一种复合材料旋转件超声切削装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种复合材料旋转件超声切削装置，包括底座、进给机构、夹具、切削机构，切削机构为声振系统，声振系统包括依次连接的超声波发生器、用于将高频电震荡信号转换成机械振动的换能器、变幅杆和切削刀具。本实用新型将超声振动切削运用在传统生产加工之上，由超声波发生器提供频率和振幅，换能器将高频电振荡信号转换成机械振动，通过变幅杆的功能来放大输入的振幅，变幅杆另一端再通过螺栓连接刀具，将产生的振动施加到刀具上面，而且由于超声波是正弦波且具有周期性，所以刀具能够进行周期性振动，正是由于刀具周期性的振动，使得刀具与工件能够产生有规律的分离作用，使得加工质量得到提升，同时减少粉尘和刀片磨损。
【专利说明】
一种复合材料旋转件超声切削装置
技术领域
[0001]本实用新型属于复合材料加工领域，具体涉及一种复合材料旋转件超声切削装置。
【背景技术】
[0002]复合材料最早运用于航空领域，从传统的金属飞机外壳想简单的从飞机结构设计和利用空气动力学分析是远远不能实现飞机性能的改善与提高，所以必须考虑采用质量轻且强度刚度等各项指标都能达到的新型材料。通过不断地探索与实验研究得出结论，采用，复合材料生产制造的零件不仅可以满足结构设计性能要求，同时可以减重将近五分之一。利用这一减重量，不仅仅可以增大利用面积、减少耗油量，而且在军品上可以提高作战效率以及军事打击力度。因此，在当今的航空航天船舶领域取得了突破性的进展，同时在制造材料中复合材料的比重呈现逐年快速增长的势头。从开始的树脂与玻璃纤维组合的玻纤增强复合材料虽然价格成本被人们接受，但是其强度并不能达到理想的效果，所以其它高强度纤维增强复合材料相继出现，用在更需要的位置。在中国、日本、印度，复合材料最早主要用于建材装备上，并不断向航天航空以及其他工业方向运用，发展潜力势不可挡。例如，为减轻汽车重量，用纤维复合材料代替传统金属材料来制造汽车板簧。为满足汽车、船舶发动机高速运转、高负荷等高性能要求，可以将发动机部分零件用金属基复合材料代替。与此同时，随着汽车、飞机等重量的减轻，以及材料的更改和燃料的升级，对尾气排放也有很大的控制，并且伴随着高分子材料逐步取代木材的应用，可降解的塑料等一系列的新型材料产生，给全球环境带来了改善，也完全符合我们国家可持续发展的战略与坚持节约资源和保护环境的基本国策。
[0003]随着复合材料大量的运用，对复合材料加工也是一大难点，由于本身材料呈各向异性，在加工主要呈现特点如下:1.材料产生分层破坏:它主要是由于切削加工时，选取的切削参数不合适，引起了材料层间的受力过大致使铺层材料之间产生脱胶发生分层。这一现象导致了工件的机械性能严重下降，如强度降低等。2.刀具磨损严重，寿命短:在加工中，由于碳纤维材料本身具有高强度和高硬度特征，当纤维颗粒状切肩与刀具间发生剧烈的摩擦作用，会导致切削区温度过高，并且热量集中于刀具的切削刃。3.残余应力:它具体在产品加工过程中，切削温度过高，材料由于受热膨胀使工件膨胀引起的。因为复合材料会呈现出各向异性功能，层间强度较低，在切削力较大的作用下容易分层、撕裂等现象，尤其在钻孔表现极为明显。据有关方面统计，报废率占全部复合材料结构件总报废率的60%以上。4.粉尘:在加工过程中，会产生大量粉尘，而且对于碳纤维这种复合材料具有导电功能，稍有不慎会污染加工环境。所以，大大降低了材料加工精度，对于军工产品，甚至不能满足其强度要求。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型要解决的技术问题是:提供一种复合材料旋转件超声切削装置，能够提高切削质量，同时减少粉尘和刀片磨损。
