一種二維超聲振動拋光加工裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于機(jī)械制造技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]拋光作為超精密加工的最后一道工序，效率和精度這對矛盾的命題一直制約著拋光加工的發(fā)展，而橢圓振動拋光則很好的兼顧了這兩個矛盾的命題。自二十世紀(jì)六十年代隈部淳一郎創(chuàng)造性地將振動切削系統(tǒng)性應(yīng)用與機(jī)械加工以來，振動輔助加工越來越受到切削加工研究者的青睞。從一維振動到二維振動輔助拋光，旨在提高效率和加工質(zhì)量，超聲拋光應(yīng)用也越來越廣泛。
[0003]已有應(yīng)用于拋光的超聲加工，大多為輔助拋光手段，往往與旋轉(zhuǎn)加工或特種加工相結(jié)合應(yīng)用，諸如公開號為CN102172852A的文獻(xiàn)公開了一種超聲磁流變復(fù)合拋光技術(shù)，一維超聲振動旨在改善磁流變拋光效果并提高效率，公開號為CN103817563A的文獻(xiàn)公開了一種適用于磨削和拋光的超聲振動輔助方法，旨在改善加工效果及微結(jié)構(gòu)表面尖銳處破壞問題，公開號為CN203636513U的文獻(xiàn)公開了一種超聲輔助化學(xué)拋光，將一維超聲振動應(yīng)用于化學(xué)拋光，改善研拋條件，等等。這些應(yīng)用主要將超聲作為一種輔助手段，旨在改善效果，且由于工具主運(yùn)動往往是高速回轉(zhuǎn)的，具有拋光力不穩(wěn)定性。
[0004]公開號為CN104476378A的文獻(xiàn)公開了一種單激勵超聲橢圓振動拋光裝置，拋光頭縱彎復(fù)合振動與工件的往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)拋光，運(yùn)動方式比較單一，能加工的面型受限；
[0005]公開號為CN1616568A的文獻(xiàn)公開了一種二維流體振動拋光裝置及方法，主要特點(diǎn)是成本低，但拋光為不確定去除，僅適應(yīng)于平面光整，無法應(yīng)用于確定性拋光。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種二維超聲振動拋光加工裝置及方法，以解決拋光為不確定去除，拋光力不穩(wěn)定，加工面型受限的問題。
[0007]本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:二維超聲振動拋光工具通過螺釘緊固到機(jī)床z軸上，工件夾具通過螺釘固定到機(jī)床X軸上，機(jī)床X軸、機(jī)床y軸、機(jī)床z軸與機(jī)床主體通過調(diào)試后固定連接；
[0008]本發(fā)明所述二維超聲振動拋光工具的結(jié)構(gòu)是:兩個振子固定法蘭座與振子固定法蘭蓋分別與X向超聲振子和y向超聲振子通過螺紋連接，兩個振子固定法蘭座垂直布置在工具系統(tǒng)支承座上且通過螺釘連接，從而將X向超聲振子和y向超聲振子垂直定位在同一平面內(nèi)，X向超聲振子和y向超聲振子分別通過雙頭螺柱連接到鉸鏈接頭上，工具桿與拋光頭粘接后安裝在鉸鏈接頭的定位孔上，并通過工具抱緊螺釘夾緊。
[0009]所述X向超聲振子和y向超聲振子結(jié)構(gòu)相同，均為階梯型，振子聯(lián)接法蘭分別在X向超聲振子和y向超聲振子的振動節(jié)點(diǎn)位置，且兩法蘭直徑和厚度相同，裝配時法蘭蓋從里側(cè)向外壓緊。
[0010]所述工具系統(tǒng)支承座通過螺紋固定有加強(qiáng)筋。[0011 ]所述雙頭螺柱兩端均為右螺旋螺紋，使連接更穩(wěn)定。
[0012]所述鉸鏈接頭由兩個垂直并聯(lián)的柔性鉸鏈、兩個雙頭螺柱連接孔、工具桿安裝孔、工具桿夾緊孔組成。
[0013]—種二維超聲振動拋光方法，包括下列步驟:
[0014]一、將工件固定在工件夾具上，工件夾具隨著機(jī)床X軸和機(jī)床y軸運(yùn)動，二維超聲振動拋光工具提供拋光頭的拋光主運(yùn)動，通過機(jī)床z軸進(jìn)給，拋光頭與工件接觸；
[0015]二、智能數(shù)控超聲發(fā)生器激勵X向超聲振子和y向超聲振子同一平面內(nèi)相互垂直的縱向振動，發(fā)生器為雙路輸出，發(fā)出超聲信號頻率為f 1、f 2，也分別為拋光頭X向和y向振動頻率，相位差為θ; X向超聲振子和y向超聲振子分別在X向和y向的縱向振動在工具桿處親合二維振動，形成拋光頭在拋光加工切平面內(nèi)瞬時隨機(jī)運(yùn)動軌跡，運(yùn)動公式為:
[0016]x = a sin(2jrfit)
[0017]y = b sin(2jrf2t+0)
[0018]其中X為拋光頭X方向位移函數(shù)，y為拋光頭y向位移函數(shù)，a、b為實(shí)驗(yàn)標(biāo)定所得拋光頭X向、y向振幅，t為時間變量，Ji為圓周率常數(shù)；
[0019]三、當(dāng)拋光頭在X向、y向具有同一振幅和頻率、相位差為Ji/2時，拋光頭的運(yùn)動速度公式如下:
[0020]x = a sin(2jrft) ,y = a cos(2jrft) ,vx=2JTfa cos(2jrft) ,vy = -2JTfa sin(2jrft),[0021 ] I V I =2irfa,
