專利名稱：超聲波輔助微銑削設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種機(jī)械裝置，即一種超聲波輔助微銑削設(shè)備。
背景技術(shù)：
微銑削屬于微細(xì)加工技術(shù)，其加工精度極高，切削尺寸極其微細(xì)，現(xiàn)零件尺寸已達(dá)毫米級(jí)、特征尺寸達(dá)微米級(jí)、銑刀直徑在0. 5mm以下，被稱之為“介觀尺度”或“微納尺度”， 在復(fù)雜微三維結(jié)構(gòu)的加工中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)?？墒?，現(xiàn)有的微切削設(shè)備還不能適應(yīng)高硬度納米陶瓷材料的微切削要求。例如在加工納米氧化鋯陶瓷材料的時(shí)候，現(xiàn)有設(shè)備的局限性就會(huì)凸顯出來(lái)。納米氧化鋯陶瓷材料是在氧化鋯陶瓷材料的基礎(chǔ)上加入納米粒子而得到的新型醫(yī)用材料，廣泛應(yīng)用于口腔修復(fù)及生物關(guān)節(jié)制造等領(lǐng)域。目前，納米氧化鋯醫(yī)用陶瓷常用熱壓燒結(jié)制造成型，由于燒結(jié)過(guò)程常常帶來(lái)變形和收縮，尺寸精度和形狀精度都難以控制，因此燒結(jié)的坯料還需要進(jìn)行精加工才能制成醫(yī)用陶瓷制品。由于加工零件特征尺寸極小，一般在30-300微米之間，因而需要采用微銑削設(shè)備進(jìn)行加工。現(xiàn)有微切削設(shè)備主要有硅加工設(shè)備和超精密加工設(shè)備。超精密加工設(shè)備龐大、加工成本高。硅加工設(shè)備材料有限、難以加工復(fù)雜3D形狀產(chǎn)品，特別是納米氧化鋯陶瓷材料的強(qiáng)度和硬度極高，而微銑削銑刀的剛性很差，難以滿足切削的需要，導(dǎo)致加工零件尺寸精度、形狀精度以及表面質(zhì)量不能滿足臨床要求。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種適于對(duì)納米陶瓷材料進(jìn)行超聲波輔助微銑削加工， 特別是能夠降低切削難度，提高加工質(zhì)量，滿足醫(yī)用陶瓷材料要求的微銑削加工設(shè)備。上述目的是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的研制一種超聲波輔助微銑削設(shè)備，其特點(diǎn)是 在這種設(shè)備的機(jī)架上設(shè)有裝卡工件的五自由度并聯(lián)平臺(tái)，與這個(gè)并聯(lián)平臺(tái)相對(duì)的安裝有超聲波振動(dòng)加工系統(tǒng)。所說(shuō)的五自由度并聯(lián)平臺(tái)有定平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)，定平臺(tái)固定在機(jī)架的底座上，動(dòng)平臺(tái)與定平臺(tái)相對(duì)，定平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)之間有五個(gè)伸縮桿相支撐，每個(gè)伸縮桿的上端和動(dòng)平臺(tái)通過(guò)浮動(dòng)接頭連接，下端和定平臺(tái)通過(guò)虎克鉸鏈連接。所說(shuō)的伸縮桿套在氣缸之中，汽缸尾端與氣壓驅(qū)動(dòng)裝置相連，在汽缸的前端設(shè)有排氣裝置。所說(shuō)的超聲波振動(dòng)加工系統(tǒng)由微銑削加工裝置和超聲波振動(dòng)輔助裝置構(gòu)成。所說(shuō)的微銑削加工裝置由主軸、上箱體、端蓋、下箱體、前配塊、超聲波換能器、變幅桿和銑刀組成。主軸和電主軸相連接，在電主軸的帶動(dòng)下，主軸在兩個(gè)角接觸球軸承的支撐下帶動(dòng)前配塊、超聲波換能器、變幅桿和銑刀高速旋轉(zhuǎn)。所說(shuō)的上箱體通過(guò)螺栓和下箱體和端蓋相固連。所說(shuō)的前配塊通過(guò)花鍵和主軸相連，前配塊下端依次連接超聲波換能器、變幅桿和銑刀。