CN102452131A

CN102452131A - 超声旋转加工机床的主轴设计

Info

Publication number: CN102452131A
Application number: CN2010105237585A
Authority: CN
Inventors: 褚桂君
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2012-05-16

Abstract

超声旋转加工机床的主轴设计，特别是将超声和普通机床加工合而为一的一种高效的设备，可以完成对陶瓷材料的钻孔和攻丝。根据超声振动特点，参照现在机床的结构及工作原理，设计超声旋转加工机床的主轴，分析其工作原理和超声旋转钻削去除材料的原理，使其完成陶瓷材料的钻孔和攻丝。在线锯上施加了超声，靠磨料瞬时撞击来去除材料，切割工件的表面质量优于普通线锯切割。

Description

超声旋转加工机床的主轴设计

技术领域

本发明涉及一种机械加工设备中超声机床的主轴，特别是将超声和普通机床加工合而为一的一种高效的设备，可以完成对陶瓷材料的钻孔和攻丝。

背景技术

攻丝是切削加工中广泛使用的一种内螺纹加工方法，尤其是对于小直径内螺纹，攻丝几乎是唯一可行的加工方法。虽然普通的攻丝方法在大多数情况下能满足生产要求，但是由于攻丝加工过程本身属于半封闭式的多刃切削过程，与车削等其他加工方法相比切削条件恶劣，加工中小直径内螺纹和在难加工材料上攻丝时，普遍存在攻丝扭矩大、螺纹加工精度低、丝锥磨损快、易折断、废品率高等问题，严重影响生产的正常进行。圆锯片、金刚石绳锯、框架锯等传统的切割方法的切缝都较宽，不适用于贵重材料的切割，内圆切割的切缝虽可达0.1mm，但只能切割直面，不能切割曲面、不能加工孔和螺纹。传统的超声波成型加工方法是利用形状拷贝原理，将工具的形状复制到工件上，工具加工工件过程中，存在以下一些问题：

1.加工工程陶瓷材料时，工具磨损严重，加工效率也比较低；

2.由于悬浮磨料在加工间隙内分布不均匀，导致加工表面完整性不好；

3.加中工具质量变化和力的传导等因素使加工速度和加工质量受到影响。为了弥补传统攻丝工艺的缺陷与不足，振动攻丝工艺在加工中逐步受到重视。

发明内容

本发明的目的是弥补上述不足，我们采用电镀金刚石丝锥与超声波旋转加工相结合的方法，加工硬脆材料，有效地解决超声波成型加工由于工具损耗严重、加工间隙中悬浮磨料不均匀从而影响复杂型面的加工精度问题，根据超声振动特点，参照现在机床的结构及工作原理，设计超声旋转加工机床的主轴，使其完成陶瓷材料的钻孔和攻丝。

本发明的技术方案是：考虑到声学部分在加工时的高频振动、主轴的旋转运动，应充分保证声学系统部分的平衡性、稳定性，因而在设计时尽量考虑各个部件的对称性，以及部件之间的相互连接和定位，将偏心度降至最低。

主轴的超声加工系统由超声波发生器、换能器、变幅杆、工具等构成。如图2.4所示：

超声旋转加工的主轴振子采用夹心式压电陶瓷换能器。它由一对压电陶瓷片、电极和前、后匹配块组成，前匹配块与变幅杆粘结在一起。后匹配块与阶梯传动轴通过螺纹连接。整个振动系统的连接部分应接触紧密，在螺纹连接处应涂以凡士林油，绝不可存在空气间隙，否则超声波传递过程中将损失很大能量。因为超声波通过空气时会很快衰减，超声元件的固定应选择振幅为零的驻波节点处。

在超声旋转加工机床进行振动钻削时，超声加工系统首先由超声波发生器将交流电转变为超声频电振荡信号，超声频电振荡信号经过集流环传递给换能器，换能器的作用是将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动；变幅杆的作用是将换能器的振动振幅放大；超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，使工具以一定的能量与工件作用，进行加工。

