專利名稱：用于超聲波振動(dòng)輔助加工的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于超聲波振動(dòng)輔助加工的設(shè)備，更具體的涉及(但不限于)用于超聲波振動(dòng)輔助加工諸如鋼及不銹鋼的金屬的設(shè)備。
背景技術(shù)：
超聲波振動(dòng)輔助加工具有一些重要的優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)得益于摩擦減少動(dòng)作，該摩擦減少動(dòng)作在每個(gè)振動(dòng)周期期間當(dāng)工具的切割邊緣或點(diǎn)離開工件時(shí)產(chǎn)生、并引起超聲波抽吸作用。該抽吸作用允許將冷卻流體輸送至工件區(qū)域的整個(gè)區(qū)域上。冷卻流體可以是空氣。
普通加工具有大于5μm的精度并使用普通加工工具。在六十年代產(chǎn)生了超聲波振動(dòng)輔助加工以提供優(yōu)于普通加工的優(yōu)點(diǎn)。但是，因?yàn)槠洳⑽囱娱L工具壽命也并未改進(jìn)表面光整度，故并未實(shí)現(xiàn)預(yù)期的優(yōu)點(diǎn)。此外，因?yàn)榍懈钏俣纫欢ㄐ∮谡駝?dòng)速度，故切割效率較低。
從1980年開始，開發(fā)出超精密加工以滿足加工復(fù)雜鏡片的需求。金剛石刀具是僅有的可用來產(chǎn)生光學(xué)鏡面光整度的刀具。但是，因?yàn)榻饎偸c鋼之間的強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，故在鋼材上不能使用金剛石刀具?；瘜W(xué)反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致金剛石石墨化。
如圖1所示，在現(xiàn)有系統(tǒng)中，振動(dòng)臂(vibration horn)夾在振動(dòng)波的兩個(gè)靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的位置。金剛石刀具安裝在振動(dòng)臂的自由端上。為了實(shí)現(xiàn)鏡面光整度，必須有效地減小電極臂在徑向方向上的感應(yīng)橫向振動(dòng)。
對(duì)于利用兩個(gè)靜態(tài)夾持點(diǎn)的振動(dòng)臂的現(xiàn)有方法而言，從下靜態(tài)節(jié)點(diǎn)到安裝有刀具的自由端存在一定的間距。在這種情況下，位于自由端的點(diǎn)在橫向/徑向方向上具有降低的剛性，并容易引起在橫向/徑向方向上的橫向振動(dòng)。
為了增大橫向剛性，增大了電極臂的直徑，并且由此也增大了超聲波振動(dòng)發(fā)生器的功率。因此，增大了設(shè)備的整體尺寸。此外，因?yàn)檩^大的功率的原因，增大了裝置的工作溫度，而因?yàn)檩^高的溫度的原因裝置易于損壞。此外，橫向(或徑向)振動(dòng)會(huì)損壞刀具。其還會(huì)造成較深的切割，由此導(dǎo)致較低品質(zhì)的表面光整度。這種橫向徑向振動(dòng)通常為4μm的數(shù)量級(jí)。
為了防止刀具過度磨損，已經(jīng)提出了兩級(jí)處理，該兩級(jí)處理在制造用于塑料透鏡的注射成型的光學(xué)模芯時(shí)在加工之前在工件上使用鎳無電鍍層或涂層。但是，這些方法存在很多缺陷。此外，因?yàn)殒囈子趶匿撝乒ぜ厦撾x，故這此方法不能夠制造具有較高耐用性的模具。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)第一個(gè)方面，提供了一種用于超聲波振動(dòng)輔助加工的設(shè)備，該設(shè)備包括超聲波轉(zhuǎn)換器，用于在振動(dòng)臂中產(chǎn)生超聲波；位于所述超聲波的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)處在所述振動(dòng)臂上的第一鉗；以及位于所述第一鉗與所述振動(dòng)臂的最下端之間的第二鉗。所述第二鉗包括線性軸承，用于減小所述振動(dòng)臂在所述振動(dòng)臂的橫向方向上的振動(dòng)，并用于允許所述振動(dòng)臂在所述振動(dòng)臂的縱向方向上的振動(dòng)。
所述線性軸承可以小于半個(gè)所述超聲波的波長的距離軸向地間隔離開所述第一鉗。
