用于线锯切割的超声振动弹性加载装置

摘要

提供一种用于线锯切割的超声振动弹性加载装置，弹性超声振动台安装在切割机工作台上(进给拖板)，其与工作台连接处设计有开口相反的槽口以减弱振动台屈服力，从而提高横振或纵振换能器传振效率，有利于换能器小型化，电力消耗降低；同时采用双超声波换能器对弹性超声振动台加载纵振或者横振，使弹性超声振动台做强迫超声振动，带动工件与固结电镀金刚石砂线相对振动，从而达到高效率高精密超声加工目的。

说明书

技术领域

本发明属硬脆材料切割装置技术领域，具体涉及一种用于线锯切割的超 声振动弹性加载装置。

背景技术

单晶SiC、宝石、硅晶体等硬脆材料因具有优良稳定的物理、化学性能而 被广泛用于航空航天、电子、化工等领域。但是，硬脆材料由于其硬而脆的 特性使其切片加工非常困难，并且加工精度低、成本高。固结磨料金刚石线 锯切片技术由于具有切缝窄、材料去除率高、切片质量好和切割环境清洁等 优点而受到越来越广泛地关注。但其加工过程的难度是众所周知的，中国专 利ZL03133682.5和中国专利CN201010565214均是在线锯上附加了超声波， 尽管切割效率及晶片精度较加超声波之前有所提高，但是专利ZL03133682.5 线锯行程太短，切割过程中需不停更换线锯，有效切割时间少，不能用于实 际生产当中，专利CN201010565214超声波头与线锯直接接触，金刚石线锯切 割工件的同时，对超声波头也进行了切割，一方面造成线锯寿命缩短，另一 方面造成超声能量很快衰减直至消失。以上两种加工方式使得加工成本增加、 效率降低。中国专利ZL200610044360.7和中国专利CN103158204A分别在工 作台或者工件上加载超声波以产生谐振从而实现超声线锯复合切割，这两种 加载方式可以有效解决上述两种加载方式带来的缺陷，但是专利 ZL200610044360.7将工件固定在工作台上，超声波驱动工作台，使工作台带 动工件在切割时超声振动以实现超声线锯复合切割的目的，其缺点一是由于 超声波要带动工作台、卡具及工件一起谐振，超声负载过重，超声换能器难 以与之达到良好的声学匹配；二是在切割过程中，工件质量或形状持续发生 改变，切割系统的固有频率也跟着改变，自身频率已超出换能器谐振频率范 围，甚至难已使换能器起振，所以使换能器与工作台达到谐振状态在实际应 用中很难实现。而专利CN103158204A由存在以下弊端：一是直接将超声波加 载在工件上，这对SiC单晶等硬脆材料来说在晶片表面和次表面会产生更多 的裂纹，造成后续研磨余量加大、材料浪费严重且成品率低；二是要求与工 件接触表面直接贴合的接触表面且超声波发射表面具有与待切物相同的长 度，这就使得针对不同形状的工件制作特殊的超声波头，通用性降低；三是 要求超声波频率始终保持在切割系统的共振频率或者接近共振频率上，这就 需要在切割过程中切割频率持续调整以保证切割顺利进行，工作太繁琐。上 述缺陷，制约了此切片技术在切割硬脆材料方面的应用，因此，有必要提出 改进。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种用于线锯切割的超声振动弹性加载装 置，弹性超声振动台安装在切割机工作台上(进给拖板)，其与工作台连接处 设计有一体化弹性叠层以减弱振动台屈服力，从而提高横振或纵振换能器传 振效率，有利于换能器小型化，电力消耗降低；同时采用双超声波换能器对 弹性超声振动台加载纵振或者横振，使弹性超声振动台做强迫超声振动，带 动工件与电镀金刚石砂线相对振动，从而达到超声加工目的。

本发明采用的技术方案：用于线锯切割的超声振动弹性加载装置，具有 弹性超声振动台，所述弹性超声振动台固定在进给拖板一侧，横振超声换能 器通过横振调整手柄与弹性超声振动台侧部接触，纵振超声换能器穿过进给 拖板并通过纵振调整手柄与弹性超声振动底端部接触，所述弹性超声振动台 上端面设有固定工件的安装夹具，电镀金刚石线锯绕过上导线轮和下导线轮 并与工件紧密接触。

