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CN109571159A - 一种游离磨料微细超声加工装置及进给调节方法 - Google Patents

一种游离磨料微细超声加工装置及进给调节方法 Download PDF

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CN109571159A CN201910000470.0A CN201910000470A CN109571159A CN 109571159 A CN109571159 A CN 109571159A CN 201910000470 A CN201910000470 A CN 201910000470A CN 109571159 A CN109571159 A CN 109571159A
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Abstract

本发明公开了一种游离磨料微细超声加工装置，包括：XY轴进给装置、底座、主轴立柱、Z轴伺服进给装置、工作槽、微细超声振动系统、待加工工件、超声波发生器和冷却循环系统，工作槽设置于XY轴进给装置上，工作槽内放置待加工工件且其内盛有工作液，微细超声振动系统包括超声换能器、超声变幅杆及微细超声加工工具，微细超声加工工具连接于超声变幅杆的底部，Z轴伺服进给装置设于主轴立柱上，超声换能器设于Z轴伺服进给装置上且与超声变幅杆连接，超声波发生器与超声换能器电连接；所述游离磨料微细超声加工装置还包括用于保持微细超声加工工具温度稳定的冷却系统。本发明具有结构简单、响应速度快、加工稳定性高和加工精度高的特点。

Description

一种游离磨料微细超声加工装置及进给调节方法
技术领域
本发明涉及一种游离磨料微细超声加工装置及进给调节方法，属于超声技术领域。
背景技术
光学玻璃、陶瓷和碳化硅等硬脆性材料具备优越的物理、化学和机械性能，在航空、电子、汽车、冶金、生物工程和国防等工业领域得到了越来越广泛的应用。电化学加工和电火花加工难以加工不导电的材料，激光加工会导致耐高温的硬脆性材料产生裂纹，而超声加工已被证明是硬脆性材料成形加工的有效方法。超声加工是利用工具的超声振动，在有磨料的液体介质中或干磨料中由磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料的加工，或在工具或工件上沿一定方向施加超声频振动进行加工或利用超声振动使工件相互结合的加工方法，一般有游离磨料超声加工和固结磨料超声加工两种形式，通过选择不同的工具端面形状和磨料，可以实现硬脆性材料的异形孔加工、成形加工、平面磨削加工、表面改性等。微细超声加工技术是超声加工技术向高精度、微细化发展的重要方向，正越来越广泛地应用于精密微细制造领域。
恒速进给与恒力进给是微细超声加工常用的两种进给方式，前一种方式以恒定的进给速度加工，后一种方式以恒定的加工力加工。恒力控制进给系统通过平均加工力的测量、比较并辅以各种算法，可以在一定程度上降低加工力的波动范围，提高加工效率，改善加工工件的表面性能，但对微细超声加工而言，加工过程中加工力很小，加工力检测装置灵敏度要求很高，分辨率往往要求达到几毫牛顿，否则测量精度难以保证，成本很高。恒速进给受限于进给速度与材料去除速度的差值，难以确保加工的稳定性。为此，需要设计一种相应的技术方案给予解决。
发明内容
本发明提供一种游离磨料微细超声加工装置及进给调节方法，该调节方法能够实现微细超声加工的自动进给控制，其具有结构简单、响应速度快、加工稳定性高和加工精度高的特点，满足实际使用要求。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：
