[发明专利]一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统

权利要求书

1.一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统，其特征在于，所述的振动加工系统主要由超声波发生装置、纵扭复合振动装置、硬脆工件和加工测试装置组成，所述的超声波发生装置主要包括超声波发生器、纵向振动超声换能器和超声波无线传输控制系统，通过相互间电信号逻辑连接形成超声波能量输出及能量转换输出系统；所述的纵扭复合振动装置与超声波发生装置驱动连接，主要包括锁紧结构、前端盖、后端盖、压电陶瓷片、扭矩执行机构、纵扭复合转换结构、中空刀具和冷却系统，其中的前端盖、压电陶瓷片、后端盖、扭矩执行机构、纵扭复合转换结构依次同轴连接为一体并通过锁紧结构在轴两端进行压紧锁定以组装形成轴向能量传递结构，中空刀具安装在轴向能量传递结构的末端，冷却系统安装在轴向能量传递结构的中心轴处；所述的加工测试装置包括加工过程中的硬脆工件加工应力检测、超声波发生装置中部件电路检测和纵扭复合振动装置中部件负载检测。

2.根据权利要求1所述的一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统，其特征在于，所述的锁紧结构由预紧螺栓和固压螺帽组成，预紧螺栓与前端盖、压电陶瓷片、后端盖轴套预紧组装，固压螺帽与纵扭复合转换结构轴套压紧连接，同时后端盖、扭矩执行机构、纵扭复合转换结构三者通过压应力轴套紧密连接。

3.根据权利要求1所述的一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统，其特征在于，所述的压电陶瓷片个数至少为四个，厚度为4.6-5.6mm。

4.根据权利要求1所述的一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统，其特征在于，所述的纵扭复合转换结构外部主体为筒状结构，其外侧表面开设有纵扭转换槽口，并设置为矩阵式排列的槽口阵列，同时各槽口为不规则倾斜程度的四方体通槽状；纵扭复合转换结构内部为轴套定位结构。

5.根据权利要求1所述的一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统，其特征在于，所述的冷却系统主要包括冷却水入口、冷却水出口、冷却水源和中空出水连接管组成，其中冷却水入口设置在预紧螺栓一端的中轴处，冷却水出口设置在固压螺帽一端的中轴处，中部通过中空出水连接管连接冷却水出、入口。

6.根据权利要求1所述的一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统，其特征在于，所述的中空刀具与纵扭复合转换结构传动连接，中空刀具为麻花钻，长度为26-29mm，中空刀具的中部通过固压螺帽夹紧固定。

7.根据权利要求1所述的一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统，其特征在于，所述的扭矩执行机构活动式连接在后端盖末端，主要由旋转驱动装置与旋转体组成，通过旋转驱动装置驱动旋转体旋转以提供轴向转动的曲轴扭矩。

8.使用权利要求1所述的一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统进行钻孔的钻孔方法，其特征在于：所述的钻孔方法包括以下步骤：

1）对硬脆材料进行加工应力的测试，确定硬脆材料的加工能力范围；

2）选定中空刀具为长度27mm的钻孔刀具；

3）选定抗拉强度极限为1200MPa，屈服强度极限为1080MPa性能级别的预紧螺栓；

4）通过加工测试装置对超声波发生装置中部件电路、纵扭复合振动装置中部件负载以及扭矩执行机构转速进行实时监控检测，以实时监测系统运作；

5）设计纵扭复合转换结构的槽口阵列中槽口数目为18个，在外侧表面布局呈3行6列，并控制钻孔加工过程中的纵扭复合振动装置的纵扭共振频率为32.34KHz-36.84KHz之间，然后以输出的纵扭振幅比作为共振检验结果，纵扭振幅比在0.6-0.64之间为佳；

6）控制扭矩执行机构在钻孔加工过程中做旋转运动，以在共振过程中产生切向力；

7）钻孔过程中，超声波发生器与纵向振动超声换能器输出超声波并传递驱动纵扭复合振动装置以形成纵扭复合共振钻孔，在控制范围的共振频率与纵扭复合转换结构的作用下，使共振钻孔过程中保持钻孔的稳定性，并且保护振动加工系统的整体结构以及保证硬脆工件的表面加工质量。

9.使用权利要求1所述的一种应用于硬脆材料加工的纵扭复合振动加工系统进行磨削的磨削方法，其特征在于：所述的磨削方法包括以下步骤：

1）结合硬脆材料硬度及超声波频率加工强度对硬脆材料进行加工应力的测试，确定硬脆材料的加工应力范围；

2）选定长度为26mm的锥形磨削刀具；

3）选定抗拉强度极限为1200MPa，屈服强度极限为1080MPa性能级别的预紧螺栓；

4）通过加工测试装置对超声波发生装置中部件电路、纵扭复合振动装置中部件负载以及扭矩执行机构转速进行实时监控检测，以实时监测系统运作；

5）设计纵扭复合转换结构的槽口阵列中槽口数目为15个，在外侧表面布局呈3行5列，并控制磨削加工过程中的纵扭复合振动装置的纵扭共振频率为34.62KHz，然后以输出的纵扭振幅比作为共振检验结果，纵扭振幅比在0.6-0.64之间为佳；

6）控制扭矩执行机构在磨削加工过程中做旋转运动，以在共振过程中产生切向力；

7）磨削过程中，超声波发生器与纵向振动超声换能器输出超声波并传递驱动纵扭复合振动装置以形成纵扭复合共振加工，在控制范围的共振频率与纵扭复合转换结构的作用下，使共振加工过程中保持磨削的稳定性，并且保护振动加工系统的整体结构以及保证硬脆工件的表面加工质量。