本發(fā)明涉及一種硬脆材料的加工裝置，尤指一種應(yīng)用于硬脆材料加工的縱扭復(fù)合振動(dòng)加工系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)與材料研究領(lǐng)域，硬脆材料的加工是一個(gè)常見但要求較高的加工工序，為提高硬脆材料的加工質(zhì)量，縱扭復(fù)合超聲加工技術(shù)在硬脆性材料的加工中受到越來越多的重視，傳統(tǒng)的縱扭復(fù)合振動(dòng)獲得振動(dòng)模式的方法包括：縱、扭轉(zhuǎn)換更替振動(dòng)模式，或利用切向極化的壓電陶瓷元件實(shí)現(xiàn)振動(dòng)轉(zhuǎn)換，但是，不同的振動(dòng)模式所產(chǎn)生的共振頻率不同，導(dǎo)致超聲電源的激勵(lì)也就不同，因此無法控制頻率以及無法控制加工進(jìn)度；為克服此類問題，可采用縱扭共振的復(fù)合加工系統(tǒng)，但現(xiàn)常用的縱扭共振的傳遞端多為螺旋口傳振桿或斜槽傳振桿設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了縱扭共振、振幅比合理的加工方式，但該設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的扭矩力不足以應(yīng)用于超高頻的硬脆材料加工工作中，當(dāng)縱扭復(fù)合振動(dòng)頻率增高時(shí)，其預(yù)緊力也相應(yīng)需要提高，若扭矩力不合理的情況下則無法整體協(xié)調(diào)加工，對(duì)于硬脆材料的加工質(zhì)量也從而得不到報(bào)障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明旨在公開一種硬脆材料的加工裝置，尤指一種應(yīng)用于硬脆材料加工的縱扭復(fù)合振動(dòng)加工系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種應(yīng)用于硬脆材料加工的縱扭復(fù)合振動(dòng)加工系統(tǒng)，其特征在于，所述的振動(dòng)加工系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)生裝置、縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置、硬脆工件和加工測(cè)試裝置組成，所述的超聲波發(fā)生裝置主要包括超聲波發(fā)生器、縱向振動(dòng)超聲換能器和超聲波無線傳輸控制系統(tǒng)，通過相互間電信號(hào)邏輯連接形成超聲波能量輸出及能量轉(zhuǎn)換輸出系統(tǒng)；所述的縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置與超聲波發(fā)生裝置驅(qū)動(dòng)連接，主要包括鎖緊結(jié)構(gòu)、前端蓋、后端蓋、壓電陶瓷片、扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)、縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、中空刀具和冷卻系統(tǒng)，其中的前端蓋、壓電陶瓷片、后端蓋、扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)、縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)依次同軸連接為一體并通過鎖緊結(jié)構(gòu)在軸兩端進(jìn)行壓緊鎖定以組裝形成軸向能量傳遞結(jié)構(gòu)，中空刀具安裝在軸向能量傳遞結(jié)構(gòu)的末端，冷卻系統(tǒng)安裝在軸向能量傳遞結(jié)構(gòu)的中心軸處；所述的加工測(cè)試裝置包括加工過程中的硬脆工件加工應(yīng)力檢測(cè)、超聲波發(fā)生裝置中部件電路檢測(cè)和縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置中部件負(fù)載檢測(cè)。

所述的鎖緊結(jié)構(gòu)由預(yù)緊螺栓和固壓螺帽組成，預(yù)緊螺栓與前端蓋、壓電陶瓷片、后端蓋軸套預(yù)緊組裝，固壓螺帽與縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)軸套壓緊連接，同時(shí)后端蓋、扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)、縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)三者通過壓應(yīng)力軸套緊密連接。

所述的壓電陶瓷片個(gè)數(shù)至少為四個(gè)，厚度為4.6-5.6mm。

所述的縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)外部主體為筒狀結(jié)構(gòu)，其外側(cè)表面開設(shè)有縱扭轉(zhuǎn)換槽口，并設(shè)置為矩陣式排列的槽口陣列，同時(shí)各槽口為不規(guī)則傾斜程度的四方體通槽狀；縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)內(nèi)部為軸套定位結(jié)構(gòu)。