所說(shuō)的超聲波振動(dòng)輔助裝置由超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、變幅桿、前配塊和后配塊組成。前配塊與滑桿緊配合連接，后配塊固結(jié)在主軸上，其中孔與滑桿間隙配合。所說(shuō)的前配塊與后配塊相距2mm的間隙。所說(shuō)的超聲波發(fā)生器固定在機(jī)架的豎直的立壁上。本實(shí)用新型的有益效果是在切削過(guò)程中超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲頻電震蕩，通過(guò)換能器產(chǎn)生16000Hz以上的超聲頻縱向震動(dòng)。并借助于變幅桿把振幅放大到0. 05-0. Imm, 從而使銑刀做超聲頻振動(dòng)。在銑刀和工件之間注入磨料懸浮液，銑刀迫使磨粒懸浮液中的磨粒以很大的速度和加速度不斷撞擊被加工表面，材料的去除加工是銑刀的銑削加工和超聲波振動(dòng)輔助加工綜合作用的結(jié)果，解決了材料硬度高，切削困難的問(wèn)題。采用五自由度并聯(lián)平臺(tái)和電主軸等裝置，可在計(jì)算機(jī)控制下，可以精確完成復(fù)雜軌跡的納米陶瓷材料的微切削作業(yè)。上述設(shè)備是將傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)應(yīng)用于微制造領(lǐng)域的小型化機(jī)床設(shè)備，本身可以減少熱變形誤差，提高響應(yīng)速度，達(dá)到較高的精度；與現(xiàn)有硅加工設(shè)備和超精密機(jī)床相比，具有價(jià)格便宜、空間利用率高、能源消耗小、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

圖1是這種實(shí)施例的主視圖；圖2是這種實(shí)施例的左視圖；圖3是這種實(shí)施例的動(dòng)平臺(tái)與固定平臺(tái)連接部分的示意圖；圖4是這種實(shí)施例的超聲波振動(dòng)加工系統(tǒng)示意圖；圖5是這種實(shí)施例的加工工件時(shí)工作示意圖。圖中可見(jiàn)機(jī)架1，電主軸2，超聲波換能器3，變幅桿4，銑刀5，動(dòng)平臺(tái)6，浮動(dòng)接頭 7，伸縮桿8，超聲波發(fā)生器9，氣缸10，虎克鉸鏈11，定平臺(tái)12，磨料懸浮液13，工件14，前配塊15，滑桿16，花鍵17，后配塊18，下箱體19，上箱體20，主軸21，角接觸軸承22，端蓋23。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型總的構(gòu)思是在現(xiàn)有小型機(jī)床的基礎(chǔ)上研制一種程序控制微切削設(shè)備， 這種設(shè)備加設(shè)了超聲波振動(dòng)輔助微銑削加工裝置、五自由度并聯(lián)平臺(tái)和電主軸等裝置，通過(guò)銑刀做超聲頻振動(dòng)擊碎工件材料和銑刀銑削加工相結(jié)合，通過(guò)五自由度并聯(lián)平臺(tái)和電主軸以及程序控制系統(tǒng)，滿足各種形狀的醫(yī)用陶瓷材料的微切削要求。
以下結(jié)合附圖介紹一種實(shí)施例。圖1、2所示的是一種微型切削機(jī)床，機(jī)床的機(jī)架1的底座上裝有一個(gè)五自由度并聯(lián)平臺(tái)。并聯(lián)平臺(tái)的上方，機(jī)架1的懸臂上裝有電主軸2，超聲波換能器3，變幅桿4和銑刀 5。工作時(shí)，將工件14固定在動(dòng)平臺(tái)6上，在變幅桿4上安裝微型銑刀，銑刀在電主軸和超聲波換能器的作用下，在銑削加工的同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)超聲波振動(dòng)輔助加工。當(dāng)然，這種加工的要求極高，要求各個(gè)部件都要具有良好的功能。下面分別說(shuō)明幾個(gè)主要部件的結(jié)構(gòu)和性能。