本发明的优点是：

由于在线锯上施加了超声，靠磨料瞬时撞击来去除材料，切割工件的表面质量优于普通线锯切割。

由于线据超声加工不会引起热影响区域，因此不会改变工件表面的化学/电性质，超声加工后的工件表面的薄层残余压应力能够提高工件的循环疲劳强度。

由于超声波加工中的材料去除是靠极小磨料局部、瞬时的撞击作用，因此工件表面的切削力和切削热很小。不会引起变形和烧伤，可以获得较高的加工表面质量。

附图说明

图1是本发明的超声旋转加工机床的主轴结构示意图；

图2是本发明的超声振动系统；

图3是本发明的夹心式压电换能器的加工尺寸。

压电陶瓷1换能器后盖2轴承3传动轴4集流环5.12箱体6联轴器7步进电机8键9螺栓10轴承11集流环支架13电极片14换能器前盖板15弹性挡圈16钻夹头17工具18变幅杆19密封圈20透盖21超声波发生器22换能器21传振杆20变幅杆19加工工具18位移分布22应力分布23螺杆24弹簧垫25垫圈26绝缘套27压电陶瓷28硬铝29铝电极30

具体实施方法

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述：

主轴的超声加工系统(图1)由工具18、变幅杆19、换能器21、超声波发生器22等构成。

超声旋转加工的主轴振子采用夹心式压电陶瓷换能器。它由一对压电陶瓷片28、电极30和前、后匹配块组成，前匹配块与变幅杆19粘结在一起。后匹配块与阶梯传动轴4通过螺纹连接。

主轴安装联轴器7，联轴器一侧与主轴一侧与步进电机8，换能器前盖板15与变幅杆19通过环氧树脂粘结在一起，下端可以通过螺纹连接工具头18。整个装置的旋转运动通过步进电动机、联轴器7、主转轴、换能器与变幅杆最后传递到工具头。

在超声旋转加工机床进行振动钻削时，超声加工系统首先由超声波发生器将交流电转变为超声频电振荡信号，超声频电振荡信号经过集流环传递给换能器，换能器21的作用是将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动；变幅杆19的作用是将换能器的振动振幅放大；超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，使工具以一定的能量与工件作用，进行加工。

设计时应考虑各个连接部位不得松动，活动连接部位中的各种部件应动作灵活、平稳、无阻涩现象。有足够的稳定性和承载能力，能够抵制外界的干扰，实现稳定加工。

夹心式压电换能器选取的材料及技术条件如下：谐振频率为20KHz；压电陶瓷选用PZT-4，直径为φ50mm，中心孔为φ12mm，厚度为6mm(K₃₃＝0.58，ρ₀＝7.5g/cm³，c₀＝3.10×10⁵cm/s)；前后盖板的材料均选用铝合金LY12，直径为φ50mm(ρ₁＝ρ₂＝2.8g/cm³，c₁＝c₂＝5.07×10⁵cm/s)；电极材料为铝合金LY12，直径为φ60mm(ρ₃＝2.8g/cm³，c₃＝5.07×10⁵cm/s)，厚度为3mm。

节面在前，即节面取在陶瓷堆与前盖板的交界处。图3加工尺寸图。

在功率超声换能器装有预应力螺栓主要是为了提高换能器的抗张强度，避免压电陶瓷易于损坏，为压电陶瓷晶堆施加一个恒定的预应力，从而保证在换能器振动时，压电陶瓷晶堆始终处于一种压缩状态，而且振动产生的伸张应力总是小于材料的临界抗张强度，同时又不阻碍换能器的纵向伸长，以保证压电陶瓷晶堆的机电耦合系数不会降低。

预应力螺栓要用高强度的螺栓钢制成，比较常用的有40号铬钢、工具钢以及钛合金等。

Claims

1.超声旋转加工机床的主轴设计，由一对压电陶瓷片、电极和前、后匹配块组成，其特征在于：振子采用夹心式压电陶瓷换能器，前匹配块与变幅杆粘结在一起。后匹配块与阶梯传动轴通过螺纹连接，

2.根据权利要求1中所述的超声旋转加工机床的主轴设计，其特征在于：声学系统部分的平衡性、稳定性，各个部件是对称的，部件之间的相互连接和定位，将偏心度降至最低。