電泳輔助超聲機械復合微細鉆削加工裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型是一種電泳輔助超聲機械復合微細鉆削加工裝置。包括立式滑塊、微細超聲主軸、微細超聲主軸電源發(fā)生器及控制面板、電泳輔助電源、微細超聲平臺電源發(fā)生器及控制面板、微三維運動平臺、微細超聲工作平臺、鉆頭、電泳輔助電極。本實用新型在超聲振動輔助微鉆削加工過程中加入具有超微磨粒的溶液，通過電泳圓形輔助電極，在微鉆頭上加上輔助電壓，使兩者之間產生輔助電場，驅動微細磨粒運動或吸附到微鉆頭上，通過調節(jié)電壓的大小，間接調節(jié)磨粒在鉆頭上的結合力，使磨粒對工件起到磨削作用，同時固結的磨粒還對鉆頭起保護作用，減少刀具磨損，且磨粒在超聲振動的驅動下對工件進行沖擊，提高材料去除效率,提高鉆削加工效率。
【專利說明】電泳輔助超聲機械復合微細鉆削加工裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型是一種電泳輔助超聲機械復合微細鉆削加工裝置，特別是一種涉及金屬或非金屬難加工材料的微鉆削加工裝置，屬于微細結構復合加工【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著工業(yè)生產的發(fā)展，因微小零件的性能的優(yōu)越性，現代工業(yè)產品不斷向輕、薄、短、小方向發(fā)展，其組成零件也越來越趨于小型化和精密化，微結構在設備中的應用日趨廣泛，同樣的出現了越來越多帶有微小孔的零件。據統計，孔的加工約占機械加工總量的1/3，占機械加工總時間的1/4。
[0003]在孔加工中尤其以微小孔的加工最為困難，而各種微孔在具有高強度、耐高溫、耐腐蝕的難加工材料中的應用卻越來越廣泛，但這些材料的切削加工性卻很差，如鈦合金、硬質合金、碳纖維復合材料、鎳基高溫合金、內燃機燃料噴嘴、化纖細絲噴嘴等。微小孔的長徑比普遍較大，導致它們的鉆削更困難，主要是因為鉆削力大、鉆削溫度高、鉆頭磨損嚴重、鉆頭使用壽命短等原因。
[0004]而在微小孔加工中，對鉆頭的要求極高，不僅要有較好的剛度和強度，同時對使用壽命也有較高要求，國內外學者雖有研制高性能、長壽命的涂層鉆頭，但成本高，對鉆床的精度要求高，一旦發(fā)生斷裂還可能會導致工件報廢。這也是國內很多企業(yè)在難加工材料鉆孔中不輕易使用硬質合金等鉆頭的原因。
[0005]在難加工材料的 微孔鉆削加工中超聲振動輔助鉆削(UVAD)，又稱超聲振動鉆削，是微小孔加工的有效方法，被工業(yè)界廣泛使用，該方法是建立在振動理論和切削理論等基礎上的新穎的鉆削加工方法，屬于振動切削的一個分支。超聲振動鉆削改變了傳統鉆削的切削機理，在小孔和深孔加工方面，具有不可替代的優(yōu)勢。大量的理論和試驗表明超聲振動鉆削的斷屑排屑效果、加工質量、刀具壽命等都有較大的改善和提高。
[0006]機械鉆削無法加工比刀具還硬的材料，且容屑空間小，特別是加工深孔時，切屑難于排出，從而導致鉆頭的損壞，為了獲得一定的切削速度，需要采用很高的轉速，一般要求在10 000^150 000 r/min左右，并且要求主軸的回轉誤差很小(〈I μ m)，這樣的設備成本昂貴，且普通機械鉆削無法避免產生毛刺。