一种游离磨料微细超声加工装置，包括：XY轴进给装置、底座、主轴立柱、Z轴伺服进给装置、工作槽、微细超声振动系统、待加工工件、超声波发生器和冷却循环系统，所述工作槽设置于所述XY轴进给装置上，所述工作槽内放置待加工工件且其内盛有工作液，所述微细超声振动系统包括超声换能器、超声变幅杆及微细超声加工工具，所述微细超声加工工具连接于所述超声变幅杆的底部，所述Z轴伺服进给装置设置于主轴立柱上，所述超声换能器设置于所述Z轴伺服进给装置上且与所述超声变幅杆连接，所述超声波发生器与所述超声换能器电连接；
所述游离磨料微细超声加工装置还包括用于保持微细超声加工工具温度稳定的冷却系统。
作为上述技术方案的改进，所述超声波发生器为可编程恒流超声电源，所述可编程恒流超声电源包括了采样单元、处理单元及执行单元。
作为上述技术方案的改进，所述采样单元用于实时采样微细超声振动系统的电流和电压幅值与相位，所述处理单元先由频率跟踪算法调节电流与电压同相，然后估算出微细超声振动系统的空载等效电阻抗及负载等效电阻抗；所述微细超声振动系统的空载等效电阻抗是指微细超声振动系统未对待加工工件加工时的系统等效电阻抗，包括：超声波换能器的串联谐振阻抗、超声变幅杆的等效阻抗以及微细超声加工工具的等效阻抗等；微细超声振动系统的负载等效电阻抗是指微细超声振动系统对待加工工件加工时的系统等效电阻抗，包括微细超声振动系统的空载等效电阻抗、待加工工件与工作液等效阻抗等；所述执行单元用于执行控制算法。
作为上述技术方案的改进，所述冷却系统包括：循环水冷和风冷；所述循环水冷包括：循环水槽、循环泵、循环管路和冷却喷头，所述循环水槽通过循环管路与所述工作槽相连通，所述循环泵通过循环管路与所述冷却喷头相连接，所述冷却喷头设置于所述微细超声加工工具的一侧，所述循环泵将工作槽中的工作液送入冷却喷头中对微细超声加工工具进行冷却；所述风冷包括：内部风冷和外部风冷，所述内部风冷是指在超声换能器内部内置风冷装置；所述外部风冷包括：风冷喷头和压缩空气装置，所述风冷喷头设置于所述微细超声加工工具的一侧，所述压缩空气装置给风冷喷头提供高压风冷气源对微细超声加工工具进行风冷。
作为上述技术方案的改进，所述超声换能器和所述超声变幅杆之间通过螺栓连接；所述超声变幅杆和微细超声加工工具之间通过螺栓连接，且在连接时为确保声波传递的有效性和高效率，需在螺栓外侧加涂密封材料。
作为上述技术方案的改进，所述超声波发生器提供的激励信号的频率为微细超声振动系统的串联谐振频率，工作电流峰峰值的可调节范围为200mA～1200mA，最大有效输出功率为100W，典型工作频率：20kHz～40kHz。
作为上述技术方案的改进，所述微细超声振动系统的串联谐振频率为35.43kHz，空载等效电阻抗为65Ω，所述微细超声加工工具端面振幅可调节范围为2μm～15μm。
具体地，所述游离磨料微细超声加工进给调节方法如下：在待加工工件加工前，超声波发生器采样单元按采样频率采集微细超声振动系统的电流和电压幅值与相位，超声波发生器处理单元先由频率跟踪算法调节电流与电压同相，然后估算出微细超声振动系统的空载等效电阻抗值；进一步地，由空载等效电阻抗值确定初始加工状态下微细超声振动系统所需的负载等效电阻抗初始阈值；加工过程中，处理单元根据采样单元采集的数据先进行频率跟踪，再计算出负载等效电阻抗值，执行单元对该值与设定的等效电阻抗初始阈值进行算法比较，根据比较结果调节微细超声加工工具的进给方向与速度或超声波发生器的输出电流；进一步地，在加工过程中可以根据加工需要，实时调整等效电阻抗初始阈值的设定。通过控制微细超声加工工具的进给方向与速度来控制超声加工的间隙，通过控制超声波发生器的输出电流来控制工具端面振幅，达到稳定加工的目的。
更具体地，由可编程恒流超声电源控制Z轴伺服进给装置的进给状态。