結(jié)合圖1、2可見(jiàn)，五自由度并聯(lián)平臺(tái)的定平臺(tái)12固定在機(jī)架1的底座上，動(dòng)平臺(tái) 6與定平臺(tái)12相對(duì)，定平臺(tái)12和動(dòng)平臺(tái)6之間有五個(gè)伸縮桿8相支撐，每個(gè)伸縮桿的上端和動(dòng)平臺(tái)通過(guò)浮動(dòng)接頭7連接，下端和定平臺(tái)通過(guò)虎克鉸鏈11連接。結(jié)合圖3可見(jiàn)，這種伸縮桿8套在汽缸10之中，汽缸10采用雙作用汽缸，其尾端與氣壓驅(qū)動(dòng)裝置相連，可在計(jì)算機(jī)控制下向缸內(nèi)輸送壓力氣體，在汽缸10的前端設(shè)有排氣裝置，因此這種伸縮桿8能夠自由的擺動(dòng)，帶動(dòng)上面的動(dòng)平臺(tái)6做平移、升降、繞三維坐標(biāo)軸擺轉(zhuǎn)以及各種復(fù)合運(yùn)動(dòng)，近而帶動(dòng)工件實(shí)現(xiàn)五自由度復(fù)雜曲面的微銑削加工。和傳統(tǒng)的串聯(lián)平臺(tái)相比，這種定平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)臺(tái)面相對(duì)的平臺(tái)屬于并聯(lián)平臺(tái)。顯然，這種并聯(lián)平臺(tái)有如下優(yōu)點(diǎn)①平臺(tái)執(zhí)行構(gòu)件的誤差不再是簡(jiǎn)單的線性累加，動(dòng)平臺(tái)更容易獲得較高的精度；②平臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)靈活，很容易實(shí)現(xiàn)多自由度聯(lián)動(dòng)，從而更易于實(shí)現(xiàn)空間曲面的加工；③平臺(tái)軌跡規(guī)劃簡(jiǎn)單，易于控制；④平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件總數(shù)較少，成本容易控制；⑤平臺(tái)中的主要變形構(gòu)件以承受拉壓力為主，而且由于閉環(huán)力流封閉，使機(jī)床具有較高的剛度重量比；⑥平臺(tái)移動(dòng)部件質(zhì)量小，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好，更適于高速加工； ⑦平臺(tái)的模塊化程度高，易于重構(gòu)；⑧平臺(tái)硬件簡(jiǎn)單，軟件復(fù)雜，具有更高的技術(shù)附加值。為了獲得更高的切削性能，本設(shè)備采用電主軸2直接和主軸21相連，由圖4可見(jiàn)， 主軸21在兩個(gè)角接觸球軸承22的支撐下通過(guò)花鍵17帶動(dòng)前配塊15、超聲波換能器3、變幅桿4和銑刀5高速旋轉(zhuǎn)。結(jié)合圖4、5可見(jiàn)，在主軸21的帶動(dòng)下，前配塊15帶動(dòng)銑刀5做銑削旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在超聲波發(fā)生器9的控制下，通過(guò)超聲波換能器3、變幅桿4使銑刀5同時(shí)做上下振動(dòng)使磨料懸浮液13中的磨粒撞擊被加工工件14的表面，銑刀5通過(guò)這兩種復(fù)合加工方式完成對(duì)工件14的微切削加工。采用上述技術(shù)方案的超聲波輔助微銑削設(shè)備，把超聲波振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合到傳統(tǒng)的銑削機(jī)床中，在超聲波振動(dòng)系統(tǒng)的變幅桿上安裝傳統(tǒng)的銑削工具，使銑刀既在電主軸的帶動(dòng)下做銑削旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又在超聲波發(fā)生器的作用下做上下振動(dòng)，在這兩種復(fù)合加工方式下完成對(duì)工件的微切削加工。本實(shí)用新型為陶瓷的微細(xì)銑削提供了加工裝備，既降低了切削難度，提高了加工速度，延長(zhǎng)刀具壽命，降低了加工成本，又改善了加工質(zhì)量，保證了產(chǎn)品的性能。