[0007]電火花加工微孔由于放電間隙以及電極的損耗，孔的圓度和孔徑精度都較差，且排屑困難；激光打孔的幾何精度和形位精度都不高，且成本較高。普通鉆削鉆頭易在工件上打滑、燒損；而在超聲振動鉆削加工中，缺點是加工溫度高，工具磨損嚴重，復雜工況下加工不穩(wěn)定，加工效率較慢。
[0008]微孔加工中，由于受微孔尺寸的限制，很難用鉸、珩、研等精整工藝來提高加工質量，一般都是一次鉆成，這就給鉆孔技術提出了極高的要求。

【發(fā)明內容】

[0009]本實用新型的目的在于提出一種電泳輔助超聲機械復合微細鉆削加工裝置。本實用新型采用電泳輔助超聲機械復合微鉆削對微小孔進行加工，利用超微磨粒的電泳特性，輔助超聲振動微鉆削，提高加工效率，提高磨料的利用率及提高微孔內表面的加工質量。
[0010]本實用新型的技術方案是:本實用新型的電泳輔助超聲機械復合微細鉆削加工裝置，包括有立式滑塊、微細超聲主軸、微細超聲主軸電源發(fā)生器及控制面板、電泳輔助電源、微細超聲平臺電源發(fā)生器及控制面板、運動控制系統、微三維運動平臺、微細超聲工作平臺、鉆頭、超微磨粒、電泳輔助電極、工作液槽，鉆頭通過夾具安裝在可旋轉的微細超聲主軸上，微細超聲主軸通過夾具使鉆頭與微細超聲主軸緊密相連，微細超聲主軸安裝在立式滑臺上，立式滑臺能夠驅動微細超聲主軸上下運動以便于加工時進行粗對刀，微細超聲工作平臺安裝在工作液槽中，工件裝設在微細超聲工作平臺上，且浸沒于工作液槽的磨料工作液中，鉆頭的加工部分也同樣浸沒于工作液槽的磨料工作液中，工作液槽安裝于微三維運動平臺上，運動控制系統控制微三維運動平臺在X、Y、Z軸三個方向運動，且微細超聲平臺電源發(fā)生器及控制面板與微細超聲工作平臺連接，微細超聲主軸與微細超聲主軸電源發(fā)生器及控制面板連接，電泳輔助電源的陽極與鉆頭連接，電泳輔助電源的陰極與電泳輔助電極連接，電泳輔助電極通過電泳輔助夾具固定在工作液槽上，在鉆頭與電泳輔助電極之間形成輔助電場，使工作液中的超微磨粒在電場力的作用下吸附到鉆頭附近或直接附著在鉆頭的刀刃上。
[0011]目前對微小孔的加工主要采用的是機械鉆削加工、電火花加工、電解加工、超聲加工、電子束/離子束加工、激光加工及復合加工等加工方法。其中超聲振動輔助鉆削技術，是近代出現的一種先進加工技術，鉆孔過程中通過超聲振動裝置使鉆頭與工件之間產生可控制的相對運動。這種運動能從根本上改變鉆頭的切削機理，使鉆頭的振動發(fā)生質的變化，由非周期性的自由振動變成在周期性激勵下的有規(guī)律的強迫振動，抑制了鉆頭的無規(guī)律振動，改善切削力。
[0012]超聲振動鉆削加工及電泳輔助超聲機械復合微鉆削加工兩者都是復合加工工藝，超聲振動鉆削加工是使鉆頭相對于被加工表面運動，而電泳輔助超聲機械復合微鉆削加工，是利用超聲振動的鉆頭在溶液中與輔助圓形電極形成輔助電場，根據微細磨粒的電泳特性，使磨粒吸附到鉆頭上，通過調節(jié)電壓間接調節(jié)磨粒在鉆頭上的結合力，利用高頻振動的超聲振子和具有結合力的超微磨料，不僅具有傳統超聲振動鉆削加工的相關機理，由于附著在刀刃處的磨粒對工件還起到磨削作用，對被加工零件表面進行微位移往復運動，改善了鉆削性能，提高鉆削加工效率及實現難加工材料的微孔加工。
[0013]本實用新型與現有的技術相比，具有如下優(yōu)點:
[0014]I)本實用新型超聲振動的鉆頭或者工件，由于超聲振動的原因，在很小的位移上產生很大的加速度，在局部產生很大的能量，同時對工件作沖擊作用，輔助微鉆削加工，改善去除材料的效果。