[0005]本实用新型为解决上述技术问题所采取的技术方案为:一种复合材料旋转件超声切削装置，它包括底座、进给机构、夹具、切削机构，所述的进给机构与底座通过导轨滑动连接，所述的夹具包括切削夹具和复合材料夹具，切削机构通过切肩夹具固定在进给机构上，待加工复合材料通过复合材料夹具固定在底座上，其特征在于:所述的切削机构为声振系统，声振系统包括依次连接的超声波发生器、用于将高频电震荡信号转换成机械振动的换能器、变幅杆和切削刀具。
[0006]按上述方案，所述的复合材料夹具包括通过旋转轴连接的卡盘和旋转轴箱。
[0007]按上述方案，所述的卡盘为三爪卡盘，三爪卡盘通过均匀分布的螺栓固定在旋转轴上。
[0008]按上述方案，所述的变幅杆为纵振单一半波长的变幅杆，或者三段式复合型变幅杆，或者一端带有圆柱杆的复合变幅杆中的一种。
[0009]按上述方案，所述的变幅杆为圆锥体，横截面积较大的一端与所述的换能器连接，另一端开有与切削刀具连接的固定槽。
[0010]本实用新型的有益效果为:将超声振动切削运用在传统生产加工之上，由超声波发生器提供某一频率和振幅，换能器将高频电振荡信号转换成机械振动，通过变幅杆的功能来放大输入的振幅，变幅杆另一端再通过螺栓连接刀具，将产生的振动施加到刀具上面，而且由于超声波是正弦波且具有周期性，所以刀具能够进行周期性振动，正是由于刀具周期性的振动，使得刀具与工件能够产生有规律的分离作用。正是由于周期性的接触与分离作用，使得加工质量得到提升，同时减少粉尘和刀片磨损。
【附图说明】
[0011 ]图1为本实用新型一实施例的结构示意图。
[0012]图2为夹具连接示意图。
[0013]图3为声振系统结构示意图。
[0014]图中:1-底座;2-导轨;3-进给机构;4-切削夹具;5-声振系统;5_1_超声波发生器；5-2-换能器;5-3-变幅杆;5-4-切削刀具;6-三爪卡盘;7-旋转轴箱。
【具体实施方式】
[0015]下面结合具体实例和附图对本实用新型做进一步说明。
[0016]本实用新型提供一种复合材料旋转件超声切削装置，如图1和图2所示，它包括底座1、进给机构3、夹具、切削机构，所述的进给机构3与底座I通过导轨2滑动连接，所述的夹具包括切削夹具4和复合材料夹具，切削机构通过切肩夹具4固定在进给机构3上，待加工复合材料通过复合材料夹具固定在底座I上，所述的切削机构为声振系统5，声振系统如图3所示，包括依次连接的超声波发生器5-1、用于将高频电震荡信号转换成机械振动的换能器5-
2、变幅杆5-3和切削刀具5-4。本实施例中，复合材料夹具包括通过旋转轴连接的卡盘和旋转轴箱7，进一步的，卡盘为三爪卡盘6，三爪卡盘6通过均匀分布的螺栓固定在旋转轴上。
[0017]所述的变幅杆5-3为纵振单一半波长的变幅杆，或者三段式复合型变幅杆，或者一端带有圆柱杆的复合变幅杆中的一种。
[0018]本实施例中，所述的变幅杆5-3为圆锥体，横截面积较大的一端与所述的换能器5-2连接，另一端开有与切削刀具5-4连接的固定槽。
