專利名稱：超聲波扭轉振動車銑系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種超聲波扭轉振動車銑系統(tǒng)。
背景技術：
車銑法的原理是將銑刀代替車刀，完成斷續(xù)車削運動的加工方法。車銑過 程中，利用銑刀旋轉和工件旋轉的合成運動來實現(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力等方面達到使用要求。
車銑加工包括銑刀旋轉、工件旋轉、銑刀軸向進給和徑向進給四個基本運 動。銑刀旋轉運動是主運動。切削速度由銑刀旋轉速度和工件旋轉速度共同決 定，其中銑刀旋轉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，工件旋轉速度對切削速度的影響可以被忽略。切削的進給速度由工 件旋轉速度、銑刀軸向進給速度和徑向進給速度三個基本速度共同決定，其中 工件旋轉速度對進給速度的影響遠大于其它兩個基本速度。工件旋轉產(chǎn)生的切 向線速度即為銑刀周向進給速度，它的大小等于工件的轉速與工件周長的乘積； 銑刀的軸向(或徑向)進給速度則等于工件的轉速與銑刀在工件每轉時沿工件 軸向(或徑向)移動距離的乘積。銑刀的直線進給運動根據(jù)不同加工的需要可 采用軸向進給(如加工軸類零件)或徑向進給(如加工盤類零件)運動，也可 同時采用軸向進給和徑向進給(如加工錐體零件)運動。
車銑不是單純的將車和銑兩種加工方法合并到一臺機床上，而是利用車銑 合成運動來完成各類表面的加工。根據(jù)工件旋轉軸線與刀具旋轉軸線相對位置 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 加工內孔表面。但由于它們的旋轉軸線相互平行，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，軸向車銑也可進行長軸外圓和深孔內表面的車銑加工。正交車 銑由于銑刀與工件的旋轉軸線相互垂直，它不能對內孔進行加工，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給，因此在 加工外圓表面時效率較高。
使用車銑法加工高強度、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
1) 車銑過程中，沖擊力大，不易保證加工精度；
2) 表面粗糙，加工質量低；
3) 車銑溫度較高。 發(fā)明內容
本實用新型的目的提供一種超聲波扭轉振動車銑系統(tǒng)。
超聲波扭轉振動車銑系統(tǒng)中采用超聲波扭轉振動車銑裝置具有超聲波發(fā)生 器、扭轉振動夾芯式壓電換能器、扭轉振動變幅桿、法蘭盤、銑刀盤、刀齒、 機架，扭轉振動夾芯式壓電換能器與扭轉振動變幅桿、銑刀相連，銑刀具有銑 刀盤，銑刀盤上設有刀齒，扭轉振動變幅桿上設有法蘭盤，法蘭盤與機架相連。
本實用新型具有的有益效果
1) 超聲波扭轉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速度共同合成，因此不需使工件高速 旋轉也能實現(xiàn)高速切削，有利于對大型工件進行高速切削；
6) 工件轉速相對較低，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、鏜等不同方法進行加工的工件 能在一次裝夾中完成，不需更換機床，大大縮短了生產(chǎn)周期，防止了重復裝夾 誤差；
9) 超聲波扭轉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體毛坯的加工十分有益。


附圖是超聲波扭轉振動車銑裝置結構示意圖，圖中，超聲波發(fā)生器l、扭轉 振動夾芯式壓電換能器2、扭轉振動變幅桿3、法蘭盤4、銑刀盤5、刀齒6、工
件7、三爪卡盤8。
具體實施方式
超聲波扭轉振動車銑方法是在車銑過程中，利用銑刀旋轉、工件旋轉、銑 刀軸向進給、銑刀徑向進給、銑刀超聲波扭轉振動的合成運動來實現(xiàn)對工件的 切削，銑刀超聲波扭轉振動采用超聲波扭轉振動車銑裝置沿工件徑向布置，超 聲波扭轉振動車銑裝置刀具繞其自身軸線旋轉，其中，超聲波發(fā)生器將交流電 轉換成超聲頻電振蕩信號，扭轉振動夾芯式壓電換能器將超聲波發(fā)生器輸出的 電振蕩信號轉換為超聲頻扭轉振動，通過扭轉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 超聲頻扭轉振動，從而完成超聲波扭轉振動車銑。
如附圖所示，超聲波扭轉振動車銑系統(tǒng)是在車銑系統(tǒng)中采用超聲波扭轉振 動車銑裝置，它具有超聲波發(fā)生器l、扭轉振動夾芯式壓電換能器2、扭轉振動 變幅桿3、法蘭盤4、銑刀盤5、刀齒6、機架，扭轉振動夾芯式壓電換能器2 與扭轉振動變幅桿3、銑刀相連，銑刀具有銑刀盤5，銑刀盤上設有刀齒6，扭 轉振動變幅桿3上設有法蘭盤4，法蘭盤4與機架相連。
超聲波扭轉振動車銑方法是車銑過程中，利用銑刀旋轉、工件7旋轉、銑 刀軸向進給、銑刀徑向進給、銑刀超聲波扭轉振動的合成運動來實現(xiàn)對工件的 切削，銑刀超聲波扭轉振動采用超聲波扭轉振動車銑裝置沿工件徑向布置，超 聲波扭轉振動車銑裝置刀具繞其自身軸線旋轉，其中，超聲波發(fā)生器1將交流 電轉換成超聲頻電振蕩信號，扭轉振動夾芯式壓電換能器2將超聲波發(fā)生器輸 出的電振蕩信號轉換為超聲頻扭轉振動，通過扭轉振動變幅桿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的超聲頻扭轉振動，從而完成超聲波扭轉振動車銑。
超聲波扭轉振動車銑裝置的工作原理是超聲波發(fā)生器將220V、 50Hz的交 流電轉換成超聲頻電振蕩信號，扭轉振動夾芯式壓電換能器將超聲波發(fā)生器輸 出的電振蕩信號轉換為超聲頻扭轉振動，通過扭轉振動變幅桿放大后傳遞給銑 刀盤和刀齒，實現(xiàn)刀齒f=14. 5 60kHz、振幅a二8 50um的超聲頻扭轉振動。 超聲頻扭轉振動車銑系統(tǒng)通過變幅桿節(jié)點處的法蘭盤安裝在機架上，將切削力、 自重和慣性力傳遞到機床上。