[0015]2)本實用新型微鉆頭與電泳輔助電極之間施加可調直流電壓，形成輔助電場，對超微磨粒產生電場力的牽引作用，能夠是超微磨粒運動并吸附到鉆頭或工件附近，由于超聲振動效果，使磨粒沖擊工件，提高加工效率，加工質量及表面粗糙度。
[0016]3)本實用新型通過調節(jié)電壓的大小，使磨粒在附著在鉆頭刀刃上，由于電泳效應，磨粒與鉆頭間存在結合力，加工時還可以對工件起到磨削作用。
[0017]4)本實用新型在加工時進行電泳輔助驅動磨料運動至鉆頭附近或附著在鉆頭刀刃處，對工件有磨削作用，改善切削特性，彌補現有技術的不足，實現硬脆性材料平面微結構以及三維微結構的加工；
[0018]5)本實用新型在加工溶液中添加超微磨粒，超聲振動驅動下沖擊工件，提高加工效率；
[0019]6)本實用新型能夠對非金屬難加工材料平面微結構及復雜三維結構進行鉆削加工；
[0020]本實用新型是一種可以利用電泳與超聲振動輔助微鉆削，對被加工工件進行平面復雜微鉆削加工，改善切削性能，減少切削力，降低加工表面的粗糙度，減少殘余應力，提高鉆削加工的效率及實現對難加工材料微孔的加工的電泳輔助超聲機械復合微細鉆削加工
裝直。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本實用新型利用超聲主軸振動加工時的結構示意圖；
[0022]圖2為圖1中A處的局部放大圖；
[0023]圖3為本實用新型利用超聲工作平臺的振動加工時的結構示意圖；
[0024]圖4為圖3中B處的局部放大圖。
【具體實施方式】
[0025]實施例:
[0026]本實用新型的結構示意圖如圖1、2、3、4所示，本實用新型電泳輔助超聲機械復合微細鉆削加工裝置，包括有立式滑塊1、微細超聲主軸2、微細超聲主軸電源發(fā)生器及控制面板3、電泳輔助電源4、微細超聲平臺電源發(fā)生器及控制面板5、運動控制系統6、微三維運動平臺7、微細超聲工作平臺8、鉆頭10、超微磨粒12、電泳輔助電極13、工作液槽14，鉆頭10通過夾具安裝在可旋轉的微細超聲主軸2上，微細超聲主軸2通過專用夾具使鉆頭10與微細超聲主軸2緊密相連，微細超聲主軸2安裝在立式滑臺I上，立式滑臺I能夠驅動微細超聲主軸2上下運動以便于加工時進行粗對刀，微細超聲工作平臺8安裝在工作液槽14中，工件9裝設在微細超聲工作平臺8上，且浸沒于工作液槽14的磨料工作液中，鉆頭10的加工部分也同樣浸沒于工作液槽14的磨料工作液中，否則無法通過電泳特性吸附磨粒，工作液槽14安裝于微三維運動平臺7上，運動控制系統6控制微三維運動平臺7在Χ、Υ、Ζ軸三個方向運動，微三維平臺7的最小分辨率為0.1微米，且微細超聲平臺電源發(fā)生器及控制面板5與微細超聲工作平臺8連接，微細超聲主軸2與微細超聲主軸電源發(fā)生器及控制面板3連接，電泳輔助電源4的陽極與鉆頭10連接，電泳輔助電源4的陰極與電泳輔助電極13連接，電泳輔助電極13通過電泳輔助夾具11固定在工作液槽14上，在鉆頭10與電泳輔助電極13之間形成輔助電場，使工作液中的超微磨粒12在電場力的作用下吸附到鉆頭10附近或直接附著在鉆頭10的刀刃上，提高加工區(qū)域磨料的濃度。上述微三維平臺的最小分辨率為0.1微米。圖中所示的超微磨粒12懸浮于工作液中，平均粒徑小于I微米。超微磨粒(12)本身并不帶電。由于其表面能相對較大，能夠將溶液中的負電荷吸附到磨粒表面，這就使整個磨粒表現出負電特性。