所述的冷卻系統(tǒng)主要包括冷卻水入口、冷卻水出口、冷卻水源和中空出水連接管組成，其中冷卻水入口設(shè)置在預(yù)緊螺栓一端的中軸處，冷卻水出口設(shè)置在固壓螺帽一端的中軸處，中部通過中空出水連接管連接冷卻水出、入口。

所述的中空刀具與縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)傳動(dòng)連接，中空刀具為麻花鉆，長度為26-29mm，中空刀具的中部通過固壓螺帽夾緊固定。

所述的扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)活動(dòng)式連接在后端蓋末端，主要由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置與旋轉(zhuǎn)體組成，通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)以提供軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的曲軸扭矩。

使用一種應(yīng)用于硬脆材料加工的縱扭復(fù)合振動(dòng)加工系統(tǒng)進(jìn)行鉆孔的鉆孔方法，其特征在于：所述的鉆孔方法包括以下步驟：

1）對(duì)硬脆材料進(jìn)行加工應(yīng)力的測(cè)試，確定硬脆材料的加工能力范圍；

2）選定中空刀具為長度27mm的鉆孔刀具；

3）選定抗拉強(qiáng)度極限為1200MPa，屈服強(qiáng)度極限為1080MPa性能級(jí)別的預(yù)緊螺栓；

4）通過加工測(cè)試裝置對(duì)超聲波發(fā)生裝置中部件電路、縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置中部件負(fù)載以及扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)作；

5）設(shè)計(jì)縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的槽口陣列中槽口數(shù)目為18個(gè)，在外側(cè)表面布局呈3行6列，并控制鉆孔加工過程中的縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置的縱扭共振頻率為32.34KHz-36.84KHz之間，然后以輸出的縱扭振幅比作為共振檢驗(yàn)結(jié)果，縱扭振幅比在0.6-0.64之間為佳；

6）控制扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)在鉆孔加工過程中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以在共振過程中產(chǎn)生切向力；

7）鉆孔過程中，超聲波發(fā)生器與縱向振動(dòng)超聲換能器輸出超聲波并傳遞驅(qū)動(dòng)縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置以形成縱扭復(fù)合共振鉆孔，在控制范圍的共振頻率與縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的作用下，使共振鉆孔過程中保持鉆孔的穩(wěn)定性，并且保護(hù)振動(dòng)加工系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)以及保證硬脆工件的表面加工質(zhì)量。

使用一種應(yīng)用于硬脆材料加工的縱扭復(fù)合振動(dòng)加工系統(tǒng)進(jìn)行磨削的磨削方法，其特征在于：所述的磨削方法包括以下步驟：

1）結(jié)合硬脆材料硬度及超聲波頻率加工強(qiáng)度對(duì)硬脆材料進(jìn)行加工應(yīng)力的測(cè)試，確定硬脆材料的加工應(yīng)力范圍；

2）選定長度為26mm的錐形磨削刀具；

3）選定抗拉強(qiáng)度極限為1200MPa，屈服強(qiáng)度極限為1080MPa性能級(jí)別的預(yù)緊螺栓；

4）通過加工測(cè)試裝置對(duì)超聲波發(fā)生裝置中部件電路、縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置中部件負(fù)載以及扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)作；

5）設(shè)計(jì)縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的槽口陣列中槽口數(shù)目為15個(gè)，在外側(cè)表面布局呈3行5列，并控制磨削加工過程中的縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置的縱扭共振頻率為34.62KHz，然后以輸出的縱扭振幅比作為共振檢驗(yàn)結(jié)果，縱扭振幅比在0.6-0.64之間為佳；

6）控制扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)在磨削加工過程中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以在共振過程中產(chǎn)生切向力；

7）磨削過程中，超聲波發(fā)生器與縱向振動(dòng)超聲換能器輸出超聲波并傳遞驅(qū)動(dòng)縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置以形成縱扭復(fù)合共振加工，在控制范圍的共振頻率與縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的作用下，使共振加工過程中保持磨削的穩(wěn)定性，并且保護(hù)振動(dòng)加工系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)以及保證硬脆工件的表面加工質(zhì)量。