本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：所述游离磨料微细超声加工进给调节方法适应于对硬脆性工件进行异形孔加工、成形加工、平面磨削加工及表面改性等，在具体应用中具有以下优点：
(1)该方法的采样对象为微细超声振动系统的电信号，与目前常用的恒力控制系统的力信号采集、恒速控制系统速度信号采集等采样方式相比，响应速度大大提高。
(2)电信号的采样由可编程恒流超声电源实现，无需构建额外的硬件平台，降低了机床成本及机床复杂度。
(3)由可编程恒流超声电源提供机床Z轴自动进给状态控制信号，实现了对机床Z轴进给的全自动闭环控制，提高了加工过程的稳定性。
附图说明
图1是本发明具体实施方式1提供的游离磨料微细超声加工装置的结构示意图；
图2是本发明具体实施方式1提供的游离磨料微细超声加工装置进行异形孔加工的加工原理图；
图3是本发明具体实施方式1提供的游离磨料微细超声加工装置进行平面磨削加工的加工原理图。
图4是本发明具体实施方式1提供的可编程恒流超声电源控制Z轴自动进给装置的进给状态控制逻辑时序图。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。
请参阅图1所示：本实施例中，一种游离磨料微细超声加工装置包括XY轴进给装置1、工作槽2、主轴立柱3、Z轴伺服进给装置5、底座6、微细超声振动系统、待加工工件7、超声波发生器10和冷却循环系统，所述工作槽2通过底座6设置于所述XY轴进给装置1上，所述工作槽2内放置待加工工件7且其内盛有工作液，所述微细超声振动系统包括超声换能器9、超声变幅杆8、微细超声加工工具4；所述微细超声加工工具4通过螺栓连接于所述超声变幅杆8的底部，所述Z轴伺服进给装置5设置于主轴立柱3上，所述超声换能器9设置于所述Z轴伺服进给装置5上且与所述超声变幅杆8连接，所述超声波发生器10与所述超声换能器9电连接，所述超声波发生器10将市电转换成与超声换能器9相匹配的高频交流电信号，激励微细超声振动系统工作，所述超声换能器9、超声变幅杆8和微细超声加工工具4组成微细超声振动系统，超声换能器9将电能转换成机械能，通过超声变幅杆8将振幅放大并聚集能量，通过微细超声加工工具4端面的振动使磨粒和工作液以一定的能量冲击工件。
所述超声波发生器10采用可编程恒流超声电源，提供的激励信号输出频率为微细超声振动系统的串联谐振频率，工作电流峰峰值的可调节范围为200mA～1200mA，误差在2％以内，最大有效输出功率为100W，典型工作频率：20kHz～40kHz；将超声换能器9、超声变幅杆8和微细超声加工工具4组成的微细超声振动系统安装在Z轴伺服进给装置5上，微细超声振动系统的串联谐振频率为35.43kHz，空载等效电阻抗65Ω，工具端面振幅可调节范围为2μm～15μm；微细超声加工工具4加工段基体材料为45钢，直径为15mm，末端有阵列凸台，直径0.5～1mm。
所述Z轴伺服进给装置5包括电机驱动器、步进电机、丝杆及工作台，最小分辨率为1μm，由DSP模块提供电机驱动器脉冲信号。
所述游离磨料微细超声加工装置还包括用于保持微细超声加工工具温度稳定的冷却系统，所述冷却系统采用循环水冷方式，其包括循环水槽11、循环泵12、循环管路13和冷却喷头，所述循环水槽11通过循环管路13与所述工作槽2内相连通，所述循环泵12通过循环管路13与所述冷却喷头相连接，所述冷却喷头设置于所述微细超声加工工具4的一侧，循环泵12将工作槽2中的工作液送入冷却喷头中对微细超声加工工具4进行水冷，同时水的空化作用还可以加速材料的去除，及时将加工产物排出加工区域。
