CN101537577B - 一种应用于振动切削的电控液击激振方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于振动切削的电控液击激振方法及装置，装置包括振动体、活塞、导向平键、活塞套筒、复位弹簧、活阀、圆柱塞、切削液分流管和电机，装置的激振系统和切削冷却系统合二为一，产生液击能的切削液同时作为切削刀具的冷却液。本发明的方法是以电机的旋转带动活阀旋转实现液路的瞬时导通与关断，液路关断液腔内液压骤增发生液击现象，瞬时高压产生的脉冲力使活塞向下运动压缩弹簧，液路导通活塞受弹簧力作用向上运动，液路周期性地导通与关断，活塞受迫上下运动形成振动。本发明的装置结构紧凑小巧，效率高，起振容易，振动振幅和频率易控制，使用方便，应用于振动切削可以突破传统加工工艺与材料的范围，具有广阔的市场前景。

Description

一种应用于振动切削的电控液击激振方法及装置

所属技术领域

本发明涉及一种应用于振动切削的电控液击激振方法及装置，具体地说是一种应用在于现代机械加工的振动切削技术的电控液击激振装置及其电控液击激振方法。 

背景技术

随着科学技术和工业生产的发展，人们对各种精密机械零件的加工精度和表面质量的要求越来越高；同时，在机械制造中日益广泛地采用不锈钢、耐热钢及钛合金等各种难加工材料，这对切削加工技术也提出了更高的要求，给切削加工带来了更大的困难。利用传统的切削加工方法，效率很低，难以保证高精度的技术要求，有的甚至无法加工，为此出现许多新的切削加工方法，振动切削就是其中一种新兴的加工方法。它是利用专门设置的振动装置，通过控制振动的振幅和频率，给刀具或工件施以一个或多个不同方向的低频、中频或者超声振动，使传统封闭切削区加工变成切削区周期性打开的间断、瞬间、往复的断续切削过程。振动切削加工方法已成为精密加工、超精密加工的重要发展方向，可以应用于难加工材料和难加工结构。 

激振装置是振动切削的核心技术之一。在目前的振动切削激振装置中，根据振动激励方式可分为机械式、液压式、电磁式、压电式和超声波式激振装置等。其中机械式激振装置不足之处是工作噪音大，磨损严重；液压式激振装置缺点是能耗高，换向速度慢，动力学响应速度相对较慢；电磁式振动装置的缺点是发热严重，不能长时间工作；压电式振动装置的缺点是输出功率有限，无法完全满足振动切削加工的要求；超声波式激振装置，往往由于结合松动、发热、疲劳和振幅波动等原因，限制了其在生产中的广泛使用。2009年2月公开了有液击式激振方法及装置，该装置是通过液路瞬时被关断，液压急剧增高而产生的液击能，并以液击能为激振装置的激振源。 

上述振动装置，除了2009年2月公开的液击式激振装置外，它们的激振系统和冷却系统是相互独立的，它们共同的缺点就是应用于振动切削时自身 不能为刀具提供冷却液，振动切削系统相对较复杂。 

发明内容：

不能为刀具提供冷却液，振动切削系统相对较复杂。 

本发明目的之一是提供一种能克服上述已有技术的不足，将激振系统和切削冷却系统合二为一、结构紧凑小巧，以液击能作为激振源的应用于振动切削的电控液击激振装置。 

本发明目的之二是提供一种控制方便的应用于振动切削的电控液击激振方法。 

为了达到上述目的，本发明提供一种应用于振动切削的电控液击激振装置，包括有振动体3、活塞4、复位弹簧9和活阀11，振动体上端设有进液口1，活塞安装在进液口的下方，导向平键5通过螺钉6固定在活塞上，导向平键下面安装有复位弹簧，导向平键和复位弹簧外周安装有活塞套筒8，活塞套筒通过活塞套筒螺钉18固定在振动体上；活塞、活塞套筒侧壁上分别开有活塞孔7和活塞套筒孔14，活塞的下端中空，活塞下端部与转换接柄连接；活阀安装在切削液主路13的下行路段，活阀的阀芯上有活阀通孔12，活阀的轴芯与电机17的转轴连接；在切削液主路的上侧和底部分岔的孔道口上分别装有密封用的上侧圆柱塞10和底部圆柱塞16，在切削液主路的下侧分岔的孔道口上安装有切削液分流管15；电机安装在振动体上；所述切削液主路导通时切削液由进液口流入，经液腔、活阀通孔、下行转向活塞套筒孔、活塞孔、从活塞下端流出。 

