CN100591431C - 一种用于振动切削的复合式激振装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于振动切削的复合式激振装置，它是由壳体3、变频器24、电动机23、联轴器22、主动轴10、锥齿轮副21、垂直轴20、曲柄滑块机构、圆柱齿轮传动机构、双偏心机构、隔振单元、弹簧7、中心轴4、平键5和法兰轴1等组成。本发明通过曲柄滑块机构和双偏心机构把输入的一个旋转运动转化为具有一定频率和振幅的一个扭转振动和一个轴向振动的叠加运动，并可以实现扭转振动频率1-100Hz无级调节、振幅3°-10°有级调节，轴向振动频率10-50Hz有级调节、振幅0-0.4mm无级调节。根据加工需要，可以单独选择扭转振动、轴向振动和复合振动。

Description

一种用于振动切削的复合式激振装置

所属技术领域

本发明涉及振动切削领域的一种复合式激振装置。通过相应的机械传递与转换机构，本装置可以把输入的一个旋转运动转换为由一个扭转振动和一个轴向振动叠加而成的复合振动，并且可以方便地实现扭转振动、轴向振动的单独控制。

背景技术

自振动切削技术创始以来，国内外许多学者对其进行深入的研究，并取得了大量的研究成果，结果表明：振动切削技术从根本上改变了切削加工机理，具有许多传统切削技术所不可能达到的工艺效果，譬如：减小了切削力、降低了切削温度、改善了断屑排屑状况、明显提高了加工质量等等。因此，振动切削技术在硬脆材料、难加工材料如不锈钢、高温合金、钛合金及复合材料的加工方面具有广阔的应用前景。尽管振动切削技术具有诸多优点，但目前仍没有得到的推广应用，其主要原因之一：缺乏承载能力大、结构简单、使用方便、能满足不同加工要求的激振装置。

目前，用于振动钻削和振动攻丝的激振装置大多只能实现单一的振动形式，或者轴向振动或者扭转振动，而单一振动往往不能满足加工过程中的多种要求。譬如：对于钻削加工，叠加轴向振动可以改善断屑条件和润滑效果、提高横刃的切削性能，但轴向振动使钻头对工件产生轴向冲击负荷，降低了工艺系统的稳定性，在加工硬质材料时极易引起刀具崩刃。叠加扭转振动虽然可以避免冲击，从而保护了刀具，但也有其不足之处：因为钻头横刃处振幅为零，横刃的不利影响仍然很严重，并不能明显减小轴向力和出口毛刺。因此，只有把两种振动有机的结合起来才能达到理想的工艺效果。

吉林工业大学采用高性能的钕铁硼永磁材料，依据永磁体之间同性相斥、异性相吸的磁特性，通过一定的磁路设计，制成了一种用于钻床上的永磁复合激振器。激振器分为动盘和静盘两部分，动盘与钻床主轴固联，静盘固定在箱体上，随着主轴的旋转，可产生轴向振动与扭转振动的两路正弦激振波形，从而满足复合振动钻削的需要。该装置结构简单、使用方便，但此装置需要对原有机床做较大的改进，且不易实现轴向振动和扭转振动的单独控制，因此大大限制了它的推广和应用。

中南工学院采用偏心轮摆杆机构和滚珠丝杠螺母机构研制出了一种用于车床上的复合振动装置，通过这种装置可实现对工件的轴向振动、扭转振动和复合振动钻削加工，但该装置振动形式的转换麻烦，不易实现参数的单独控制，且不能满足钻床、攻丝机床等大多加工场合的要求。

发明内容

为了克服上述装置的不足，本发明提出一种用于振动切削的复合式激振装置。与现有的激振装置比，本发明结构简单，参数调整方便，可以广泛应用于振动攻丝、振动钻削等机械加工技术领域。

本发明所述装置是由壳体、变频器、电动机、联轴器、主动轴、锥齿轮副、垂直轴、曲柄滑块机构、圆柱齿轮传动机构、双偏心机构、隔振单元、弹簧、中心轴、平键和法兰轴组成。其中曲柄滑块机构包括调整盘、滑块、曲柄；圆柱齿轮传动机构包括主动轮、挂轮、从动轮；双偏心机构包括偏心轴、偏心套、滚针轴承；隔振单元包括推力球轴承、轴承顶盖。该装置通过变频器来控制电动机的转速，电机轴和主动轴通过联轴器联接；主动轴、垂直轴和偏心轴通过轴承安装在壳体上，锥齿轮副中的主动轮安装在主动轴上，从动轮安装在垂直轴的下端，垂直轴的上端与曲柄滑块机构固定联接，曲柄滑块机构通过平键与法兰轴连接，从而实现扭转振动的传递；主动轴和偏心轴之间通过圆柱齿轮传动机构联接并传递运动，偏心轴和偏心套具有相同的偏心距，通过锁紧螺母固定它们之间的相对位置，双偏心机构产生的轴向振动经过隔振单元和中心轴传递到法兰轴；中心轴的一端与隔振单元的推力球轴承内圈过盈配合，另一端与法兰轴螺纹连接。