超聲頻扭轉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 設有三爪卡盤8，工件7通過三爪卡盤8進行定位和夾緊，繞自身軸線以轉速 nl轉動。超聲波扭轉振動車銑刀盤設有Z個刀齒，不但繞銑刀盤自身軸線以轉 速n2轉動，而且沿銑刀盤圓周方向進行扭轉振動，并沿工件7的軸線以進給速
度S實現(xiàn)軸向進給。
超聲波扭轉振動車銑加工包括五個基本運動
1) 工件旋轉；
2) 銑刀旋轉；
3) 銑刀軸向進給；
4) 銑刀徑向進給；
5) 銑刀超聲波扭轉振動，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。
超聲波扭轉振動車銑加工時，由于聲學系統(tǒng)質量負載復雜，力負載是脈沖 型負載，聲學系統(tǒng)諧振頻率在一定范圍內變化。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10—8以上，但頻率調節(jié)范圍只有幾十赫芝，難 以滿足工具磨損和負載對頻率變化范圍(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 選用先進器件和新線路。
扭轉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 換為超聲頻扭轉振動，它是超聲波扭轉振動車銑裝置的關鍵部件之一。扭轉振 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。
扭轉振動夾芯式壓電換能器應具有較高的能量轉換效率，目前已廣泛使用 的壓電換能器的能量轉換效率可達88%，這個效率己經(jīng)比較高了。以往超聲設 備連續(xù)工作時間通常規(guī)定為8小時，隨著科學技術的發(fā)展和實際使用的需要， 超聲設備連續(xù)工作時間考核己提出16天以上的要求。要達到這樣的要求，除了 超聲波發(fā)生器能夠滿足可靠性(改進線路，對元器件進行老化篩選試驗)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
自的構成上又有很大差異。數(shù)字鎖相環(huán)CD4046是目前應用廣泛、價格低廉的產(chǎn) 品，它可用于調制解調技術、穩(wěn)頻技術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)單片微機頻率自動跟蹤系統(tǒng)
這種系統(tǒng)采用PWM調制、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的單調 關系。當換能器諧振時，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。單 片微機頻率自動跟蹤系統(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、半橋驅動電路等部分組成。
軟件部分采用了模塊化程序設計技術。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。
首先為每個模塊設計算法和流程，根據(jù)流程編制程序，將每個模塊調試成 功后，最后聯(lián)在一起統(tǒng)調。
單片微機頻率自動跟蹤系統(tǒng)的空載和帶負載試驗表明，能可靠地對頻率進 行跟蹤，實現(xiàn)了系統(tǒng)自動運行的目標，且跟蹤準確，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，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) 難以調整的困難。該系統(tǒng)變頻的步長、延時參數(shù)的設定均可由軟件加以調整， 十分方便，體現(xiàn)了硬件軟化的功能，故對各種系統(tǒng)的適應性強。該系統(tǒng)全部采 用先進的集成電路。全數(shù)字化工作，因而工作可靠，抗干擾能力強，易于調試。
扭轉振動變幅桿有下述作用-
(1) 聚能作用。
即將機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
行聚能。扭轉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振動變幅桿將扭轉振動 夾芯式壓電換能器的振幅放大。
(2) 有效地向負載傳輸
作為機械阻抗的變換器，在扭轉振動夾芯式壓電換能器和聲負載之間進行 阻抗匹配，使超聲能量由扭轉振動夾芯式壓電換能器更有效地向負載傳輸。
扭轉振動變幅桿包括單一形狀變幅桿和復合變幅桿。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《超聲加工及其應用》。
權利要求1.一種超聲波扭轉振動車銑系統(tǒng)，其特征在于在車銑系統(tǒng)中采用超聲波扭轉振動車銑裝置，它具有超聲波發(fā)生器(1)、扭轉振動夾芯式壓電換能器(2)、扭轉振動變幅桿(3)、法蘭盤(4)、銑刀盤(5)、刀齒(6)、機架，扭轉振動夾芯式壓電換能器(2)與扭轉振動變幅桿(3)、銑刀相連，銑刀具有銑刀盤(5)，銑刀盤(5)上設有刀齒(6)， 扭轉振動變幅桿(3)上設有法蘭盤(4)，法蘭盤(4)與機架相連。
專利摘要本實用新型公開了一種超聲波扭轉振動車銑系統(tǒng)。在車銑過程中，利用銑刀旋轉、工件旋轉、銑刀軸向進給、銑刀徑向進給、銑刀超聲波扭轉振動的合成運動來實現(xiàn)對工件的切削，銑刀超聲波扭轉振動采用超聲波扭轉振動車銑裝置沿工件徑向布置，超聲波扭轉振動車銑裝置刀具繞其自身軸線旋轉，其中，超聲波發(fā)生器將交流電轉換成超聲頻電振蕩信號，扭轉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換為超聲頻扭轉振動，通過扭轉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的超聲頻扭轉振動，從而完成超聲波扭轉振動車銑。本實用新型易于自動除屑、有利于提高加工精度和加工質量以及生產(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