所述的活塞4安装在振动体内、在进液口1的下方，导向平键5有2个， 通过螺钉6固定在活塞两侧壁上，在导向平键下面安装有复位弹簧9，导向平键和复位弹簧外周安装有活塞套筒8，活塞、活塞套筒侧壁上分别开有2个活塞孔7和1个活塞套筒孔14，活塞的下端中空，在切削液主路13导通时切削液可以通过活塞下端空腔流入刀具发挥冷却、冲屑作用；活塞下端部可以安装标准的刀具转换接柄，如莫氏三号转换接柄，通过莫氏三号转换接柄可以安装不同型号的空心刀具，以满足不同加工工艺的要求；当切削液主路13关断时，液腔内液压骤增发生液击现象，瞬时高压产生的脉冲力使活塞向下运动压缩弹簧，液路导通液腔内液压骤减活塞受弹簧力向上运动，液路周期性地导通与关断，活塞受迫上下运动形成振动，活塞最终把振动能量传递给刀具进行振动切削。 

所述的导向平键5其作用在于限制活塞的周向旋转运动。所述的活塞套筒8安装在导向平键和复位弹簧外周，活塞套筒对活塞进行导向，使其在活塞套筒内上下运动并支撑复位弹簧9。所述的复位弹簧，其作用在于提供弹簧回复力，当切削液主路13导通时弹簧回复力推动活塞向上运动。 

所述的活阀11，安装在切削液主路1 3的下行路段。活阀的阀芯上有1～3条活阀通孔，活阀的结构如图4、5、6、7、8、9所示；当活阀的阀芯上只有1条活阀通孔时，活阀有垂直轴线方向的活阀通孔，当活阀的阀芯上有2条活阀通孔时，2条活阀通孔轴线相交于中心点且互相垂直，当活阀的阀芯上有3条活阀通孔时，3条活阀通孔轴线相交于中心点且夹角为60°。通过改变活阀通孔数，可以改变振动装置的最大振动频率。活阀在电机的带动下旋转，活阀的转动使切削液主路13周期性的被瞬间关断、导通产生液击激振。当切削液主路被关断时，切削液的高压脉冲力推动活塞向下运动压缩弹簧；当液路导通时，液流经活阀通孔、活塞孔，从活塞下部冲向刀具发挥冷却、冲屑作用，此时活塞受压骤减弹簧复位。 

本发明增加活阀通孔条数可提高活塞振动频率。设活阀通孔条数为n(n＝1，2，3)，电机转速为r，则活阀振动频率f＝2knr，公式中k为比例系数，可见通过改变活阀的活阀通孔条数，也可改变活塞振动频率范围，可适应更多的切削工艺，满足不同材料的加工要求。 

所述切削液主路13，导通时切削液2由进液口1流入，经液腔、活阀通孔12、下行转向活塞套筒孔14、活塞孔7、从活塞4下端流出。 

所述切削液分流管15安装在切削液主路的下侧分岔的孔道口中，切削液分流管外端连接一个控制阀，控制阀通过管道连接到高压泵的回油箱，在切削液主路13导通时，当刀具的冷却和排屑不需太多切削液时，过量的切削液可通过切削液分流管15分流，分流量由外接的控制阀控制将切削液送回到液压泵的回油箱。 

所述的安装在振动体上的电机17，电机的转轴与活阀的轴芯连接。采用的电机为步进电机或交流伺服电机或直流伺服电机。本发明的装置通过电机带动活阀旋转，选择不同额定转速的电机，可获得不同的活塞振动的频率，即通过调节电机转速就可方便地调节活塞的振动频率；将装置应用于振动切削时还可设置对振幅和频率的检测和补偿环节来调节液路流量和电机转速，使振幅和频率达到设定值，可以较好地解决加工过程中振幅衰减、频率不稳定的技术难题。 

目前机械式、液压式、电磁式、压电式、超声波式激振装置一般都包括有激振装置和切削冷却两大系统，本发明的激振装置将振动系统和切削冷却系统两大系统合二为一，采用液击能激振源，产生液击能的切削液同时作为切削冷却系统的冷却液，因此本发明的激振装置简化了切削冷却系统的结构，使激振装置的结构更简洁、紧凑和小巧。本发明的激振装置的振动频率通过电机的转速控制，频率调节方便、调节范围宽。 