所述超声波发生器10为可编程恒流超声电源，包括了采样单元、处理单元及执行单元。具体来说，在待加工工件7加工前，超声波发生器10采样单元按采样频率采集微细超声振动系统的电流和电压幅值和相位，超声波发生器10处理单元先根据频率跟踪算法调节电流与电压同相，然后估算出微细超声振动系统的空载等效电阻抗值，进一步地，由空载等效电阻抗值确定初始加工状态下微细超声振动系统所需的负载等效电阻抗初始阈值；加工过程中，处理单元根据采样单元采集的数据先进行频率跟踪，再计算出负载等效电阻抗值，执行单元对该值与设定的等效电阻抗初始阈值进行算法比较，根据比较结果调节微细超声加工工具4的进给方向与速度或超声波发生器10的输出电流，进一步地，在加工过程中可以根据加工需要，实时调整等效电阻抗初始阈值的设定。通过控制微细超声加工工具4的进给方向与速度来控制超声加工的间隙，通过控制超声波发生器10的输出电流来控制工具端面振幅，达到稳定加工的目的。
请参阅图2所示：在对待加工工件7进行异形孔加工时，先设置超声波发生器10的输出电流，孔加工过程中，超声波发生器10按设定的采样频率采集微细超声振动系统的电流和电压幅值与相位，其处理单元先根据频率跟踪算法调节电流与电压同相，然后估算出微细超声振动系统的空载等效电阻抗值，根据该空载等效电阻抗值设定微细超声加工时所需的负载等效电阻抗初始阈值；加工时，处理单元根据采样单元采集的数据先进行频率跟踪，再计算出负载等效电阻抗值，执行单元对该值与设定的等效电阻抗初始阈值进行算法比较后，发送脉冲信号给电机驱动器，从而控制微细超声加工工具4的进给方向与速度，以保证加工的稳定进行。进一步地，在加工过程中，还可以根据加工需要，实时调整等效电阻抗初始阈值的设定；在进行异形孔加工时的调节对象为工具端面的平衡位置和工件被加工表面之间的加工间隙，应控制加工间隙小于工具端面空载振幅；加工过程中，工具的能量聚集导致温度升高，微细超声振动系统的空载等效电阻抗也将急剧上升，以水为冷却液对工具进行持续冲液可以消除工具温度对微细超声振动系统等效电阻抗的影响，同时，水的空化作用还可以加快材料的去除，冷却液及时冲走加工产物可以保证加工顺利进行。
请参阅图3所示：在对待加工工件7进行平面磨削加工时，工件需进行X、Y方向的运动；调节对象为工具端面的振幅，通过调节超声波发生器10的输出电流可以改变工具端面的振幅，该方案适用于平面磨削加工。具体说来，平面磨削加工前，超声波发生器10按设定的采样频率采集微细超声振动系统的电流和电压幅值与相位，其处理单元先根据频率跟踪算法调节电流与电压同相，然后估算出微细超声振动系统的空载等效电阻抗值，根据该空载等效电阻抗值设定超声平面磨削加工时所需的负载等效电阻抗初始阈值；加工时，处理单元根据采样单元采集的数据先进行频率跟踪，再计算出负载等效电阻抗值，执行单元对该值与设定的等效电阻抗初始阈值进行算法比较后，调节输出电流，使得微细超声振动系统的负载等效电阻抗达到稳定，通过工件的X、Y方向的运动可以进行大平面的超声磨削加工。
以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种游离磨料微细超声加工装置，其特征在于：包括：XY轴进给装置(1)、底座(6)、主轴立柱(3)、Z轴伺服进给装置(5)、工作槽(2)、微细超声振动系统、待加工工件(7)、超声波发生器(10)和冷却循环系统，所述工作槽(2)设置于所述XY轴进给装置(1)上，所述工作槽(2)内放置待加工工件(7)且其内盛有工作液，所述微细超声振动系统包括超声换能器(9)、超声变幅杆(8)及微细超声加工工具(4)，所述微细超声加工工具(4)连接于所述超声变幅杆(8)的底部，所述Z轴伺服进给装置(5)设置于主轴立柱(3)上，所述超声换能器(9)设置于所述Z轴伺服进给装置(5)上且与所述超声变幅杆(8)连接，所述超声波发生器(10)与所述超声换能器(9)电连接；
所述游离磨料微细超声加工装置还包括用于保持微细超声加工工具(4)温度稳定的冷却系统。