[0022]其中，aS拋光頭X向和y向振幅，f為拋光頭振動頻率，t為時間變量，X，y為拋光頭x、y向位移，Vx、Vy為對應(yīng)速度，I V I為拋光頭合速度，此時拋光頭線速度大小為與時間無關(guān)的常數(shù)，則單位時間dt拋光去除深度△ δ為:
[0023]Δ 5 = kpvdt，其中k為Preston系數(shù)，V為拋光頭與工件相對速度，P為拋光正壓力，t為拋光時間，因f單位為kHz，故振動合成拋光頭線速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通過機(jī)床運(yùn)動所致線速度，貝1Jv為拋光頭振動合成線速度值I V I，則Δ 5 = kpvdt = kp | v | dt = 2kpJifadt，去除深度δ為:δ =Δ δ.t = 2kpjrfat，
[0024]四、精拋，當(dāng)拋光頭振動頻率比為0.909，振幅相同，相位差為JT/2時，即:f i/f 2 =
0.909，a = b，Θ =jt/2o
[0025]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:提供拋光加工切平面內(nèi)的橢圓振動，由X向超聲振子和y向超聲振子的振動信號，在鉸鏈接頭處耦合二維振動，輸出到拋光拋光頭上，使得拋光拋光頭在加工區(qū)域獲得理想的瞬時隨機(jī)運(yùn)動軌跡，振動合成的運(yùn)動為拋光主運(yùn)動，能夠在拋光頭不轉(zhuǎn)的前提下控制拋光力穩(wěn)定，拋光頭仿形能力強(qiáng)，能夠加工各種復(fù)雜曲面，為確定性拋光，實(shí)現(xiàn)拋光材料的穩(wěn)定均勻去除，僅需控制拋光力即可實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)拋光。
[0026]本發(fā)明提供的二維超聲振動拋光，在接觸區(qū)域拋光頭的瞬時軌跡隨機(jī)，使得待去除表面各向異性更突出，能夠獲得更加平整的表面；
[0027]本發(fā)明提供的二維超聲振動拋光，比一維振動功率大得多，加工效率會提高;且當(dāng)X向超聲振子和y向超聲振子具有同一振幅和頻率、相位差為90度時，線速度大小是與頻率和振幅成正比而與時間無關(guān)的函數(shù)，據(jù)Preston經(jīng)驗(yàn)方程，單位時間去除深度與線速度成正比，振動頻率高達(dá)幾十KHz，數(shù)量級上比普通拋光要高得多，去除效率顯著提高;相比單向振動線速度為正弦曲線，而二維振動線速度是固定值時刻保持在峰值，保證最大量去除。
[0028]X向超聲振子和y向超聲振子后蓋板長度不同，使得各自變幅桿節(jié)點(diǎn)位置至鉸鏈接頭的長度相同，且該復(fù)合階梯型變幅桿能穩(wěn)定輸出較大的振幅。
[0029]鉸鏈接頭具有垂直并聯(lián)的柔性鉸鏈，具有放大振幅及實(shí)現(xiàn)鉸鏈接頭在X向振動和y向振動下的彎曲變形，從而將兩個垂直的縱向振動合成為工具桿在切平面內(nèi)的二維振動。
【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031 ]圖2是本發(fā)明二維超聲振動拋光工具的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖3是本發(fā)明二維超聲振動拋光工具安裝位結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖4是本發(fā)明超聲振子結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖5是本發(fā)明雙頭螺柱結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖6是本發(fā)明鉸鏈接頭示意圖；
[0036]圖7是本發(fā)明拋光頭瞬時運(yùn)動軌跡圖；
[0037]其中:1、機(jī)床主體，2、二維超聲振動拋光工具，3、工件夾具，4、機(jī)床X軸，5、機(jī)床y軸，6、機(jī)床z軸，201、x向超聲振子，202、振子固定法蘭座，203、振子固定法蘭蓋，204、工具系統(tǒng)支承座，205、雙頭螺柱，206、鉸鏈接頭，207、y向超聲振子，208、工具桿，209、工具抱緊螺釘，210、加強(qiáng)筋，211、振子聯(lián)接法蘭，212、拋光頭，2061、雙頭螺柱連接孔，2062、柔性鉸鏈，2063、工具桿安裝孔，2064、工具桿夾緊孔。
【具體實(shí)施方式】
[0038]二維超聲振動拋光工具2通過螺釘緊固到機(jī)床z軸6上，工件夾具3通過螺釘固定到機(jī)床X軸4上，機(jī)床X軸、機(jī)床y軸5、機(jī)床z軸6與機(jī)床主體I通過調(diào)試后固定連接；
[0039]本發(fā)明所述二維超聲振動拋光工具2的結(jié)構(gòu)是:由201、x向超聲振子，202、振子固定法蘭座，203、振子固定法蘭蓋，204、工具系統(tǒng)支承座，205、雙頭螺柱，206、鉸鏈接頭，207、y向超聲振子，208、工具桿，209、工具抱緊螺釘，210、加強(qiáng)筋，212、拋光頭組成，兩個振子固定法蘭座202與振子固定法蘭蓋203分別與X向超聲振子201和y向超聲振子207通過螺紋連接，兩個振子固定法蘭座202垂直布置在工具系統(tǒng)支承座204上且通過螺釘連接，從而將X向超聲振子201和y向超聲振子207