五轴超声辅助复合机床的设计.doc

五轴超声辅助复合机床的设计Liu Bing(刘冰)1,2，Fang Fengzhou(房丰洲)1,2，Xu Zongwei(徐宗伟)1， Zhang Xiaofeng(张晓峰)2(1.State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China) Tianjin University and Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2015摘要：这样的一种复合机床被设计出来了，它被用于旋转超声辅助磨削、电火花加工和多轴铣削加工。实验结果表明，其定位精度小于5.6m，重复定位精度小于1.8m，超声振动幅粉磨系统均匀稳定，与电火花加工系统运行良好、稳定。可以实现针对K9光学玻璃元件表面光滑的研磨。关键词：超声辅助磨削；电火花加工；机床；设计引言：先进的陶瓷材料广泛应用于航空、航天、国防、电子、汽车动力、生物工程等1-3。传统的用于脆性材料的研磨和抛光的加工方法效率较低，而且他们只适合形状简单的工件。随着各种处理技术的融合，可以逐渐减少不同过程中的不必要时间。重复夹紧对精度的影响是可以避免的，而且可以降低成本。近年来，研究人员一直专注于复合机床的发展研究。Mori-waki开发了多功能金属切削机床。Aspinwall et al等人 5 设计了一种高速加工与研磨放电加工的中心（EDM）系统。Rahman et al等人 6 开发的机床能够常规和非常规的微机械加工，其加工工艺包括微细电火花线切割加工（WEDM）。1. 组合机床的总体设计两个旋转轴和三个耳轴是不错的选择，当旋转轴彼此正交的时候，一个旋转轴会平行于X轴。两个旋转轴用于提高主轴的刚度，并降低成本。采用龙门式移动框架是为了满足来平衡高刚度和低占用的要求。相对地大型机械加工行程的200毫米、200毫米、200毫米为规定的最低要求。其中一个主要特点是，直接采用驱动技术，用于提高响应加速度。PC的基础开放式控制系统满足灵活性的要求，且精度高、成本低。超声波辅助磨削系统的设计是可拆卸的，包括非接触式超声波功率，功率传输单元和超声振动系统。非接触功率传输单元是集成到主轴的，从而形成通信之间的超声波的功率控制系统。电火花加工系统也被设计成可移动的，包括电火花加工，刀具夹持装置和运动控制系统。将运动控制系统集成到微机控制系统中。参数电火花加工电的参数由控制系统自动设置。工具夹持装置的设计是在电气绝缘工具机和电极间实现的。整个系统的体系结构如图1所示。2. 机床集成开发2.1五轴铣床系统X、y、z轴的最后一击为450毫米270毫米260毫米。采用有限元分析法对其主要成分进行了分析，并对其进行了优化刚度和低重量的分析。一阶固有频率的机床床身的频率高于190 Hz。机床的结构如图2所示，有限元分析的实例如图3所示。 (a)X axis (b)Y axis图4中显示的是一个用Delta Tau PMAC控制器来提高数控（NC）系统的方法。PMAC控制器是建立在开放架构基础上的，它提供了更大的灵活性，相较照常规电脑数值控制（CNC）系统而言拥有更好的性能。 图四 直接驱动系统图5显示了建立在计算机的控制系统上的体系结构。数控系统的主要组成是：除了正常的铣削模块外，还包括了超声波和电火花加工模块。 图5 计算机的基础控制系统的体系结构2.2超声辅助磨削系统一个数值与USB通信接口的超声波电源被开发出来。它输出的可调频率在20-50千赫范围内。并对自动电流过载保护功能进行了设计，集成到功率。一种电磁磁感应能进行非接触电力传输单元。传输单元的线圈被固定在主轴。次级线圈集成到超声振动系统，它是基于hsk-e32柄上，主要由压电陶瓷的电动换能器和变幅杆组成。非接触电力传输单元、超声振动系统如图6所示。图6 非接触电力传输单元、超声振动系统2.3电火花加工系统是RS232串口进行通信的控制系统和EDM电源。电火花加工电源主要是由电子开关装置功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管（IGBT）器组成。由于其更好的安全行动区性能及开关特性，MOSFET是最好的选择。微弧氧化技术（微弧氧化）技术是采用制造工具的保持装置。微弧氧化一个物理上的氧化物保护膜在金属表面产生的作为绝缘体的毛根过程。它的三个主要加工功能是根据一个自主开发的数控系统集成。不同的功能由不同的模块控制。图7显示了所开发的机床和标签且标签1列出规格。图7 五轴联动机床标签 1 机床规格AxisTypeMaximum speed/(rmin-1)XLinear motor driven450 mm2 400YLinear motor driven270 mm2 400ZBall screw driven260 mm2 400AWorm driven-90-12030CWorm driven360100SpindleRolling bearing HSK-E32N/A40 0003性能测试 研磨子系统通过测量位置和重复的定位精度，并且通过UL- trasonic磨削子系统来测量振动振幅测试对K9光学玻璃磨削性能的测试，和电火花加工子系统对钢的性能。定位精度和重复定位精度（三个重复测量的平均值）与激光干涉仪测量材料（Renishaw，英国）。测试结果在标签2中列出。超声波振动子系统的振动振幅是由数字超声功率驱动的均匀稳定决定的，如图8所示。磨削的参数设置在标签3中列出。所加工的部件和测量结果如图9所示。组件的粗糙度是0.0384m。进行了电火花试验，如图10所示。工件是由钢和铜电极的黄铜组成的。m加工后工件表面粗糙度Rz为7.25微米，参数设置的数据都列在表4。实验结果表明，电火花加工系统工作更好更稳定。AxisPositioning accuracy/mmRepetitive positioning accuracy/mmX4.21.8Y4.21.4Z5.61.3标签. 2 定位精度和重复定位精度的测量结果图8 超声振动幅值测量结果Diameter of grinding wheel /mmGrain size of grinding wheelVelocity of spindle/(rmin-1)Feed rate /(mms-1)Cutting depth /mm40240#4 0000.10.05标签.3 超声辅助磨削参数设置 (a)K9 光学玻璃元件(b) 由PGI 1250测量的结果图9 研磨实验图10 电火花加工实验结论本文提出的是一种复合机床的设计。设计的策略与理念被讨论是为了实现英特-旋转超声辅助磨削之间的相互的融合，以及电火花加工和多轴铣削的完善。实验结果结果表明，该机床具有足够高的定位精度和重复定位精度；且UL -振幅的超声磨削系统也比较均匀稳定。参考文献：1 Barta J, Manela M. 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