zhuǎn)、工件旋轉(zhuǎn)、銑 刀軸向進(jìn)給、銑刀徑向進(jìn)給、銑刀超聲波扭轉(zhuǎn)振動的合成運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)對工件的 切削，銑刀超聲波扭轉(zhuǎn)振動采用超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑裝置沿工件徑向布置，超 聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑裝置刀具繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)，其中，超聲波發(fā)生器將交流電 轉(zhuǎn)換成超聲頻電振蕩信號，扭轉(zhuǎn)振動夾芯式壓電換能器將超聲波發(fā)生器輸出的 電振蕩信號轉(zhuǎn)換為超聲頻扭轉(zhuǎn)振動，通過扭轉(zhuǎn)振動變幅桿放大后傳遞給銑刀盤
和刀齒，沿銑刀圓周方向給刀齒施加頻率f二14.5 60kHz、振幅a二8 50tim的 超聲頻扭轉(zhuǎn)振動，從而完成超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑。
如附圖所示，超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑系統(tǒng)是在車銑系統(tǒng)中采用超聲波扭轉(zhuǎn)振 動車銑裝置，它具有超聲波發(fā)生器l、扭轉(zhuǎn)振動夾芯式壓電換能器2、扭轉(zhuǎn)振動 變幅桿3、法蘭盤4、銑刀盤5、刀齒6、機(jī)架，扭轉(zhuǎn)振動夾芯式壓電換能器2 與扭轉(zhuǎn)振動變幅桿3、銑刀相連，銑刀具有銑刀盤5，銑刀盤上設(shè)有刀齒6，扭 轉(zhuǎn)振動變幅桿3上設(shè)有法蘭盤4，法蘭盤4與機(jī)架相連。
超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑方法是車銑過程中，利用銑刀旋轉(zhuǎn)、工件7旋轉(zhuǎn)、銑 刀軸向進(jìn)給、銑刀徑向進(jìn)給、銑刀超聲波扭轉(zhuǎn)振動的合成運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)對工件的 切削，銑刀超聲波扭轉(zhuǎn)振動采用超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑裝置沿工件徑向布置，超 聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑裝置刀具繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)，其中，超聲波發(fā)生器1將交流 電轉(zhuǎn)換成超聲頻電振蕩信號，扭轉(zhuǎn)振動夾芯式壓電換能器2將超聲波發(fā)生器輸 出的電振蕩信號轉(zhuǎn)換為超聲頻扭轉(zhuǎn)振動，通過扭轉(zhuǎn)振動變幅桿3放大后傳遞給 銑刀盤5和刀齒6，沿銑刀圓周方向給刀齒施加頻率f=14. 5 60kHz、振幅a=8 50um的超聲頻扭轉(zhuǎn)振動，從而完成超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑。
超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑裝置的工作原理是超聲波發(fā)生器將220V、 50Hz的交 流電轉(zhuǎn)換成超聲頻電振蕩信號，扭轉(zhuǎn)振動夾芯式壓電換能器將超聲波發(fā)生器輸 出的電振蕩信號轉(zhuǎn)換為超聲頻扭轉(zhuǎn)振動，通過扭轉(zhuǎn)振動變幅桿放大后傳遞給銑 刀盤和刀齒，實(shí)現(xiàn)刀齒f=14. 5 60kHz、振幅a二8 50um的超聲頻扭轉(zhuǎn)振動。 超聲頻扭轉(zhuǎn)振動車銑系統(tǒng)通過變幅桿節(jié)點(diǎn)處的法蘭盤安裝在機(jī)架上，將切削力、 自重和慣性力傳遞到機(jī)床上。
超聲頻扭轉(zhuǎn)振動車銑裝置安裝在普通車床或數(shù)控車床刀架上。車床主軸上 設(shè)有三爪卡盤8，工件7通過三爪卡盤8進(jìn)行定位和夾緊，繞自身軸線以轉(zhuǎn)速 nl轉(zhuǎn)動。超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑刀盤設(shè)有Z個刀齒，不但繞銑刀盤自身軸線以轉(zhuǎn) 速n2轉(zhuǎn)動，而且沿銑刀盤圓周方向進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動，并沿工件7的軸線以進(jìn)給速
度S實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)給。
超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑加工包括五個基本運(yùn)動