本发明电控液击激振装置运行时，当活阀上的活阀通孔与切削液主路13的下行路段连通时，切削液主路是畅通的：切削液通过液压泵增压后由振动体的进液口1流入，流经活阀通孔、下行转向活塞套筒孔14、活塞孔7后从活塞底部流入转换接柄，最终从刀具流出发挥冷却、冲屑作用，带压力的切削液具有更好的冷却和排屑效果。 

本发明提供了一种能产生液击能进行振动切削的电控激振装置，同时也提供了一种利用本电控激振装置应用于振动切削的电控液击激振方法，以液击能为激振装置的激振源，电控液击激振的操作步骤如下： 

①配备一台电控液击激振装置，把装置安装在机床上，把转换接柄装在活塞下端部，然后将刀具固定在转换接柄上；选择好切削液并配备一台液压泵；在切削液分流管外端安装控制阀和与液压泵回油箱连接的管道； 

②设定切削液的流量、压力和电机的转速，切削液的流量为1～ 60L/min、压力为3～20MPa，电机的转速为500～3000r/min； 

③打开液压泵的开关，电控液击激振装置处初始状态，活塞和复位弹簧处于不受压状态，活阀上的活阀通孔与切削液主路下行路段连通，液路导通，切削液由进液口流入，经切削液主路，从活塞下部的刀具流出，过量的切削液经切削液分流管分流送回液压泵的回油箱； 

④打开电机的开关，电机转动带动活阀转动，当活阀转动使活阀通孔与切削液主路的下行路段不连通时，切削液主路被瞬间关断，液腔内液压猛然增大，发生液击现象，瞬时高压产生的高压脉冲推力作用在活塞上，活塞在高压脉冲力作用下向下运动压缩弹簧； 

⑤当活阀旋转使活阀通孔再次与切削液主路的下行路段连通时，液路导通，液腔内压力骤减，切削液再次沿切削液主路流向活塞底部冷却刀具和冲屑；同时活塞在复位弹簧的回复力作用下向上运动； 

⑥活阀在电机的带动下连续旋转，活阀通孔周期性地关断、导通切削液主路，液腔内周期性地发生液击现象，高压脉冲力作用在活塞和复位弹簧组成的弹簧质量体上，活塞受迫上下运动形成振动，通过电机的转速控制振动的频率；通过活塞把液击振动能传递给刀具转换接柄和刀具进行振动切削。 

本发明一种应用于振动切削的电控液击激振方法，是以控制电机转速和液流流量产生液击能作为激振装置的激振源，具有能量传递损耗小，效率高，起振容易，振动频率、振幅容易控制，液击激振操作方便等优点，应用于振动切削可以突破传统加工工艺的加工范围，具有广阔的市场前景。 

本发明所使用的切削液是产生液击能的液体同时也作为切削冷却液体，通过调整切削液的流量和电机转速，可以在很宽的范围内调整振动装置的振幅和频率等参数，从而实现更多的切削工艺，满足不同材料的加工要求。 

本发明一种应用于振动切削的电控液击激振方法和装置具有如下优点： 

1、本发明的激振源是液击能，与目前已有的机械式、液压式、电磁式、压电式和超声波式激振装置的振动激励方式完全不同，具有能量传递损耗小，效率高的优点。 

2、本发明的激振装置将激振和切削冷却两大系统合二为一，切削液是产生液击能的液体同时也作为切削冷却液体，因此简化了切削冷却系统的结构，降低了系统成本。使装置结构更简洁、紧凑，体积小巧，实用性强，使用方 便，可形成与生产线配套的专用设备部件，适合在生产线总体上基本维持不变的情况下，在一些关键工序上进行振动切削技术的更新改造。 

3、本发明充分发挥了切削液的使用价值，它即作为能量传递的介质，又可以充分发挥切削液的冷却和排屑功效，降低切削温度，提高切削质量； 

4、本发明通过调整切削液的流量和电机转速，可方便在很宽的范围内调整激振装置的振动振幅和频率等参数，电机可选择步进电机或伺服电机，选择不同的额定转速，就可调节活塞的振动频率；在生产线上还可设置对振幅和频率的检测和补偿环节来调节液路流量和电机转速，使振幅和频率达到设定值，可以较好地解决加工过程中振幅衰减、频率不稳定的技术难题，从而实现更多的切削工艺，满足不同材料的加工要求。 