本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：本發(fā)明通過超聲波以縱扭復(fù)合振動(dòng)加工的方法對(duì)材料進(jìn)行加工可提高硬脆材料的加工質(zhì)量，所采用的縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合加工條件需求，采用的超聲波發(fā)生裝置配合縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置可提供足夠的抗拉強(qiáng)度以及合理的共振頻率，使得硬脆材料在加工過程中材料質(zhì)量得到保護(hù)，并且在完成加工后得到高精度的表面質(zhì)量要求，并且相較于傳統(tǒng)共振模式而言更易于實(shí)現(xiàn)、亦更易于克服阻力、扭矩力過低等問題，也避免了加工變形等情況出現(xiàn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖。

圖2是本發(fā)明的縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置的截面剖視圖。

附圖標(biāo)注說明：1-鎖緊結(jié)構(gòu)，2-前端蓋，3-后端蓋，4-壓電陶瓷片，5-扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)，6-縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，7-中空刀具，8-冷卻系統(tǒng)，11-預(yù)緊螺栓，12-固壓螺帽，61-槽口陣列，81-冷卻水入口，82-冷卻水出口，83-中空出水連接管。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式：

一種應(yīng)用于硬脆材料加工的縱扭復(fù)合振動(dòng)加工系統(tǒng)，所述的振動(dòng)加工系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)生裝置、縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置、硬脆工件和加工測(cè)試裝置組成，所述的超聲波發(fā)生裝置主要包括超聲波發(fā)生器、縱向振動(dòng)超聲換能器和超聲波無線傳輸控制系統(tǒng)，通過相互間電信號(hào)邏輯連接形成超聲波能量輸出及能量轉(zhuǎn)換輸出系統(tǒng)；

所述的縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置與超聲波發(fā)生裝置驅(qū)動(dòng)連接，主要包括鎖緊結(jié)構(gòu)1、前端蓋2、后端蓋3、壓電陶瓷片4、扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)5、縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)6、中空刀具7和冷卻系統(tǒng)8，其中的前端蓋2、壓電陶瓷片4、后端蓋3、扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)5、縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)6依次同軸連接為一體并通過鎖緊結(jié)構(gòu)1在軸兩端進(jìn)行壓緊鎖定以組裝形成軸向能量傳遞結(jié)構(gòu)，中空刀具7安裝在軸向能量傳遞結(jié)構(gòu)的末端，冷卻系統(tǒng)8安裝在軸向能量傳遞結(jié)構(gòu)的中心軸處；所述的鎖緊結(jié)構(gòu)1由預(yù)緊螺栓11和固壓螺帽12組成，預(yù)緊螺栓11與前端蓋2、壓電陶瓷片4、后端蓋3軸套預(yù)緊組裝，固壓螺帽12與縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)6軸套壓緊連接，同時(shí)后端蓋3、扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)5、縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)6三者通過壓應(yīng)力軸套緊密連接，從而連接為整體的軸向能量傳遞結(jié)構(gòu)；所述的壓電陶瓷片4個(gè)數(shù)至少為四個(gè)，厚度為4.6-5.6mm，壓電陶瓷片4的形狀為圓環(huán)片狀，內(nèi)外徑分別為10mm和25mm，相互同軸連接，對(duì)超聲波能量進(jìn)行傳感作用；所述的扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)5活動(dòng)式連接在后端蓋3末端，主要由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置與旋轉(zhuǎn)體組成，通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)以提供軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的曲軸扭矩；所述的縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)6外部主體為筒狀結(jié)構(gòu)，其外側(cè)表面開設(shè)有縱扭轉(zhuǎn)換槽口，并設(shè)置為矩陣式排列的槽口陣列61，同時(shí)各槽口為不規(guī)則傾斜程度的四方體通槽狀；縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)6內(nèi)部為軸套定位結(jié)構(gòu)；一般情況下，采用斜槽式槽口在振動(dòng)傳遞過程中容易增加負(fù)荷使整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，影響加工質(zhì)量，而采用規(guī)則的槽口陣列61時(shí)，由于縱扭振動(dòng)所產(chǎn)生的扭矩力對(duì)規(guī)則結(jié)構(gòu)作用時(shí)也會(huì)產(chǎn)生變形，因此也會(huì)影響工件的加工質(zhì)量，所以本實(shí)施例采用矩陣式排列的槽口陣列61，扭矩力方向分散，從而整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易產(chǎn)生變形，保證了工件加工質(zhì)量；所述的中空刀具7與縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)6傳動(dòng)連接，中空刀具7為麻花鉆，長度為26-29mm，中空刀具7的中部通過固壓螺帽12夾緊固定；所述的冷卻系統(tǒng)8主要包括冷卻水入口81、冷卻水出口82、冷卻水源和中空出水連接管83組成，其中冷卻水入口81設(shè)置在預(yù)緊螺栓11一端的中軸處，冷卻水出口82設(shè)置在固壓螺帽12一端的中軸處，中部通過中空出水連接管83連接冷卻水出、入口；

