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专利号: 2019104890024
申请人: 吉林大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2024-07-30
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种复杂曲面铣磨测一体化加工机床,其特征在于,包括超声加工系统、Z向滑台、磨削及抛光组件、龙门、X向滑台、Y向滑台、回转工作台和底座,其中龙门固定连接在底座上,X向滑台固定连接在底座上,Y向滑台固定连接在X向滑台的滑台上,回转工作台固定连接在Y向滑台的滑台上,回转工作台上方用于固定连接夹具和工件,Z向滑台有两个,分别固定连接在龙门中间的左右两侧,超声加工系统固定连接在左侧的Z向滑台的滑台上,磨削及抛光组件固定连接在右侧的Z向滑台的滑台上;

所述的超声加工系统包括安装底座、在线测量仪、超声振动器、上支撑架、下支撑架、工具头组件、电机及减速器,其中在线测量仪固定连接在安装底座上端面,上支撑架有两个,分别固定连接在安装底座下侧,下支撑架有两个,分别固定连接在上支撑架上,超声振动器有三个,分别固定连接在安装底座上侧和上支撑架、下支撑架中间,工具头组件固定连接在三个超声振动器的头部,电机及减速器固定连接在安装底座下侧,并与工具头组件的工具头空套,通过销钉传递转矩;

所述的工具头组件包括三维柔性铰、上轴承端盖、销钉、工具头、上轴承、下轴承、下轴承端盖,其中工具头通过上轴承和下轴承采用两端固定的方式固定在三维柔性铰的孔内,上轴承端盖固定连接在三维柔性铰的孔内,并压紧上轴承的外圈,下轴承端盖固定连接在三维柔性铰的孔内,并压紧下轴承的外圈,销钉固定连接在工具头上端的销孔内。

2.根据权利要求1所述的一种复杂曲面铣磨测一体化加工机床,其特征在于:所述的磨削及抛光组件包括磨削组件、安装架、电机、在线测量仪、抛光工具,其中电机固定连接在安装架上侧,磨削组件固定连接在安装架左侧,在线测量仪固定连接在安装架下侧,所述的抛光工具固定连接在安装架右侧。

3.根据权利要求2所述的一种复杂曲面铣磨测一体化加工机床,其特征在于:所述的磨削组件包括主动轮、砂带、张紧轮组件、调节轮、轴、传动轴,其中主动轮固定连接在传动轴上,传动轴固定连接在安装架上,张紧轮组件固定连接在安装架上,轴固定连接在安装架上,调节轮固定连接在轴上,砂带包裹在主动轮、张紧轮组件、调节轮外侧。

4.根据权利要求3所述的一种复杂曲面铣磨测一体化加工机床,其特征在于:所述的张紧轮组件包括张紧轮、轴一、轴二、连杆,其中轴二固定连接在安装架上,连杆固定连接在轴二上,轴一与连杆轴向固定,径向滑动,所述的张紧轮与轴一轴向固定,径向滑动。

5.一种利用如权利要求4所述的复杂曲面铣磨测一体化加工机床的成形方法,其特征在于,包括下列步骤:(1)当工件通过夹具固定安装在回转工作台上之后,先使用超声铣削粗加工,大量去除材料,然后使用砂带进行磨削精加工,最后使用抛光工具对难以加工的部位进行修整;

(2.1)超声铣削时,换能器产生的超声振动经过变幅杆放大后传递给工具头,工具头的超声振动方程为:x=Asinωt=Asin2πft

式中,x为振动的位移量;A为振幅;f为频率;

由上式可知,影响超声铣削的振动参数有两个:A和f,其中,振动频率f等于电源电压频率;采用压电方程分析振幅与电压的关系;由换能器的逆压电原理和机械结构可知,机械边界条件为机械夹持;电学边界条件为电学短路;即d型压电方程:其中:s66=2(s11‑s12)

上式中,矩阵中d为压电系数;矩阵中s表示场强恒定时的弹性柔顺系数;T为应力;S为应变;E为电场强度;

对于3方向、Z轴方向有:

S3=S13T1+S13T2+S33T3+d33E3

由于应力T在超声铣削过程中理论上为常量,所以电压和振幅A为线性关系;

综上,控制电源频率和电压大小就可以控制超声振动的频率和振幅,但由于在超声加工中,为得到大的振幅以提高加工质量,发挥超声加工的优越性,要求振动系统工作在谐振状态,一般,超声振动系统工作前,通过调节电源的电频率,可满足系统处于共振的工作条件;但是,在实际加工中,振动系统受到外部干扰,系统的固有频率可能会发生漂移,还应采用锁相环的方法实现自动频率跟踪;

(2.2)在工件平面内平行于进给方向的超声振动有利于降低切削力并同时改善表面质量;垂直于工件平面内的超声振动能显著降低切削力但增加了加工表面的表面粗糙度,为了获得最佳的加工参数,提供的超声加工系统采用三维柔性铰搭配三个超声振动器,工具头主轴通过轴承采用两端固定的方式固定连接在三维柔性铰上,工具头相对于三维柔性铰在任意方向上都不能窜动,电机与工具头空套,用销钉传递扭矩,实现工件平面内任意方向的超声振动平行于进给方向;同时控制工件平面内的超声振动和垂直于工件平面内的超声振动,实现保证加工表面质量的同时获得最小铣削力;

工件平面内的两个超声振动频率相同,振动方程为:

则超声振动的合成为:

(3)磨削和抛光时,驱动轴二转动一定角度使张紧轮组件左右摆动,通过推动轴可以使调节轮上下移动,通过改变张紧轮组件摆动角度和调节轮的上下位置可以很好的适应复杂曲面,无论是外凸曲面或者是内凹曲面都能适应,对于磨削难以加工的地方采用抛光工具修整;

(4)成形策略,在每个加工过程中都要反复测量、调整,具体实施如下:

工件毛坯每经过一次加工工序,都需要采用在线测量仪对工件表面采集数据,通过对采集的数据进行处理,反求工件重构模型,同时还要对工件的表面质量进行测量,通过对比工件重构模型和工件理论模型,当重构模型的形状、位置精度和表面质量满足加工要求时,工件加工完成进入下一道工序;当重构模型的形状、位置精度和表面质量不满足加工要求时,对不满足设计要求的区域根据加工工艺分配加工余量然后回到上一道工序。