所述的复合式激振装置是以变频器驱动电动机作为轴向振动和扭转振动的动力源。

所述的复合式激振装置，通过曲柄滑块机构把旋转运动转换为扭转振动，通过双偏心机构把旋转运动转化为轴向振动。

所述的复合式激振装置，法兰轴前端既可以安装三爪卡盘也可以固定水平台面，可以满足不同零件的安装需要；法兰轴内部设计成莫氏2号锥孔，用来安装顶尖，从而方便了定心操作。

所述的复合式激振装置，在中心轴的下端安装了推力球轴承，有效地减弱和消除了扭转振动对双偏心机构的不良影响。

此外，为了使双偏心结构产生的轴向振动能够有效地传递到中心轴，本发明通过弹簧产生的预紧力来保证它们之间的良好接触。

本发明的优点在于：

1制作方便，成本低，便于推广  装置中除了壳体和少数元件需要单独加工以外，大部分零部件可以直接选用标准件，从而减小了制作的工作量和成本。

2结构简单，安装方便，通用性好  在原有机床设备不需要做任何改变的前提下，可以固定在摇臂钻床、立式钻床、攻丝机和其它相应机床的工作台上，直接进行振动钻削、振动攻丝加工。

3振动参数调整方便，可以满足不同的加工要求  本发明可以实现扭转振动、轴向振动和复合振动三种不同的振动方式，且可以实现扭转振动和轴向振动参数的单独控制和调节。

4参数调节准确  与液压激振装置相比，本发明承载能力大、振幅损失小。且本装置没有选用大多数机械激振装置中的带传动结构，从而避免了重载情况下由于皮带打滑而造成的振动频率失真。

附图说明

图1复合式激振装置结构图

1法兰轴  2衬套  3壳体  4中心轴  5平键  6锁紧螺母  7弹簧  8推力球轴承  9轴承顶盖  10主动轴  11主动轮  12挂轮  13从动轮  14偏心轴  15偏心套  16滚针轴承17曲柄  18滑块  19调整盘  20垂直轴  21锥齿轮副  22联轴器  23电动机  24变频器

图2中心轴结构图

图3圆柱齿轮传动机构局部示意图

通过更换主动轮11或从动轮13，及调整挂轮12在滑槽25中的位置来达到改变传动比的目的，最终满足改变轴向振动频率的需要。

图4曲柄结构图

图5调整盘的结构示意图

调整盘19借助中心孔固定安装在垂直轴20的上端，盘面上距离中心远近不等的小孔为滑块18的固定孔。在加工过程中，根据不同的扭转振幅的要求调整滑块18在调整盘19上的径向位置。

具体实施方式

本发明是一种用于振动切削的复合式激振装置，在只有一个动力源的前提下，通过曲柄滑块机构和双偏心机构，本发明能将电动机输出的旋转运动转换为具有一定频率和振幅的一个扭转振动和一个轴向振动叠加的复合振动，并且可以实现轴向振动、扭转振动的单独选择与控制。其可实现的轴向振动频率为10-50Hz(有级调节)、振幅为0-0.4mm(无级调节)，扭转振动频率为1-100Hz(无级调节)、角振幅为3°-10°(有级调节)。

如图1，本发明是由壳体(3)、变频器(24)、电动机(23)、联轴器(22)、主动轴(10)、锥齿轮副(21)、垂直轴(20)、曲柄滑块机构、圆柱齿轮传动机构、双偏心机构、隔振单元、弹簧(7)、中心轴(4)、平键(5)和法兰轴(1)组成，其中曲柄滑块机构包括调整盘(19)、滑块(18)、曲柄(17)，圆柱齿轮传动机构包括主动轮(11)、挂轮(12)、从动轮(13)，双偏心机构包括偏心轴(14)、偏心套(15)、滚针轴承(16)，隔振单元包括推力球轴承(8)、轴承顶盖(9)；它们之间的连接与传动关系如下：电动机(23)的输出轴通过联轴器(22)与主动轴(10)联接，锥齿轮副(21)的主动轮安装在主动轴(10)上，从动轮安装在垂直轴(20)的下端，调整盘(19)固定安装在垂直轴(20)的上端；随着调整盘(19)的转动，滑块(18)固定在调整盘(19)上面，曲柄(17)小端的平行槽为滑块(18)的滑动槽，曲柄(17)的大端孔与法兰轴(1)间隙配合并借助平键(5)传递扭转振动；主动轴(10)和偏心轴(14)之间通过圆柱齿轮传动机构连接并传递运动，偏心轴(14)和偏心套(15)具有相同的偏心距，并通过锁紧螺母(6)固定它们之间的相对位置，从而把旋转运动转化为轴向振动；滚针轴承(16)的内圈与偏心套(15)过盈配合，其外圈在弹簧(7)的预紧力作用下与轴承顶盖(9)紧密接触，轴承顶盖(9)通过推力球轴承(8)与中心轴(4)的一端连接，中心轴(4)的另一端与法兰轴(1)螺纹连接，从而实现轴向振动的传递。