[0019]本实施例能够针对复合材料的各向异性的特点，通过提供一定的频率和振幅，最终将这种周期性的振动传递给刀尖来提高复合材料加工质量的生产。通过变幅杆5-3的法兰盘的螺纹孔，利用均匀分布的螺栓连接方式将声振系统5固定在切削夹具4上，同时，切削夹具4也通过均匀分布的螺栓连接与进给机构3联系起来。底座I上设置有导轨2，进给机构3在导轨2上进行移动。三爪卡盘6利用均匀分布的螺栓连接固定在旋转轴上，通过三爪卡盘6加紧复合材料工件，利用旋转轴的转动带动复合材料的旋转。
[0020]本实施例中，超声波发生器采用自动最新研制的装有声追踪电路和频率自动追踪电路的发生器，以保证超声波发生器的频率稳定，发生器和换能器的阻抗匹配。换能器采用复合压电换能器，即采用一种在片状压电体的两端面夹以金属块而组成的夹心压电换能器。
[0021 ] 切削刀具5-4可采用P⑶(聚金刚石车刀)，CBN(立方氮化硼车刀)或者KW10(硬质合金车刀)。这里为了减轻整体装置的重量，同时使得振动效果更加明显，本实用新型直接采用的是菱形刀片进行切削。同时，为了更好的装夹刀片，根据选取刀片的形状，在变幅杆端部开槽，将刀片嵌在其中，并用螺纹连接，也可直接焊接为一体。
[0022]用导线把超声波发生器5-1和换能器5-2片状压电体两端面夹以的金属块相连，换能器5-2另一端和变幅杆5-3—端通过均匀分布的螺栓连接，变幅杆3另一端通过均匀分布的螺栓与切削刀具5-4连接，以上为整个声振系统的连接方式。为了使连接更加稳固，在连接位置上可涂上凡士林油，来减小连接而带来的振幅损失。一切连接完毕，启动超声波发生器，通过调整到最佳频率，此时换能器5-2将高频电振荡信号转换成机械振动，通过变幅杆5-3的功能来放大输入的振幅，通过螺栓将振动传递给切削刀具5-4，从而使刀尖产生周期性振动，完成对复合材料旋转件的超声振动切削。
[0023]本实用新型降低了复合材料的塑形变形和减小粉尘的产生;摩擦减小，发热下降，切削温度降低；工件的加工表面粗糙度小，加工精度高；减少磨损，延长刀具寿命。
[0024]以上所述实施例仅为本实用新型的特例，本实用新型并不仅限于此，涉及难加工工件生产的，均可参考本方案的超声振动切削装置，此装置具有通用性，同时，方便简单，成本不高。
【主权项】
1.一种复合材料旋转件超声切削装置，它包括底座、进给机构、夹具、切削机构，所述的进给机构与底座通过导轨滑动连接，所述的夹具包括切削夹具和复合材料夹具，切削机构通过切肩夹具固定在进给机构上，待加工复合材料通过复合材料夹具固定在底座上，其特征在于:所述的切削机构为声振系统，声振系统包括依次连接的超声波发生器、用于将高频电震荡信号转换成机械振动的换能器、变幅杆和切削刀具。2.根据权利要求1所述的一种复合材料旋转件超声切削装置，其特征在于:所述的复合材料夹具包括通过旋转轴连接的卡盘和旋转轴箱。3.根据权利要求2所述的一种复合材料旋转件超声切削装置，其特征在于:所述的卡盘为三爪卡盘，三爪卡盘通过均匀分布的螺栓固定在旋转轴上。4.根据权利要求1所述的一种复合材料旋转件超声切削装置，其特征在于:所述的变幅杆为纵振单一半波长的变幅杆，或者三段式复合型变幅杆，或者一端带有圆柱杆的复合变幅杆中的一种。5.根据权利要求1所述的一种复合材料旋转件超声切削装置，其特征在于:所述的变幅杆为圆锥体，横截面积较大的一端与所述的换能器连接，另一端开有与切削刀具连接的固定槽。
【文档编号】B23Q3/00GK205464345SQ201620194084
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月11日
【发明人】田会方, 熊为为, 吴迎峰, 丁锋
【申请人】武汉理工大学