CN102152176A

CN102152176A - 单激励二维超声振动辅助超精密金刚石砂轮磨削装置

Info

Publication number: CN102152176A
Application number: CN2011100309365A
Authority: CN
Inventors: 赵波; 闫艳燕
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2011-08-17

Abstract

本发明公开了一种单激励二维超声振动辅助超精密金刚石砂轮磨削装置，包括工作台，工作台上设有主轴箱，主轴箱通过主轴与金刚石砂轮连接，实现金刚石砂轮微米级的进给运动，工作台上设有单激励二维超声振动系统，使工件产生具有椭圆运动轨迹的超声振动，这样整个磨削装置会在被加工材料表面形成螺旋式的独特加工轨迹。本发明具有调节方便、能量集中、瞬间作用、快速切削、细化加工表面等特性，能有效地改变传统加工的切削机制，进一步提高了砂轮的耐用度，材料去除率及表面质量。

Description

单激励二维超声振动辅助超精密金刚石砂轮磨削装置

技术领域

本发明属于硬脆材料精密超精密加工领域，具体涉及单激励二维超声振动辅助超精密金刚石砂轮磨削装置。

背景技术

硬脆材料的高效高质高可靠性加工迄今在国际上仍然是一个难题。硬脆材料的典型特征是脆性高，断裂韧性低，弹性极限与强度非常接近，加工时，当材料承受的载荷超过弹性极限，就会发生断裂破坏，在已加工表面形成裂纹和凹坑，严重影响其表面质量、加工效率和材料可靠性。目前，陶瓷材料的机械加工一般采用金刚石砂轮磨削或研磨加工方法，加工效率低，加工成本很高（一般要占生产成本的50％甚至75％），而且很难实现超精密加工，磨削加工中存在的较大磨削力以及磨削热量，会引起工件表面和亚表面损伤以及砂轮极易磨损和堵塞等问题。这些加工问题对产品的强度影响极大，其强度有可能降低50％以上，严重地影响了陶瓷零件的可靠性，进而限制了硬脆材料在航空、航天、电子等可靠性要求较高领域中的应用。为了解决这类材料的加工难题，各国制造领域纷纷开发新型刀具材料、研制新的加工设备、试验新的加工方法，力图提高该类材料的加工效率和加工可靠性。国内外已有很多学者提出了硬脆材料无损伤加工技术，如超精密磨削、延性域磨削等，但这些技术依赖于锐利的超硬切削工具、高精度高刚度的设备及其他周边技术的支持，实施起来成本很高。为了以低成本有效的方式解决硬脆材料的超精密加工技术问题，超声振动被应用到磨削加工中，国内外广泛的研究已经证实了超声振动磨削在提高材料去除率、提高加工表面质量与加工精度、降低工件表面损伤以及延长砂轮寿命等方面显示了一定的优越性。如一维轴向超声振动磨削关注的焦点在于加工表面质量的显著提高；一维径向超声辅助磨削关注的焦点在于材料去除率的大幅度提高。在此基础上，为了充分发挥超声振动磨削的优点，不同类型的二维超声振动磨削技术被日本与中国学者先后提出。尽管二维超声振动磨削技术具有优越的综合加工性能，但是目前其仍存在一定的技术难题。1998年，日本的铃木清等人开发的一种超声波椭圆振动磨削技术，材料加工效率显著提高而表面粗糙度没有明显变化，加工过程中磨削速度较低，这在一定程度上限制了该技术的广泛应用。2007年我国的赵波等人提出的一种用于大型结构件磨削的二维超声振动辅助磨削装置，将两方向的超声振动分别通过两台发生器施加到工件上，虽然在加工效率以及加工质量等诸多方面表现了优异的性能，但是该技术在加工中存在着当负载、温度切削条件等变化时振速不稳定的现象，且振速的不稳定将会导致超声加工中的谐振频率漂移、振动振幅降低、加工效率降低、加工质量不稳定等一系列问题，而其谐振状态的调节涉及到两台超声波发生器及换能器与工件的匹配，实施起来比较困难。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种调节方便、性能可靠、经济实用的适用于硬脆材料超精密加工的单激励二维超声振动辅助精密金刚石磨削的超精密加工装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

单激励二维超声振动辅助超精密金刚石砂轮磨削装置，包括工作台，工作台上设有主轴箱，主轴箱通过主轴与金刚石砂轮连接，工作台上设有单激励二维超声振动系统。

所述单激励二维超声振动系统包括新型纵弯式变幅杆，变幅杆大端与压电换能器连接，压电换能器与超声波发生器连接，变幅杆下部设有支撑盘，支撑盘与设置于所述工作台上的支撑板连接；变幅杆小端与托板连接，托板另一端与设置于所述工作台上的定位板连接。