附图说明

本发明的一种应用于振动切削的电控液击激振方法和装置用附图作进一步说明。 

图1为本发明一种应用于振动切削的电控液击激振装置的主视示意图。 

图2为本发明的电控液击激振装置的仰视示意图。 

图中有四个活塞套筒螺钉18把活塞套筒8固定在振动体3上。 

图3为本发明的电控液击激振装置的左视示意图。 

图4为本发明图1的E-E向剖视示意图，图中的装置处于初始状态，活塞4和复位弹簧9处于初始位置；切削液主路13导通，活阀11有1条活阀通孔12，活阀通孔12与切削液主路13的下行路段连通，切削液2由进液口1流入，经活阀通孔12、下行转向活塞套筒孔14、活塞孔7，从活塞4下端流出，过量的切削液通过切削液分流管15分流。 

图5为图3的D-D向剖视图。 

图6为本发明活阀有2条活阀通孔12的结构示意图。 

图7为图6的A-A向剖视示意图。 

图8为本发明活阀有3条活阀通孔12的结构示意图。 

图9为图8的B-B向剖视示意图。 

图10为本发明的装置处于切削液主路被关断时的结构剖面示意图。图中活阀11的活阀通孔12与切削液主路13的下行路段不连通，液路被关断，发生液击现象，活塞4在切削液2高压脉冲力的作用下向下运动压缩弹簧。 

上述图中：1进液口、2切削液、3振动体、4活塞、5导向平键、6螺钉、7活塞孔、8活塞套筒、9复位弹簧、10上侧圆柱塞、11活阀、12活阀通孔、13切削液主路、14活塞套筒孔、15切削液分流管、16底部圆柱塞、17电机、18活塞套筒螺钉。 

具体实施方式

实施例1：一种应用于振动切削的电控液击激振装置，其结构如图1、2、3和4所示。包括振动体3上端设有的进液口1、活塞4、有2个导向平键5、螺钉6、活塞套筒8、复位弹簧9、活阀11、切削液主路13、切削液分流管15、电机17和2个密封用圆柱塞。先用螺钉把2个导向平键固定在活塞两侧，在导向平键下面安装复位弹簧，导向平键和复位弹簧外周安装活塞套筒，活塞安装在振动体内，在进液口下方，因此把活塞、活塞套筒从振动体底部装入，将活塞套筒侧壁上的活塞套筒孔14和活塞孔7朝向切削液主路，用活塞套筒螺钉18固定；活塞的下端中空，活塞下端部可固定莫氏三号转换接柄，刀具固定在接柄中；活阀安装在切削液主路的下行路段，活阀的阀芯上有1条活阀通孔12，活阀的轴芯与电机的转轴连接，振动体的上侧和底部与切削液主路的分岔的孔道口上分别安装上密封用的上侧圆柱塞10和底部圆柱塞16，在切削液主路的下侧分岔的孔道口中安装切削液分流管；选用步进式电机安装在振动体上。 

实施例2：一种应用于振动切削的电控液击激振装置，活阀上有2条活阀通孔，2条活阀通孔的轴线相交于中心点且相互垂直，选用直流伺服电机，其余结构与实施例1相同。 

实施例3：一种应用于振动切削的电控液击激振装置，活阀有3条活阀通孔，3条活阀通孔相交于中心点且夹角为60°，选用交流伺服电机，其余结构与实施例1相同。 

实施例4：一种将实施例1的电控液击激振装置应用于振动切削电控液击激振方法，其电控液击激振的操作步骤如下： 

①配备一台电控液击激振装置，把装置安装在机床上，在活塞下端固定莫氏三号转换接柄，将刀具固定在莫氏三号转换接柄上；选择好切削液并配备一台液压泵；在切削液分流管15外端安装控制阀和与液压泵回油箱连接的管道； 

②根据本例切削产品的材料是塑料，设定切削液的流量为1L/min、压力3MPa，电机的转速为500r/min； 

③打开液压泵的开关，电控液击激振装置处初始状态，活塞和复位弹簧处于不受压状态，活阀上的活阀通孔与切削液主路下行路段连通，如图4所示，液路导通，切削液由进液口流入，经过活阀通孔，下行转向活塞套筒孔14、活塞孔7，从活塞4下端流出，过量的切削液通过切削液分流管15分流； 