根據(jù)第二個(gè)方面，提供了一種用于超聲波振動(dòng)輔助加工的設(shè)備，所述設(shè)備包括超聲波轉(zhuǎn)換器，用于在振動(dòng)臂中產(chǎn)生超聲波；位于所述超聲波的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)處在所述振動(dòng)臂上的第一鉗；以及位于所述第一鉗與所述振動(dòng)臂的最下端之間的第二鉗。所述第二鉗以小于半個(gè)所述超聲波的波長的距離軸向地間隔離開所述第一鉗。
所述第二鉗可包括線性軸承，用于減小所述振動(dòng)臂在所述振動(dòng)臂的橫向方向上的振動(dòng)，并用于允許所述振動(dòng)臂在所述振動(dòng)臂的縱向方向上的振動(dòng)。
對(duì)于上述兩個(gè)方面，所述第二鉗可大致呈U形，并可包括上鉗、下鉗、以及位于所述上鉗與所述下鉗之間的中部。所述上鉗及所述下鉗相對(duì)于所述線性軸承可徑向調(diào)整。
所述第二鉗可以可移除并可調(diào)整地安裝在安裝塊中。所述第一鉗可以可移除地附裝至所述安裝塊。所述安裝塊可以可移除并可調(diào)整地安裝在刀具立柱中。所述刀具立柱包括上部；下部；位于所述上部與所述下部之間的縫隙；以及用于調(diào)整所述縫隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)。
所述設(shè)備還可包括刀具，所述刀具可拆卸地于所述振動(dòng)臂的所述最下端位置安裝至所述振動(dòng)臂。


為了完全理解并易于實(shí)施本發(fā)明，現(xiàn)將通過非限制性示例僅對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行描述，參考所附說明性附圖進(jìn)行該描述，其中圖1是現(xiàn)有設(shè)備的示意性側(cè)視圖；圖2是優(yōu)選實(shí)施例的示意性側(cè)視圖；圖3是優(yōu)選實(shí)施例的立體圖；及圖4是線性軸承的優(yōu)選形式的橫截面剖視圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，示出了現(xiàn)有設(shè)備8。在這里，超聲波轉(zhuǎn)換器10具有振動(dòng)臂12。這些元件通過上鉗16及下鉗18安裝至安裝塊14。刀具20位于振動(dòng)臂12的最下端。超聲波轉(zhuǎn)換器10產(chǎn)生例如40KHz的聲波22。聲波在超聲波轉(zhuǎn)換器10及刀具20的位置具有最大振幅，以使刀具20的運(yùn)動(dòng)最大化。為了將振動(dòng)臂12保持在位，并為了防止不希望的徑向(或橫向)運(yùn)動(dòng)，通過上鉗16及下鉗18將振動(dòng)臂12固定至安裝塊14。鉗16及18位于靜態(tài)節(jié)點(diǎn)24處，以允許鉗16及18工作而不與刀具20的操作干涉。但是，這使得下鉗18與刀具20之間一定會(huì)存在縫隙。這會(huì)導(dǎo)致刀具20產(chǎn)生不希望的運(yùn)動(dòng)，并使得振動(dòng)臂12產(chǎn)生不希望的振動(dòng)。
現(xiàn)參考圖2及圖3，示出了根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例的設(shè)備28。在這里，刀具立柱30具有上立柱32及下立柱34，其間存在縫隙36。使用螺紋軸(未示出)上的調(diào)整旋鈕38來調(diào)整縫隙36以使設(shè)備28能夠正確地對(duì)準(zhǔn)并定位。
超聲波轉(zhuǎn)換器40設(shè)置有振動(dòng)臂68。超聲波轉(zhuǎn)換器40產(chǎn)生在振動(dòng)臂68的軸向方向上的振動(dòng)波44。振動(dòng)波44的最大振幅48位于超聲波轉(zhuǎn)換器40處以及安裝在振動(dòng)臂68的最下端位置處的刀具50處。振動(dòng)波44具有單個(gè)靜態(tài)節(jié)點(diǎn)46。靜態(tài)節(jié)點(diǎn)46處設(shè)置有鉗制環(huán)42。以此方式，鉗制環(huán)42保持振動(dòng)臂68。在靜態(tài)節(jié)點(diǎn)46與位于刀具50處的最大振幅48之間具有線性軸承52。線性軸承52允許在振動(dòng)臂68的縱向軸線方向上的振動(dòng)，但使在振動(dòng)臂68的徑向(或橫向)方向上的振動(dòng)最小化。
通過U形軸承座54(其具有由中部60接合的上鉗56及下鉗58)將線性軸承52附裝至安裝塊62。將中部60可移除并可調(diào)整地安裝至安裝塊62。將安裝塊62可移除并可調(diào)整地安裝至刀具立柱30。