所述支撑盘支撑于变幅杆振动节点处，所述支撑板上设有带刻度的调节槽，支撑盘通过调节螺钉固定于调节槽上。

本发明将超声振动系统与精密平面磨床（含金刚石砂轮）精密结合形成单激励二维超声振动辅助超精密金刚石砂轮磨削装置，单激励二维超声振动系统包括超声波发生器、新型纵弯式变幅杆、压电换能器及托板等部分，超声波发生器产生的高频电振荡，通过压电换能器和变幅杆将电能转换为具有一定振幅的机械振动，然后通过托板将机械振动传递于工件，使工件产生超声振动，并在被加工材料表面形成螺旋式的独特加工轨迹，保持了金刚石砂轮的锋锐性，从而实现硬脆材料的二维超声辅助金刚石砂轮磨削，本发明具有调节方便、能量集中、瞬间作用、快速切削、细化加工表面等特性，能有效地改变传统加工的切削机制，进一步提高了砂轮的耐用度，材料去除率及表面质量。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，单激励二维超声振动辅助超精密金刚石砂轮磨削装置，包括工作台14，工作台14上设有主轴箱12，主轴箱12通过主轴11与金刚石砂轮10连接，工作台14上设有单激励二维超声振动系统。所述单激励二维超声振动系统包括新型纵弯式变幅杆4，变幅杆4大端与压电换能器3通过双头螺栓2连接，变幅杆4和压电换能器3的连接表面必须经过研磨加工，以保证很高的平面度和很小的表面粗糙度，组装时，这两个被连接表面应先涂硅油，然后再拧紧螺纹；压电换能器3与超声波发生器1连接，超声波发生器1具有适应负载变化的自动频率跟踪能力和稳定输出振幅的能力，且超声波发生器1的输出阻抗应与压电换能器3阻抗相匹配；变幅杆4下部设有支撑盘15，支撑盘15与设置于所述工作台14上的支撑板7连接，支撑盘15支撑于变幅杆4的振动节点处，以达到超声振动的能量损失最小，支撑板7上设有带刻度的调节槽16，支撑盘15通过调节螺钉5固定于调节槽16上；变幅杆4小端与托板8通过双头螺栓6连接，变幅杆4中螺纹的中心线与端面之间要求有很高的垂直度，垂直度误差不大于0.015mm。加工时，在车床上通过一次装夹全部完成端面和螺纹的加工，即可保证有很高的垂直度，托板8另一端与设置于所述工作台14上的定位板13连接，定位板13将托板8上的工件9定位且对托板8起支撑作用。

本发明中，超声波发生器1产生的高频电振荡，通过压电换能器3和变幅杆4将电能转换为具有一定振幅的机械振动，然后通过托板8将机械振动传递于工件9，使工件9产生超声振动，并在被加工材料表面形成螺旋式的独特加工轨迹，保持了金刚石砂轮10的锋锐性，从而实现硬脆材料的二维超声辅助金刚石砂轮磨削。在超声加工过程中，变幅杆4的负载是固体，加工工具不断磨损，这时负载变化较大，在工作中需要一定的静压力，因而对变幅杆4的要求除了要有足够大的放大系数以外，还要求工作稳定性高，有足够的弯曲劲度。另外，在超声振动辅助精密金刚石磨削的过程中，可以采用频率计和示波器对超声振动系统进行适当的监测，以确保超声振动系统以一定的超声振动频率及振幅稳定工作。

Claims

1. 单激励二维超声振动辅助超精密金刚石砂轮磨削装置，包括工作台，工作台上设有主轴箱，主轴箱通过主轴与金刚石砂轮连接，其特征在于，工作台上设有单激励二维超声振动系统。

2.如权利要求1所述的单激励二维超声振动辅助超精密金刚石砂轮磨削装置，其特征在于，所述单激励二维超声振动系统包括新型纵弯式变幅杆，变幅杆大端与压电换能器连接，压电换能器与超声波发生器连接，变幅杆下部设有支撑盘，支撑盘与设置于所述工作台上的支撑板连接；变幅杆小端与托板连接，托板另一端与设置于所述工作台上的定位板连接。

3.如权利要求2所述的单激励二维超声振动辅助超精密金刚石砂轮磨削装置，其特征在于，所述支撑盘支撑于变幅杆振动节点处，所述支撑板上设有带刻度的调节槽，支撑盘通过调节螺钉固定于调节槽上。