④打开电机的开关，电机转动带动活阀转动，当活阀转动使活阀通孔与切削液主路的下行路段不连通时，如图10所示，切削液主路被瞬间关断，液腔内液压猛然增大，发生液击现象，瞬时高压产生的高压脉冲推力作用在活塞上，活塞在脉冲力作用下向下运动压缩弹簧； 

⑤当电机带动活阀旋转使活阀通孔再次与切削液主路的下行路段连通时，液路导通，液腔内压力骤减，切削液再次沿切削液主路流向活塞底部，发挥冷却刀具和冲屑作用，同时活塞在复位弹簧的回复力作用下向上运动； 

⑥活阀在电机带动下连续作旋转运动，活阀通孔周期性地关断、导通切削液主路，液腔内周期性地发生液击现象，高压脉冲力作用在活塞和复位弹簧组成的弹簧质量体，活塞受迫上下运动形成振动，通过电机的转速控制振动的频率；通过活塞把液击振动能传递给莫氏三号转换接柄和刀具进行振动切削。 

实施5：一种将实施例2的电控液击激振装置应用于振动切削电控液击激振方法，切削液的流量为60L/min、压力为20MPa，电机的转速为3000r/min；其余的操作方法同实施例4。 

本发明的电控液击激振方法中，使用的切削液是产生液击能的液体同时也作为切削冷却液体，因而简化了切削冷却系统的结构，降低了系统成本，本发明的装置体积小巧、实用性强，使用方便，可形成与生产线配套的专用设备部件，适合在生产线总体上基本维持不变的情况下，在一些关键工序上进行振动切削技术的更新改造，可以突破传统加工工艺和材料的范围，具有广阔的市场前景。 

Claims (5)

1.一种应用于振动切削的电控液击激振装置，包括有振动体、活塞、复位弹簧和活阀，其特征在于振动体上端设有进液口，活塞安装在进液口的下方，导向平键通过螺钉固定在活塞上，导向平键下面安装有复位弹簧，导向平键和复位弹簧外周安装有活塞套筒，活塞套筒通过活塞套筒螺钉固定在振动体上；活塞、活塞套筒侧壁上分别开有活塞孔和活塞套筒孔，活塞的下端中空，活塞下端部与转换接柄连接；活阀安装在切削液主路的下行路段，活阀的阀芯上有活阀通孔，活阀的轴芯与电机的转轴连接；在切削液主路的上侧和底部分岔的孔道口中分别装有密封用的上侧圆柱塞和底部圆柱塞，在切削液主路的下侧分岔的孔道口中安装有切削液分流管；电机安装在振动体上；所述切削液主路导通时切削液由进液口流入，经液腔、活阀通孔、下行转向活塞套筒孔、活塞孔、从活塞下端流出。

2.根据权利要求1所述的一种应用于振动切削的电控液击激振装置，其特征在于活阀的阀芯上的活阀通孔有1～3条。

3.根据权利要求1和2所述的一种应用于振动切削的电控液击激振装置，其特征在于当活阀的阀芯上只有1条活阀通孔时，活阀有垂直轴线方向的活阀通孔，当活阀的阀芯上有2条活阀通孔时，2条活阀通孔轴线相交于中心点且互相垂直，当活阀的阀芯上有3条活阀通孔时，3条活阀通孔轴线相交于中心点且夹角为60°。

4.根据权利要求1所述的一种应用于振动切削的电控液击激振装置，其特征在于采用的电机为步进电机或交流伺服电机或直流伺服电机。

5.一种将权利要求1所述的装置应用于振动切削的电控液击激振的方法，以液击能为激振装置的激振源，其特征在于电控液击激振的操作步骤如下：

①配备一台电控液击激振装置，把装置安装在机床上，把转换接柄装在活塞下端部，然后将刀具固定在转换接柄上；选择好切削液并配备一台液压泵；在切削液分流管外端安装控制阀和与液压泵回油箱连接的管道；

②设定切削液的流量、压力和电机的转速，切削液的流量为1～60L/min、压力为3～20MPa，电机的转速为500～3000r/min；

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