进一步地，所述弹性超声振动台由支撑面、弹性支撑腿和安装部构成， 所述弹性支撑腿一端置于支撑面下部且与进给拖板之间形成空腔，所述安弹 性支撑腿另一端与安装部一端连接，安装部另一端与进给拖板通过螺栓固定 连接。

进一步地，所述支撑面、弹性支撑腿和安装部为一体式结构且三者构成 形状。

进一步地，所述弹性支撑腿靠近安装部处制有开口相反的槽口形成一体 化弹性叠层。

本发明与现有技术相比的优点：

1、弹性超声振动台实现超声波换能器与振动台的弹性连接，有效减少了 超声能量向进给拖板及工作台的传递、提高超声能量的利用率；

2、本结构为强迫振动而非现有技术所采用的谐振，超声换能器采用弹性 耦合传振方式，即超声换能器变幅杆与振动台不是刚性连接，而是在一定弹 性压力下传振，此时振动台处于強迫振动状态，其工作频率始终与换能器频 率保持一致，在切割过程中切割线张力，工件的形状、质量大小都不会影响 超声换能器工作频率及振幅；

3、可根据加工需要任意改变振动方向，纵振、横振或者纵振、横振按一 定振幅强度比例混合加载，可形成复杂振动模式(如椭圆振动)，通用性提高。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1描述本发明的一种实施例。

用于线锯切割的超声振动弹性加载装置，具有弹性超声振动台7，所述述 弹性超声振动台7由支撑面11、弹性支撑腿12和安装部13构成，所述弹性 支撑腿12一端置于支撑面11下部且与进给拖板8之间形成空腔14，所述安 弹性支撑腿12另一端与安装部13一端连接，安装部13另一端与进给拖板8 通过螺栓固定连接。所述支撑面11、弹性支撑腿12和安装部13为一体式结 构且三者构成形状。所述弹性支撑腿12靠近安装部13处制有开口相反的 槽口形成一体化弹性叠层15。一体化弹性叠层15的设置，使超声振动台与进 给拖板8形成弹性连接，从而使固定在进给拖板8上的横振超声换能器6和 纵振超声换能器9均以弹性方式连接。

上述弹性超声振动台7固定在进给拖板8一侧，横振超声换能器6通过 横振调整手柄5与弹性超声振动台7的弹性支撑腿12接触，纵振超声换能器 9穿过进给拖板8置于空腔14内并通过纵振调整手柄10与弹性超声振动7底 端部接触，所述弹性超声振动台7上端面设有固定工件3的安装夹具，电镀 金刚石线锯2绕过上导线轮1和下导线轮4并与工件3紧密接触。

工作时，电镀金刚石线锯2绕过上导线轮1和下导线轮4上下往复运动 或单向运动，工件3与电镀金刚石线锯2紧密接触；横振超声换能器6、弹性 超声振动台7及纵振超声换能器9固定在进给拖板8上，通过横振调整手柄5 和纵振调整手柄10分别调整横振超声换能器6及横振超声换能器9，以实现 超声波的横向施加或纵向施加，或者按加工要求实现任意方向的超声振动施 加，工件3粘贴在弹性超声振动台7上端面的安装夹具上，超声通过弹性超 声振动台7施加给工件3，从而实现超声线锯复合切割，提高生产效率。

本发明中，超声换能器采用弹性耦合传振方式，即超声换能器变幅杆与 振动台(进给拖板8)不是刚性连接，而是在一定弹性压力下传振，此时振动 台处于強迫振动状态，其工作频率始终与超声换能器频率保持一致，在切割 过程中切割线张力，工件的几何形状、质量大小都不会影响超声换能器工作 频率及振幅，实践告诉我们在加工行进中频率一旦变化必将导致切割表面出 现微观接刀痕迹，本发明不需调整频率或频率自动跟踪即可提高超声能量的 利用率和切割效率，具有很高的实用价值。为保证双换能器工作频率相位一 致或可控，以利合成不同振模如椭圆振动等等，驱动功率源采用数字DSP输 出两路同相位或可任意精确控制相位信号，分别推动两路功率放大器驱动超 声换能器工作，使两个超声换能器振幅分别调整。

本发明适用于切割红(蓝)宝石、SiC单晶等贵重硬脆材料，也适合切割 一般硬脆材料。这种装置可用于游离磨料线锯切割也可用于固结金刚石磨料 线锯切割，既可以用于单线切割也可用于多线切割。

上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围， 故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要 求范围之内。