[发明专利]一种二维超声振动抛光加工装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于机械制造技术领域。

背景技术

抛光作为超精密加工的最后一道工序，效率和精度这对矛盾的命题一直制约着抛光加工的发展，而椭圆振动抛光则很好的兼顾了这两个矛盾的命题。自二十世纪六十年代隈部淳一郎创造性地将振动切削系统性应用与机械加工以来，振动辅助加工越来越受到切削加工研究者的青睐。从一维振动到二维振动辅助抛光，旨在提高效率和加工质量，超声抛光应用也越来越广泛。

已有应用于抛光的超声加工，大多为辅助抛光手段，往往与旋转加工或特种加工相结合应用，诸如公开号为CN102172852A的文献公开了一种超声磁流变复合抛光技术，一维超声振动旨在改善磁流变抛光效果并提高效率，公开号为CN103817563A的文献公开了一种适用于磨削和抛光的超声振动辅助方法，旨在改善加工效果及微结构表面尖锐处破坏问题，公开号为CN203636513U的文献公开了一种超声辅助化学抛光，将一维超声振动应用于化学抛光，改善研抛条件，等等。这些应用主要将超声作为一种辅助手段，旨在改善效果，且由于工具主运动往往是高速回转的，具有抛光力不稳定性。

公开号为CN104476378A的文献公开了一种单激励超声椭圆振动抛光装置，抛光头纵弯复合振动与工件的往复运动实现抛光，运动方式比较单一，能加工的面型受限；

公开号为CN1616568A的文献公开了一种二维流体振动抛光装置及方法，主要特点是成本低，但抛光为不确定去除，仅适应于平面光整，无法应用于确定性抛光。

发明内容

本发明提供一种二维超声振动抛光加工装置及方法，以解决抛光为不确定去除，抛光力不稳定，加工面型受限的问题。

本发明采取的技术方案是：工件夹具通过螺钉固定到机床x轴上，机床x轴、机床y轴、机床z轴与机床主体通过调试后固定连接，二维超声振动抛光工具通过螺钉紧固到机床z轴上；所述二维超声振动抛光工具的结构是：两个振子固定法兰座与振子固定法兰盖分别与x向超声振子和y向超声振子通过螺纹连接，两个振子固定法兰座垂直布置在工具系统支承座上且通过螺钉连接，从而将x向超声振子和y向超声振 子垂直定位在同一平面内，x向超声振子和y向超声振子分别通过双头螺柱连接到铰链接头上，工具杆与抛光头粘接后安装在铰链接头的定位孔上，并通过工具抱紧螺钉夹紧。

所述x向超声振子和y向超声振子结构相同，均为阶梯型，振子联接法兰分别在x向超声振子和y向超声振子的振动节点位置，且两法兰直径和厚度相同，装配时法兰盖从里侧向外压紧。

所述工具系统支承座通过螺纹固定有加强筋。

所述双头螺柱两端均为右螺旋螺纹，使连接更稳定。

所述铰链接头由两个垂直并联的柔性铰链、两个双头螺柱连接孔、工具杆安装孔、工具杆夹紧孔组成。

一种二维超声振动抛光方法，包括下列步骤：

一、将工件固定在工件夹具上，工件夹具随着机床x轴和机床y轴运动，二维超声振动抛光工具提供抛光头的抛光主运动，通过机床z轴进给，抛光头与工件接触；

二、智能数控超声发生器激励x向超声振子和y向超声振子同一平面内相互垂直的纵向振动，发生器为双路输出，发出超声信号频率为f₁、f₂，也分别为抛光头x向和y向振动频率，相位差为θ；x向超声振子和y向超声振子分别在x向和y向的纵向振动在工具杆处耦合二维振动，形成抛光头在抛光加工切平面内瞬时随机运动轨迹，运动公式为：

x＝asin(2πf₁t)

y＝bsin(2πf₂t+θ)

其中x为抛光头x方向位移函数，y为抛光头y向位移函数，a、b为实验标定所得抛光头x向、y向振幅，t为时间变量，π为圆周率常数；

三、当抛光头在x向、y向具有同一振幅和频率、相位差为π/2时，抛光头的运动速度公式如下：

x＝asin(2πft)，y＝acos(2πft)，v_x＝2πfacos(2πft)，v_y＝-2πfasin(2πft)，

|v|＝2πfa，

其中，a为抛光头x向和y向振幅，f为抛光头振动频率，t为时间变量，x，y为抛光头x、y向位移，v_x、v_y为对应速度，|v|为抛光头合速度，此时抛光头线速度大小为与时间无关的常数，则单位时间d_t抛光去除深度Δδ为：