所述的加工測(cè)試裝置包括加工過程中的硬脆工件加工應(yīng)力檢測(cè)、超聲波發(fā)生裝置中部件電路檢測(cè)和縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置中部件負(fù)載檢測(cè)。

使用一種應(yīng)用于硬脆材料加工的縱扭復(fù)合振動(dòng)加工系統(tǒng)進(jìn)行鉆孔的鉆孔方法，其特征在于：所述的鉆孔方法包括以下步驟：

1）對(duì)硬脆材料進(jìn)行加工應(yīng)力的測(cè)試，確定硬脆材料的加工能力范圍；

2）選定中空刀具7為長度27mm的鉆孔刀具；

3）選定抗拉強(qiáng)度極限為1200MPa，屈服強(qiáng)度極限為1080MPa性能級(jí)別的預(yù)緊螺栓11；

4）通過加工測(cè)試裝置對(duì)超聲波發(fā)生裝置中部件電路、縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置中部件負(fù)載以及扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)5轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)作；

5）設(shè)計(jì)縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)6的槽口陣列61中槽口數(shù)目為18個(gè)，在外側(cè)表面布局呈3行6列，并控制鉆孔加工過程中的縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置的縱扭共振頻率為32.34KHz-36.84KHz之間，然后以輸出的縱扭振幅比作為共振檢驗(yàn)結(jié)果，縱扭振幅比在0.6-0.64之間為佳；

6）控制扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)5在鉆孔加工過程中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以在共振過程中產(chǎn)生切向力；

7）鉆孔過程中，超聲波發(fā)生器與縱向振動(dòng)超聲換能器輸出超聲波并傳遞驅(qū)動(dòng)縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置以形成縱扭復(fù)合共振鉆孔，在控制范圍的共振頻率與縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)6的作用下，使共振鉆孔過程中保持鉆孔的穩(wěn)定性，并且保護(hù)振動(dòng)加工系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)以及保證硬脆工件的表面加工質(zhì)量。

使用一種應(yīng)用于硬脆材料加工的縱扭復(fù)合振動(dòng)加工系統(tǒng)進(jìn)行磨削的磨削方法，其特征在于：所述的磨削方法包括以下步驟：

1）結(jié)合硬脆材料硬度及超聲波頻率加工強(qiáng)度對(duì)硬脆材料進(jìn)行加工應(yīng)力的測(cè)試，確定硬脆材料的加工應(yīng)力范圍；

2）選定長度為26mm的錐形磨削刀具；

3）選定抗拉強(qiáng)度極限為1200MPa，屈服強(qiáng)度極限為1080MPa性能級(jí)別的預(yù)緊螺栓11；

4）通過加工測(cè)試裝置對(duì)超聲波發(fā)生裝置中部件電路、縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置中部件負(fù)載以及扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)5轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)作；

5）設(shè)計(jì)縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)6的槽口陣列61中槽口數(shù)目為15個(gè)，在外側(cè)表面布局呈3行5列，并控制磨削加工過程中的縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置的縱扭共振頻率為34.62KHz，然后以輸出的縱扭振幅比作為共振檢驗(yàn)結(jié)果，縱扭振幅比在0.6-0.64之間為佳；

6）控制扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)5在磨削加工過程中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以在共振過程中產(chǎn)生切向力；

7）磨削過程中，超聲波發(fā)生器與縱向振動(dòng)超聲換能器輸出超聲波并傳遞驅(qū)動(dòng)縱扭復(fù)合振動(dòng)裝置以形成縱扭復(fù)合共振加工，在控制范圍的共振頻率與縱扭復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)6的作用下，使共振加工過程中保持磨削的穩(wěn)定性，并且保護(hù)振動(dòng)加工系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)以及保證硬脆工件的表面加工質(zhì)量。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明的技術(shù)范圍作任何限制，本行業(yè)的技術(shù)人員，在本技術(shù)方案的啟迪下，可以做出一些變形與修改，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上的實(shí)施例所作的任何修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。