1) 工件旋轉(zhuǎn)；
2) 銑刀旋轉(zhuǎn)；
3) 銑刀軸向進(jìn)給；
4) 銑刀徑向進(jìn)給；
5) 銑刀超聲波扭轉(zhuǎn)振動，以符號f表示諧振頻率(Hz)，以符號a表示刀 齒振幅(lim)。
超聲波發(fā)生器的作用是將交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻的電振蕩信號，它主要由振 蕩器、電壓放大器、功率放大器和輸出變壓器等部分組成。
超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑加工時，由于聲學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量負(fù)載復(fù)雜，力負(fù)載是脈沖 型負(fù)載，聲學(xué)系統(tǒng)諧振頻率在一定范圍內(nèi)變化。必須開發(fā)具有頻率自動跟蹤的 超聲波發(fā)生器，以解決在負(fù)載條件下壓電換能器的諧振頻率、阻抗變化的難題。
超聲波發(fā)生器正在向系列化、智能化的方向發(fā)展。超聲波發(fā)生器的開發(fā)必 須滿足頻率穩(wěn)定、阻抗易于匹配、體積小、造價低、耗能少的要求。要使超聲 波發(fā)生器頻率穩(wěn)定，可采取石英晶體振蕩器和頻率自動跟蹤系統(tǒng)兩個措施。石 英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定性可達(dá)10—8以上，但頻率調(diào)節(jié)范圍只有幾十赫芝，難 以滿足工具磨損和負(fù)載對頻率變化范圍(幾百赫芝)的要求，這個問題值得研 究。頻率自動跟蹤系統(tǒng)是新型超聲波發(fā)生器研制的必要條件。要使阻抗易于匹 配，以滿足超聲波發(fā)生器通用化的要求。要使體積小、造價低、耗能少，必須 選用先進(jìn)器件和新線路。
扭轉(zhuǎn)振動夾芯式壓電換能器的作用是將超聲波發(fā)生器輸出的電振蕩信號轉(zhuǎn) 換為超聲頻扭轉(zhuǎn)振動，它是超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑裝置的關(guān)鍵部件之一。扭轉(zhuǎn)振 動夾芯式壓電換能器由壓電陶瓷片、前反射罩、后反射罩、螺栓和螺母組成。
扭轉(zhuǎn)振動夾芯式壓電換能器應(yīng)具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，目前已廣泛使用 的壓電換能器的能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)88%，這個效率己經(jīng)比較高了。以往超聲設(shè) 備連續(xù)工作時間通常規(guī)定為8小時，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際使用的需要， 超聲設(shè)備連續(xù)工作時間考核己提出16天以上的要求。要達(dá)到這樣的要求，除了 超聲波發(fā)生器能夠滿足可靠性(改進(jìn)線路，對元器件進(jìn)行老化篩選試驗(yàn))以外， 必須對高效換能器提出高可靠性的要求。
(1)數(shù)字鎖相環(huán)CD4046集成電路
集成鎖相環(huán)分為兩大類，即模擬鎖相環(huán)和數(shù)字鎖相環(huán)，根據(jù)不同用途在各
自的構(gòu)成上又有很大差異。數(shù)字鎖相環(huán)CD4046是目前應(yīng)用廣泛、價格低廉的產(chǎn) 品，它可用于調(diào)制解調(diào)技術(shù)、穩(wěn)頻技術(shù)和頻率自動跟蹤方面。
數(shù)字鎖相環(huán)CD4046集成電路組成的頻率自動跟蹤電路從振動系統(tǒng)采集電 壓和電流信號，經(jīng)過零比較器后得到矩形波，送入數(shù)字鎖相環(huán)CD4046的鑒相器， 相位比較后所產(chǎn)生的電壓經(jīng)環(huán)路濾波器除高頻成份及噪聲后，控制壓控振蕩器 的頻率向換能器振動系統(tǒng)在新參數(shù)下的諧振頻率靠近，直到頻差為零。
(2)單片微機(jī)頻率自動跟蹤系統(tǒng)
這種系統(tǒng)采用PWM調(diào)制、半橋逆變式電源。通過對輸入半橋的電流同換能 器振動系統(tǒng)的振幅、頻率在負(fù)載變化情況下的測量和分析，發(fā)現(xiàn)輸入半橋逆變 電路的電流、換能器振動系統(tǒng)的振福同超聲波發(fā)生器的頻率有一一對應(yīng)的單調(diào) 關(guān)系。當(dāng)換能器諧振時，振幅最大，此時輸入半橋逆變電路的電流也最大。這 就是說，如果能搜索到輸入半橋逆變電路的電流，也就找到了諧振頻率點(diǎn)。單 片微機(jī)頻率自動跟蹤系統(tǒng)采用變頻搜索方式，使輸入半橋逆變電路的電流總是 保持在最大值，從而保證了系統(tǒng)總是工作在諧振狀態(tài)。
單片微機(jī)頻率自動跟蹤系統(tǒng)，由LEM模塊一LA25—-NP電流傳感器、芯片 8031、 LS373、壓控振蕩器、半橋驅(qū)動電路等部分組成。