超微磨粒12的平均粒徑越小，其電泳特性越明顯。電泳與超聲振動輔助微鉆削加工是根據超微磨粒的電泳特性，通過輔助電場驅動較大磨粒運動并吸附到鉆頭附近，一方面通過超聲振動使磨粒對工件產生沖擊作用，另一方面電泳效應可以使較細磨粒吸附并附著在刀刃處，由于較細磨粒的附著具有一定的結合力，不僅對工件起到磨削作用，還可以起到保護刀刃的作用，減小刀具磨損，提高加工效率、加工質量及鉆頭的使用壽命；本實用新型的新型加工系統中主軸和加工平臺都可通過超聲波發(fā)生器而達到超聲振動的效果，微鉆頭在超聲振動的周期性強制規(guī)律振動中可以起到抑制無規(guī)律顫動效果，改善加工特性，減小切削力。同時由于電泳特性和超聲振動影響，可使加工中對溶液進行擾動，從而使溶液中的超微磨粒相對于被加工表面運動，達到磨粒自我更新的目的。
[0027]上述微細超聲主軸2及微細超聲工作平臺8分別可以在微細超聲主軸電源發(fā)生器及控制面板3和微細超聲平臺電源發(fā)生器及控制面板5的控制下帶動鉆頭10和工件9產生超聲振動，可同時產生超聲振動也可以獨立產生超聲振動。
[0028]本實施例中，上述鉆頭10為普通微細加工所用微鉆頭，可在沒有超聲振動的情況下，進行普通機械微鉆削加工。上述電泳輔助電源4為可調直流電源。上述工件9為金屬或非金屬難加工材料。
[0029]為便于安裝，上述電泳輔助電極13通過電泳輔助夾具11固定在工作液槽14上，通過調整電泳輔助夾具11的位置使電泳輔助電極13把鉆頭10環(huán)繞在其中。上述工作液槽14通過輔助夾具15安裝于微三維運動平臺7上。
[0030]本實用新型的工作原理是:如圖1、2、3、4所示，電泳輔助超聲機械復合微細鉆削加工裝置加工時，微細超聲主軸2在立式滑塊I的帶動下可以上下運動，微細超聲主軸2下面對應著工作液槽14及超聲工作平臺8，超聲工作平臺8固定在工作液槽14內，工件9固定在超聲工作平臺上，浸沒于工作液中，鉆頭10加工時也必須浸沒于工作液中，否者無法起到電泳效應的輔助效果，整個工作臺通過輔助夾具15固定在微三維運動平臺7上，加工過程中，先由微三維運動平臺7和立式滑塊I負責進給和對刀，打開電泳輔助電源4，控制超微磨粒12開始向鉆頭附近運動，開始加工時，打開超聲電源發(fā)生器，微細超聲主軸2及微細超聲平臺8分別可以在微細超聲主軸電源發(fā)生器及控制面板3和微細超聲平臺電源發(fā)生器及控制面板5的控制下帶動鉆頭10和工件9產生超聲振動，可同時產生超聲振動也可以獨立產生超聲振動，進而進行電泳輔助超聲機械復合微細鉆削加工。
[0031]電泳輔助超聲機械復合微細鉆削加工，主要是根據超微磨粒的電泳特性，通過輔助電場驅動磨粒運動并吸附到鉆頭附近，一方面通過超聲振動使磨粒對工件產生沖擊作用，另一方面電泳效應可以使較細磨粒吸附并附著在刀刃處，由于較細磨粒的附著具有一定的結合力，不僅對工件起到磨削作用，還可以起到保護刀刃的作用，減小刀具磨損，提高加工效率、加工質量及鉆頭的使用壽命；同時由于電泳特性和超聲振動影響，可使加工中對溶液進行擾動，從而使溶液中的超微磨粒相對于被加工表面運動，達到磨粒自我更新的目的。這樣就可以利用電泳與超聲振動輔助微銑削，對被加工工件進行平面復雜微銑削或者三維曲面微銑削加工，改善切削性能，減少切削力，降低加工表面的粗糙度，減少殘余應力，提高銑削加工的效率及實現對難加工材料的加工。
【權利要求】