權(quán)利要求1.一種超聲波輔助微銑削設(shè)備，其特征在于在這種設(shè)備的機(jī)架(1)上設(shè)有裝卡工件的五自由度并聯(lián)平臺(tái)，與這個(gè)并聯(lián)平臺(tái)相對(duì)的安裝有超聲波振動(dòng)加工系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波輔助微銑削設(shè)備，其特征在于所說(shuō)的五自由度并聯(lián)平臺(tái)有定平臺(tái)(12)和動(dòng)平臺(tái)㈩)，定平臺(tái)(12)固定在機(jī)架(1)的底座上，動(dòng)平臺(tái)(6)與定平臺(tái)(12)相對(duì)，定平臺(tái)(12)和動(dòng)平臺(tái)(6)之間有五個(gè)伸縮桿⑶相支撐，每個(gè)伸縮桿⑶ 的上端和動(dòng)平臺(tái)(6)通過(guò)浮動(dòng)接頭(7)連接，下端和定平臺(tái)(1 通過(guò)虎克鉸鏈(11)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波輔助微銑削設(shè)備，其特征在于所說(shuō)的伸縮桿(8)套在氣缸(10)之中，汽缸尾端與氣壓驅(qū)動(dòng)裝置相連，在汽缸的前端設(shè)有排氣裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波輔助微銑削設(shè)備，其特征在于所說(shuō)的超聲波振動(dòng)加工系統(tǒng)由微銑削加工裝置和超聲波振動(dòng)輔助裝置構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲波輔助微銑削設(shè)備，其特征在于所說(shuō)的微銑削加工裝置由主軸(21)、上箱體(20)、端蓋(23)、下箱體(19)、前配塊(15)、超聲波換能器(3)、變幅桿(4)和銑刀( 組成，主軸和電主軸( 相連接，在電主軸的帶動(dòng)下，主軸在兩個(gè)角接觸球軸承0 的支撐下帶動(dòng)前配塊(15)、超聲波換能器(3)、變幅桿(4)和銑刀(5)高速旋轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲波輔助微銑削設(shè)備，其特征在于所說(shuō)的超聲波振動(dòng)輔助裝置由超聲波發(fā)生器(9)、超聲波換能器(3)、變幅桿0)、前配塊(1 和后配塊(18)組成；前配塊(1 與滑桿(16)緊配合連接，后配塊(18)固結(jié)在主軸上，后配塊(18)與滑桿(16)間隙配合。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種納米陶瓷材料加工機(jī)械，即一種超聲波輔助微銑削設(shè)備。其特點(diǎn)是其設(shè)備的機(jī)架(1)上設(shè)有裝卡工件的五自由度并聯(lián)平臺(tái)，并裝有與并聯(lián)平臺(tái)相對(duì)的超聲波振動(dòng)加工系統(tǒng)。其有益效果是銑刀(5)既在電主軸(2)的帶動(dòng)下做銑削旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又在超聲波發(fā)生器(9)的作用下做上下振動(dòng)，在這兩種復(fù)合加工方式下完成對(duì)工件的微切削加工，解決了陶瓷材料硬度高，切削困難的問(wèn)題。采用五自由度并聯(lián)平臺(tái)和電主軸等裝置，可在計(jì)算機(jī)控制下，完成納米陶瓷材料的微切削作業(yè)。采用小型化機(jī)床系統(tǒng)，空間利用率高、能源消耗小，大大降低了生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)B28D1/18GK202088310SQ20112012119
公開(kāi)日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月15日
發(fā)明者丁玉成, 李晶堯, 李長(zhǎng)河 申請(qǐng)人:青島理工大學(xué)