軟件部分采用了模塊化程序設(shè)計技術(shù)。根據(jù)功能要求，將軟件分成以下幾 個模塊
1) 系統(tǒng)初始模塊；
2) 信號采集及比較模塊；
3) 頻率遞增模塊；
4) 頻率遞減模塊。
首先為每個模塊設(shè)計算法和流程，根據(jù)流程編制程序，將每個模塊調(diào)試成 功后，最后聯(lián)在一起統(tǒng)調(diào)。
單片微機(jī)頻率自動跟蹤系統(tǒng)的空載和帶負(fù)載試驗(yàn)表明，能可靠地對頻率進(jìn) 行跟蹤，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)自動運(yùn)行的目標(biāo)，且跟蹤準(zhǔn)確，波動小。跟蹤時間小于10ms。
該系統(tǒng)通過檢測，不斷搜索輸入半橋逆變電路的電流最大時的頻率點(diǎn)，從 而克服了一般采用反饋形式的頻率自動跟蹤系統(tǒng)反饋深度不易控制、電路參數(shù) 難以調(diào)整的困難。該系統(tǒng)變頻的步長、延時參數(shù)的設(shè)定均可由軟件加以調(diào)整， 十分方便，體現(xiàn)了硬件軟化的功能，故對各種系統(tǒng)的適應(yīng)性強(qiáng)。該系統(tǒng)全部采 用先進(jìn)的集成電路。全數(shù)字化工作，因而工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)，易于調(diào)試。
扭轉(zhuǎn)振動變幅桿有下述作用-
(1) 聚能作用。
即將機(jī)械振動位移或速度振幅放大，或者把能量集中在較小的輻射面上進(jìn)
行聚能。扭轉(zhuǎn)振動夾芯式壓電換能器的振幅一般為4 l(^m,而超聲波扭轉(zhuǎn)振動 車銑加工對振幅的要求為8 5(H4n,這就必須借助于扭轉(zhuǎn)振動變幅桿將扭轉(zhuǎn)振動 夾芯式壓電換能器的振幅放大。
(2) 有效地向負(fù)載傳輸
作為機(jī)械阻抗的變換器，在扭轉(zhuǎn)振動夾芯式壓電換能器和聲負(fù)載之間進(jìn)行 阻抗匹配，使超聲能量由扭轉(zhuǎn)振動夾芯式壓電換能器更有效地向負(fù)載傳輸。
扭轉(zhuǎn)振動變幅桿包括單一形狀變幅桿和復(fù)合變幅桿。具體可見發(fā)明人在國 防工業(yè)出版社于1995年出版的專著《超聲加工及其應(yīng)用》。
權(quán)利要求1.一種超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑系統(tǒng)，其特征在于在車銑系統(tǒng)中采用超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑裝置，它具有超聲波發(fā)生器(1)、扭轉(zhuǎn)振動夾芯式壓電換能器(2)、扭轉(zhuǎn)振動變幅桿(3)、法蘭盤(4)、銑刀盤(5)、刀齒(6)、機(jī)架，扭轉(zhuǎn)振動夾芯式壓電換能器(2)與扭轉(zhuǎn)振動變幅桿(3)、銑刀相連，銑刀具有銑刀盤(5)，銑刀盤(5)上設(shè)有刀齒(6)， 扭轉(zhuǎn)振動變幅桿(3)上設(shè)有法蘭盤(4)，法蘭盤(4)與機(jī)架相連。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑系統(tǒng)。在車銑過程中，利用銑刀旋轉(zhuǎn)、工件旋轉(zhuǎn)、銑刀軸向進(jìn)給、銑刀徑向進(jìn)給、銑刀超聲波扭轉(zhuǎn)振動的合成運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)對工件的切削，銑刀超聲波扭轉(zhuǎn)振動采用超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑裝置沿工件徑向布置，超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑裝置刀具繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)，其中，超聲波發(fā)生器將交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻電振蕩信號，扭轉(zhuǎn)振動夾芯式壓電換能器將超聲波發(fā)生器輸出的電振蕩信號轉(zhuǎn)換為超聲頻扭轉(zhuǎn)振動，通過扭轉(zhuǎn)振動變幅桿放大后傳遞給銑刀盤和刀齒，沿銑刀圓周方向給刀齒施加頻率f＝14.5～60kHz、振幅a＝8～50μm的超聲頻扭轉(zhuǎn)振動，從而完成超聲波扭轉(zhuǎn)振動車銑。本實(shí)用新型易于自動除屑、有利于提高加工精度和加工質(zhì)量以及生產(chǎn)效率。
文檔編號B23Q5/00GK201008976SQ20072010728
公開日2008年1月23日 申請日期2007年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月15日
發(fā)明者芳 余, 喻家英, 張云電 申請人:杭州電子科技大學(xué)