上鉗56及下鉗58均可分開，且每個(gè)都具有縫隙64。使用緊固螺紋件66以通過線性軸承52上的鉗56，58來控制夾鉗力。以此方式，可以調(diào)整并控制振動(dòng)臂68的徑向/橫向振動(dòng)。
線性軸承52可以是公知的任何一種結(jié)構(gòu)，例如公知的可從美國伊利諾斯州的Glenview城的Hiwin Technologies公司商購獲得的“KUGELBUCHSE”線性軸承。在圖4中示意性地示出了這種線性軸承52。其包括其中具有縫隙72的殼體70。殼體70通常由諸如鋼的金屬制成，優(yōu)選地相對(duì)較薄。在殼體內(nèi)具有圓柱體74，其中轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝有多個(gè)滾珠76。圓柱體74優(yōu)選地為塑料材料。滾珠76優(yōu)選地為諸如鋼的金屬材料，并以卡緊固定的形式保持在主體74中。滾珠76突出超過主體74的內(nèi)表面78及外表面80?？p隙72允許鉗56，58在殼體70上放松，由此增大主體74在振動(dòng)臂68上的夾鉗力。
以此方式，隨著靜態(tài)節(jié)點(diǎn)24之間的間距的減小，振動(dòng)臂68的軸向長度可減小。此外，鉗制位置42與線性軸承52之間的軸向間距優(yōu)選地小于振動(dòng)波44的波長的一半。(下鉗58的)最下端鉗制位置優(yōu)選地鄰近刀具50。但是，其也可位于電極臂68上的任何位置。因此，因?yàn)檎駝?dòng)臂68不需要現(xiàn)有振動(dòng)臂12的相對(duì)較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，故可將振動(dòng)臂68制造的具有減小的直徑。例如，下鉗58距離刀具50的間距可在3mm至15mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地為10mm。通過使得振動(dòng)臂68具有較短的軸向長度并具有較小的半徑，可以減小超聲波轉(zhuǎn)換器40需求的功率。這可降低在刀具50處產(chǎn)生的熱量。此外，這使得該設(shè)備可用于高精度加工。
取決于切割參數(shù)，超聲波轉(zhuǎn)換器40示例性地可以40KHz工作，而振幅可在0μm至24μm的范圍內(nèi)、優(yōu)選地在2μm至4μm的范圍內(nèi)改變。切割速度可小于10米/分鐘，其中切割深度及進(jìn)給速率分別小于10微米及10微米/圈。橫向/徑向及隨機(jī)振動(dòng)可處于0.1μm至0.2μm的范圍內(nèi)。因此可將鋼材加工至具有Ra＜8nm的鏡面光整度。此外，因?yàn)榻档偷臏囟仁沟脺p少了石墨的形成，故可以延長刀具50的壽命。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可將刀具壽命延長600倍。
工件可以是任何尺寸，但對(duì)于直徑大于40mm的尺寸而言，需要較高的頻率及/或較長的加工時(shí)間。已經(jīng)能夠加工直徑小于10μm的尺寸的工件。工件可以是任何合適的材料，例如玻璃、透鏡用玻璃、鋼、不銹鋼、磁化不銹鋼、及模制加工鋼等等。
雖然以上已對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，在不脫離本發(fā)明的前提下可對(duì)上述設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)進(jìn)行各種改變或變更。
元件標(biāo)號(hào)8-現(xiàn)有設(shè)備10-超聲波轉(zhuǎn)換器12-動(dòng)臂14-安裝塊16-限位鉗18-下鉗20-刀具22-聲波24-靜態(tài)節(jié)點(diǎn)26-最大振幅位置28-實(shí)施例的設(shè)備
30-刀具立柱32-刀具立柱的上部34-刀具立柱的下部36-刀具立柱的上部32與刀具立柱的下部34之間的縫隙38-調(diào)整旋鈕40-超聲波轉(zhuǎn)換器42-在靜態(tài)節(jié)點(diǎn)處的鉗制工具44-振動(dòng)波46-靜態(tài)節(jié)點(diǎn)48-最大振幅50-刀具52-線性軸承54-(U形)軸承座56-上鉗58-下鉗60-中部62-安裝塊64-上鉗56及下鉗58中的縫隙66-緊固螺紋件68-振動(dòng)臂70-殼體72-殼體70中的縫隙74-主體76-滾珠78-主體74的內(nèi)表面80-主體74的外表面
權(quán)利要求