1.一種電泳輔助超聲機械復合微細鉆削加工裝置，其特征在于包括有立式滑塊(I)、微細超聲主軸(2)、微細超聲主軸電源發(fā)生器及控制面板(3)、電泳輔助電源(4)、微細超聲平臺電源發(fā)生器及控制面板(5)、運動控制系統(6)、微三維運動平臺(7)、微細超聲工作平臺(8)、鉆頭(10)、超微磨粒(12)、電泳輔助電極(13)、工作液槽(14)，鉆頭(10)通過夾具安裝在可旋轉的微細超聲主軸(2)上，微細超聲主軸(2)通過夾具使鉆頭(10)與微細超聲主軸(2)緊密相連，微細超聲主軸(2)安裝在立式滑臺(I)上，立式滑臺(I)能夠驅動微細超聲主軸(2)上下運動以便于加工時進行粗對刀，微細超聲工作平臺(8)安裝在工作液槽(14)中，工件(9)裝設在微細超聲工作平臺(8)上，且浸沒于工作液槽(14)的磨料工作液中，鉆頭(10)的加工部分也同樣浸沒于工作液槽(14)的磨料工作液中，工作液槽(14)安裝于微三維運動平臺(7)上，運動控制系統(6)控制微三維運動平臺(7)在X、Y、Z軸三個方向運動，且微細超聲平臺電源發(fā)生器及控制面板(5)與微細超聲工作平臺(8)連接，微細超聲主軸(2 )與微細超聲主軸電源發(fā)生器及控制面板(3 )連接，電泳輔助電源(4 )的陽極與鉆頭(10)連接，電泳輔助電源(4)的陰極與電泳輔助電極(13)連接，電泳輔助電極(13)通過電泳輔助夾具(11)固定在工作液槽(14)上，在鉆頭(10)與電泳輔助電極(13)之間形成輔助電場，使工作液中的超微磨粒(12)在電場力的作用下吸附到鉆頭(10)附近或直接附著在鉆頭(10)的刀刃上。
2.根據權利要求1所述的電泳輔助超聲機械復合微細鉆削加工裝置，其特征在于上述微細超聲主軸(2)及微細超聲工作平臺(8)分別可以在微細超聲主軸電源發(fā)生器及控制面板(3)和微細超聲平臺電源發(fā)生器及控制面板(5)的控制下帶動鉆頭(10)和工件(9)產生超聲振動，鉆頭(10)和工件(9)能同時產生超聲振動，或獨立產生超聲振動。
3.根據權利要求1所述的電泳輔助超聲機械復合微細鉆削加工裝置，其特征在于上述鉆頭(10)為普通微細加工所用微鉆頭。
4.根據權利要求1所述的電泳輔助超聲機械復合微細鉆削加工裝置，其特征在于上述電泳輔助電源(4)為可調直流電源。
5.根據權利要求1所述的電泳輔助超聲機械復合微細鉆削加工裝置，其特征在于上述工件(9)為金屬或非金屬難加工材料。
6.根據權利要求1至5任一項所述的電泳輔助超聲機械復合微細鉆削加工裝置，其特征在于上述電泳輔助電極(13)通過電泳輔助夾具(11)固定在工作液槽(14)上，通過調整電泳輔助夾具(11)的位置使電泳輔助電極(13)把鉆頭(10)環(huán)繞在其中。
7.根據權利要求6所述的電泳輔助超聲機械復合微細鉆削加工裝置，其特征在于上述工作液槽(14)通過輔助夾具(15)安裝于微三維運動平臺(7)上。
8.根據權利要求7所述的電泳輔助超聲機械復合微細鉆削加工裝置，其特征在于上述微三維平臺(7)的最小分辨率都為0.1微米。
【文檔編號】B23B41/14GK203738066SQ201420163287
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月4日 優(yōu)先權日:2014年4月4日
【發(fā)明者】曲興旺, 郭鐘寧, 何俊峰, 連海山 申請人:廣東工業(yè)大學