2.根据权利要求1所述游离磨料微细超声加工装置，其特征在于：所述超声波发生器(10)为可编程恒流超声电源，所述可编程恒流超声电源包括了采样单元、处理单元及执行单元。
3.根据权利要求2所述游离磨料微细超声加工装置，其特征在于：所述采样单元用于实时采样微细超声振动系统的电流和电压幅值和相位，所述处理单元先由频率跟踪算法调节电流与电压同相，然后估算出微细超声振动系统的空载等效电阻抗及负载等效电阻抗；所述微细超声振动系统的空载等效电阻抗是指微细超声振动系统未对待加工工件(7)加工时的系统等效电阻抗，包括：超声波换能器(10)的串联谐振阻抗、超声变幅杆(8)的等效阻抗以及微细超声加工工具(4)的等效阻抗；微细超声振动系统的负载等效电阻抗是指微细超声振动系统对待加工工件(7)加工时的系统等效电阻抗，包括微细超声振动系统的空载等效电阻抗、待加工工件(7)与工作液等效阻抗；所述执行单元用于执行控制算法。
4.根据权利要求1所述游离磨料微细超声加工装置，其特征在于：所述冷却系统包括：循环水冷和风冷；所述循环水冷包括：循环水槽(11)、循环泵(12)、循环管路(13)和冷却喷头，所述循环水槽(11)通过循环管路(13)与所述工作槽(2)相连通，所述循环泵(12)通过循环管路(13)与所述冷却喷头相连接，所述冷却喷头设置于所述微细超声加工工具(4)的一侧，所述循环泵(12)将工作槽(2)中的工作液送入冷却喷头中对微细超声加工工具(4)进行冷却；所述风冷包括：内部风冷和外部风冷，所述内部风冷是指在超声换能器(9)内部内置风冷装置；所述外部风冷包括：风冷喷头和压缩空气装置，所述风冷喷头设置于所述微细超声加工工具(4)的一侧，所述压缩空气装置给风冷喷头提供高压风冷气源对微细超声加工工具(4)进行风冷。
5.根据权利要求1所述游离磨料微细超声加工装置，其特征在于：所述超声换能器(9)和所述超声变幅杆(8)之间通过螺栓连接；所述超声变幅杆(8)和微细超声加工工具(4)之间通过螺栓连接，且在连接时为确保声波传递的有效性和高效率、需在螺栓外侧加涂密封材料。
6.根据权利要求1所述游离磨料微细超声加工装置，其特征在于：所述超声波发生器(10)提供的激励信号的频率为微细超声振动系统的串联谐振频率，工作电流峰峰值的可调节范围为200mA～1200mA，最大有效输出功率为100W，典型工作频率：20kHz～40kHz。
7.根据权利要求6所述游离磨料微细超声加工装置，其特征在于：所述微细超声振动系统的串联谐振频率为35.43kHz，空载等效电阻抗为65Ω，所述微细超声加工工具(4)端面振幅可调节范围为2μm～15μm。
8.根据权利要求1-7所述游离磨料微细超声加工进给调节方法，其特征在于：在待加工工件(7)加工前，超声波发生器(10)采样单元按采样频率采集微细超声振动系统的电流和电压幅值与相位，超声波发生器(10)处理单元先由频率跟踪算法调节电流与电压同相，然后估算出微细超声振动系统的空载等效电阻抗值；进一步地，由空载等效电阻抗值确定初始加工状态下微细超声振动系统所需的负载等效电阻抗初始阈值；加工过程中，处理单元根据采样单元采集的数据先进行频率跟踪，再计算出负载等效电阻抗值，执行单元对该值与设定的等效电阻抗初始阈值进行算法比较，根据比较结果调节微细超声加工工具(4)的进给方向与速度或超声波发生器(10)的输出电流；进一步地，在加工过程中可以根据加工需要，实时调整等效电阻抗初始阈值的设定，通过控制微细超声加工工具(4)的进给方向与速度来控制超声加工的间隙，通过控制超声波发生器(10)的输出电流来控制工具端面振幅，达到稳定加工的目的。
9.根据权利要求8所述游离磨料微细超声加工进给调节方法，其特征在于：由可编程恒流超声电源控制Z轴伺服进给装置(5)的进给状态。
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