该装置的工作原理为：以电动机23作为轴向振动和扭转振动的动力源，扭转振动的传递路线为：电动机23→联轴器22→主动轴10→锥齿轮副21→垂直轴20→调整盘19→滑块18→曲柄17→平键5→法兰轴1，通过变频器24控制电动机23的转速来实现扭转振动频率的变换，而扭转振幅的大小通过调整滑块18在调整盘19上的径向位置来调整；轴向振动的传递途径为：电动机23→联轴器22→主动轴10→主动轮11→挂轮12→从动轮13→偏心轴14→偏心套15→滚针轴承16→轴承顶盖9→推力球轴承8→中心轴4→法兰轴1，通过更换主动轮11或从动轮13，改变其传动比，从而达到调节轴向振动频率的目的，轴向振幅的大小通过调整偏心轴14和偏心套15之间的相对位置来实现。

其具体实施过程及步骤如下：

(1)装置的固定与调整  根据不同的加工需要，将该装置放置在相应机床的工作台上，调整其位置使法兰轴1的轴线与机床的旋转中心重合后，将其锁紧；并根据加工需要将卡盘或水平台面固定在法兰轴1上。

(2)设置扭转振动参数  根据加工要求，通过改变滑块18在调整盘19上的径向位置来调整扭转振幅；通过变频器23调整电动机22的转速来达到变换扭转振动频率的目的。

(3)设置轴向振动参数  松开偏心轴14上的锁紧螺母6，转动偏心套15调整轴向振幅，然后锁紧；根据轴向振动频率和扭转振动频率之间的比例关系，改变圆柱齿轮传动机构的传动比来调整轴向振动频率。

至此，相应的振动参数已设置完毕可以进行振动加工。当加工中只需要扭转振动时，可将挂轮12取下，切断轴向振动的传动路线；当加工中只需要轴向振动时，可将滑块18拿掉，切断扭转振动的传动路线。

Claims (3)

1.一种用于振动切削的复合式激振装置，其特征在于：其由壳体(3)、变频器(24)、电动机(23)、联轴器(22)、主动轴(10)、锥齿轮副(21)、垂直轴(20)、曲柄滑块机构、圆柱齿轮传动机构、双偏心机构、隔振单元、弹簧(7)、中心轴(4)、平键(5)和法兰轴(1)组成，其中曲柄滑块机构包括调整盘(19)、滑块(18)、曲柄(17)，圆柱齿轮传动机构包括主动轮(11)、挂轮(12)、从动轮(13)，双偏心机构包括偏心轴(14)、偏心套(15)、滚针轴承(16)，隔振单元包括推力球轴承(8)、轴承顶盖(9)；它们之间的连接与传动关系如下：电动机(23)的输出轴通过联轴器(22)与主动轴(10)联接，锥齿轮副(21)的主动轮安装在主动轴(10)上，从动轮安装在垂直轴(20)的下端，调整盘(19)固定安装在垂直轴(20)的上端；随着调整盘(19)的转动，滑块(18)固定在调整盘(19)上面，与曲柄(17)的滑槽相连，曲柄(17)的大端孔与法兰轴(1)间隙配合；主动轴(10)和偏心轴(14)之间通过圆柱齿轮传动机构连接，偏心轴(14)和偏心套(15)具有相同的偏心距，并通过锁紧螺母(6)固定它们之间的相对位置；滚针轴承(16)的内圈与偏心套(15)过盈配合，其外圈在弹簧(7)的预紧力作用下与轴承顶盖(9)紧密接触，轴承顶盖(9)通过推力球轴承(8)与中心轴(4)的一端连接，中心轴(4)的另一端与法兰轴(1)螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于振动切削的复合式激振装置，其特征在于所述的复合式激振装置，法兰轴前端能够安装三爪卡盘或固定水平台面；法兰轴内部设计成莫氏2号锥孔。

3.根据权利要求1所述的一种用于振动切削的复合式激振装置，其特征在于所述的复合式激振装置，在中心轴(4)的下端安装了所述推力球轴承(8)。

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