专利名称：三维超声波振动切削加工工作头的制作方法
技术领域：
本发明属于精密金属切削加工技术领域，特别涉及一种可对硬脆材料的三维表面进行三维超声波振动切削加工的工作头。
背景技术：
随着航空航天、半导体和电子工程的发展，晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在这些工程中获得广泛应用，但由于这些硬脆材料成形加工十分困难，尤其是具有三维复杂型面的工程陶瓷零件至今尚无有效的加工手段，严重影响了工程陶瓷材料的进一步推广应用，硬脆材料的高精度三维微加工技术成为世界各国制造业的一个重要研究课题。现有技术条件下，适用于硬脆材料加工的手段主要有光刻加工、电火花加工、激光加工、超声加工等特种加工技术。超声加工与电火花加工、电解加工、激光加工技术相比， 既不依赖于材料的导电性又没有热物理作用，与光刻加工相比又可加工高深宽比大的三维形状，这些特征使超声加工技术在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方面有着得天独厚的优势。超声加工精度高、速度快、加工材料适应范围广，可加工复杂型腔及型面，加工时工具和工件接触轻，切削力小，不会产生烧伤、变形、残余应力等缺陷，故采用超声波在振动频率20 IOOkHz和振幅小于25ΜΠ1条件下对这些难加工材料直接进行振动切削加工是一个有效的加工方法。现有超声波振动切削法主要有一维超声振动切削和二维超声椭圆振动切削二种加工方法，在精密或微加工中通常选用金刚石切削刀具，然而金刚石材料对铁类金属的亲合性使其容易产生严重的刀具磨损，为了解决刀具磨损问题，Kumabe利用超声波振动切削法进行了金刚石刀具对铁类金属材料的微加工，这种方法虽然降低了金刚石刀具的磨损，但却使表面加工质量有所下降；后来，Moriwaki和Siamoto在20世纪50年代提出了超声波椭圆振动切削法，这种方法有效地提高了切削性能，其主要特征是加工用的刀具刀尖做高频椭圆轨迹形式的超声振动，进行非连续性切削，与其它切削加工相比，超声波椭圆振动切削法具有许多优良的切削效果，如小的已加工表面粗糙度、高的加工精度，超声波椭圆振动切削法自问世以来受到了国际学术界和工程界的重视。目前，超声椭圆振动切削在理论研究和应用方面都尚未成熟，尤其是对硬脆性材料的精密切削加工和微细模具的超精密切削加工工作头等方面还需要进一步研究，采用三维超声振动对硬脆材料进行精密微切削加工，由于三维超声振动工作头上的刀尖是在一个三维的空间内振动，其前角和后角在一个瞬时的振动周期内可能是不断发生变化的，振动幅值也是不断变化的，为了减少切削力和切屑厚度、降低表面粗糙度并获得比较好的三维表面几何精度，针对不同的硬脆材料应该采用不同的振动频率、不同的相位差以及不同的超声波振幅，对切削工作头提出了更高的要求。
发明内容
针对现有超声波振动切削技术的缺陷，本发明提出一种结构简单、实时控制容易、性价比高、可对硬脆材料进行三维精密切削加工的三维超声波振动切削加工工作头。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为三维超声波振动切削加工工作头，包括刀具夹头、膜片平台、工作头主体、预紧力调节螺栓、调整垫片、调整环、环形压电陶瓷晶片、预紧力调节螺母和工作头端盖，刀具夹头和膜片平台制作为整体结构，膜片平台内侧连接工作头主体，工作头主体另一端连接工作头端盖，工作头主体内设有空腔，空腔内设有三组并联的环形压电陶瓷晶片，环形压电陶瓷晶片的电极通过工作头主体的接线板与外部的控制部分相连。所述环形压电陶瓷晶片三组并联并采用三个并联的预紧力调节螺栓安装，环形压电陶瓷晶片外侧设有调整垫片和调整环，调整垫片和调整环安装在预紧力调节螺栓上，预紧力调节螺栓端部伸入工作头端盖中并连接有预紧力调节螺母。所述预紧力调节螺栓呈正三角形布置且头部顶在膜片平台上。本发明的有益效果是
(1)三并联超声振动工作头可以随意控制刀具振动的频率和振幅，也可以控制刀具切削工件形式，即控制切屑的形状；
⑵工作头带动刀具的往复运动从一个往复周期到下一个周期或在一个往复周期内调整振动模式或相位差都可以精确控制工件表面形状，因此可完成各种复杂表面形状的加工。