1.一種用于超聲波振動(dòng)輔助加工的設(shè)備，所述設(shè)備包括超聲波轉(zhuǎn)換器，用于在振動(dòng)臂中產(chǎn)生超聲波；位于所述超聲波的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)處在所述振動(dòng)臂上的第一鉗；以及位于所述第一鉗與所述振動(dòng)臂的最下端之間的第二鉗；其中所述第二鉗包括線性軸承，用于減小所述振動(dòng)臂在所述振動(dòng)臂的橫向方向上的振動(dòng)，并用于允許所述振動(dòng)臂在所述振動(dòng)臂的縱向方向上的振動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述線性軸承以小于半個(gè)所述超聲波的波長的距離軸向地間隔離開所述第一鉗。
3.一種用于超聲波振動(dòng)輔助加工的設(shè)備，所述設(shè)備包括超聲波轉(zhuǎn)換器，用于在振動(dòng)臂中產(chǎn)生超聲波；位于所述超聲波的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)處在所述振動(dòng)臂上的第一鉗；以及位于所述第一鉗與所述振動(dòng)臂的最下端之間的第二鉗；其中所述第二鉗以小于半個(gè)所述超聲波的波長的距離軸向地間隔離開所述第一鉗。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述第二鉗包括線性軸承，用于減小所述振動(dòng)臂在所述振動(dòng)臂的橫向方向上的振動(dòng)，并用于允許所述振動(dòng)臂在所述振動(dòng)臂的縱向方向上的振動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1，2或4所述的設(shè)備，其中，所述第二鉗大致呈U形，并包括上鉗、下鉗、以及位于所述上鉗與所述下鉗之間的中部。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述上鉗及所述下鉗相對(duì)于所述線性軸承可調(diào)整。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的設(shè)備，其中，所述第二鉗可移除并可調(diào)整地安裝在安裝塊中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述第一鉗可移除地附裝至所述安裝塊。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的設(shè)備，其中，所述安裝塊可移除并可調(diào)整地安裝在刀具立柱中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中，所述刀具立柱包括上部；下部；位于所述上部與所述下部之間的縫隙；以及用于調(diào)整所述縫隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，還包括，刀具，所述刀具可拆卸地于所述振動(dòng)臂的所述最下端位置安裝至所述振動(dòng)臂。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述靜態(tài)節(jié)點(diǎn)僅是位于所述超聲波轉(zhuǎn)換器與所述振動(dòng)臂的所述最下端之間的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于超聲波振動(dòng)輔助加工的設(shè)備，所述設(shè)備包括超聲波轉(zhuǎn)換器，用于在振動(dòng)臂中產(chǎn)生超聲波；位于所述超聲波的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)處在所述振動(dòng)臂上的第一鉗；以及位于所述第一鉗與所述振動(dòng)臂的最下端之間的第二鉗。所述第二鉗包括線性軸承，用于減小所述振動(dòng)臂在所述振動(dòng)臂的橫向方向上的振動(dòng)，并用于允許所述振動(dòng)臂在所述振動(dòng)臂的縱向方向上的振動(dòng)。
文檔編號(hào)B23P17/00GK101014436SQ200480043874
公開日2007年8月8日 申請(qǐng)日期2004年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月26日
發(fā)明者劉向東, 丁欣 申請(qǐng)人:新加坡科技研究局