图1是本发明实施例的整体结构示意图； 图2是图1的A-A剖视图中1刀具夹头，2膜片平台，3工作头主体，4预紧力调节螺栓，5调整垫片，6调整环， 7工作头端盖，8预紧力调节螺母，9环形压电陶瓷晶片，10接线板。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。三维超声波振动切削加工工作头，其特征在于包括刀具夹头1、膜片平台2、工作头主体3、预紧力调节螺栓4、调整垫片5、调整环6、工作头端盖7、预紧力调节螺母8和环形压电陶瓷晶片9，刀具夹头1和膜片平台2制作为整体结构，膜片平台2内侧连接工作头主体3，工作头主体3另一端连接工作头端盖7，工作头主体3内设有空腔，空腔内设有三组并联的环形压电陶瓷晶片9，环形压电陶瓷晶片9的电极通过工作头主体3的接线板10与外部的控制部分相连。所述环形压电陶瓷晶片9三组并联并采用三个并联的预紧力调节螺栓4安装，环形压电陶瓷晶片9外侧设有调整垫片5和调整环6，调整垫片5和调整环6安装在预紧力调节螺栓4上，预紧力调节螺栓4端部伸入工作头端盖7中并连接有预紧力调节螺母8。所述预紧力调节螺栓4呈正三角形布置且头部顶在膜片平台2的槽内。工作时，将三维超声波振动切削加工工作头安装在车床的刀架上，刀具夹头1上安装金刚石可转位刀片，另一端的膜片平台2与工作头主体3连接，在工作头主体3内三组并联的环形压电陶瓷晶片9分别被安装在三个并联的预紧力调节螺栓4上，然后通过调整垫片5和调整环6调整三组并联的环形压电陶瓷晶片9在工作头主体3内的纵向位置，盖上工作头端盖7后使三个预紧力调节螺栓4呈正三角形分别且头部顶在膜片平台2的槽内， 最后通过预紧力调节螺母8来调整环形压电陶瓷晶片9的预应力，研究表明预应力对环形压电陶瓷晶片9的振动频率具有重要影响，施加的预应力不超过环形压电陶瓷晶片制造商推荐的最大电容量20%。 在对硬脆材料进行超声波切削加工时，在刀架带动三维超声波振动切削加工工作头正常进给情况下，通过向环形压电陶瓷晶片9上的电极输入脉冲信号使三组并联的环形压电陶瓷晶片9产生超声波振动，通过调整脉冲信号的频率、振幅和相位差使三组并联的环形压电陶瓷晶片9产生不同的超声波振动，从而使刀具夹头1和膜片平台2产生二个转动和一个沿垂直方向的移动运动，这三个运动的合成使安装在刀具夹头1上的刀尖实现三维的空间运动，从而实现工件三维表面形状的加工。该超声振动切削工作头可以连续调整超声波的振动频率，研究表明这种建立在膜片平台上的超声波振动系统可以简化制造工艺、获得很高的动态性能并可减少环形压电陶瓷晶片9产生的热量。
权利要求
1.一种三维超声波振动切削加工工作头，其特征在于包括刀具夹头、膜片平台、工作头主体、预紧力调节螺栓、调整垫片、调整环、环形压电陶瓷晶片、预紧力调节螺母和工作头端盖，刀具夹头和膜片平台制作为整体结构，膜片平台内侧连接工作头主体，工作头主体另一端连接工作头端盖，工作头主体内设有空腔，空腔内设有三组并联的环形压电陶瓷晶片， 环形压电陶瓷晶片的电极通过工作头主体的接线板与外部的控制部分相连。
2.根据权利要求1所述的三维超声波振动切削加工工作头，其特征在于所述环形压电陶瓷晶片三组并联并采用三个并联的预紧力调节螺栓安装，环形压电陶瓷晶片外侧设有调整垫片和调整环，调整垫片和调整环安装在预紧力调节螺栓上，预紧力调节螺栓端部伸入工作头端盖中并连接有预紧力调节螺母。
3.根据权利要求1所述的三维超声波振动切削加工工作头，其特征在于所述预紧力调节螺栓呈正三角形布置且头部顶在膜片平台上。
全文摘要
本发明公开一种结构简单、实时控制容易、性价比高，可对硬脆材料进行三维精密切削加工的三维超声波振动切削加工工作头。该工作头包括刀具夹头、膜片平台、工作头主体、预紧力调节螺栓、调整垫片、调整环、环形压电陶瓷晶片、预紧力调节螺母和工作头端盖，刀具夹头和膜片平台制作为整体结构，膜片平台内侧连接工作头主体，工作头主体另一端连接工作头端盖，工作头主体内设有空腔，空腔内设有三组并联的环形压电陶瓷晶片，环形压电陶瓷晶片的电极通过工作头主体的接线板与外部的控制部分相连。
文档编号C03B33/00GK102275231SQ20111020957
公开日2011年12月14日 申请日期2011年7月25日 优先权日2011年7月25日
发明者邹平, 黄善钧 申请人:东北大学