CN102886712A - 一种elid超声珩磨装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密超精密加工领域，尤其涉及一种超精密珩磨装置，包括相互连接的机床本体、珩磨装置、ELID电解整形与修锐装置以及在位检测装置和控制装置，对所述ELID电解修整装置和所述超声珩磨装置进行复合珩磨的同时实现珩磨油石的电解修锐，所述珩磨装置内设置有珩磨刀具，所述珩磨刀具上固定安装有珩磨油石，所述珩磨油石表面设置或形成有氧化膜。本发明的超精密珩磨装置具有高效率、高精度的珩磨加工，避免珩磨表面刮伤、烧伤，有助于珩磨表面精度与质量的提高。

Description

一种ELID超声珩磨装置

技术领域

本发明属于精密超精密加工领域，尤其涉及一种超精密珩磨装置。

背景技术

珩磨加工是油缸、衬套类零件的传统加工方法，但传统珩磨加工效率很低，精度也不能达到很高。究其原因，主要是：

1、由于油石在珩磨过程中，很快钝化，需经常停机卸下珩磨工具，在专用刃磨机上修锐或更换，油石的更换是极其复杂的工程，首先要加热，是油石钎焊部位融化，将钎焊在油石座上的钝化油石取下，然后再将新的油石钎焊在油石座上，最后在刃磨机上修锐后才能在珩磨机上应用。频繁的修锐与更换，极大地影响了珩磨效率的提高；因此，有时为了单纯提高效率，在油石钝化后，换上一组事先已经焊好的油石条。由于油石切削部分还未完全使用，这势必引起珩磨油石的浪费。

2、油石的修锐也是极其困难的，尤其是金属结合剂油石，特别是对于精密珩磨工序，通常需要专业的技术人员在专业的刃磨设备上进行修锐，经过严格的精度测试后，才能在精密珩磨工序中应用。

鉴于以上原因，研究者在传统珩磨工艺中引入超声加工，形成了超声珩磨方法，从一定程度上提高了珩磨效率和精度，延长了珩磨油石的寿命以及修锐周期。但不可避免的是，油石仍然会钝化，然后还需停机卸下珩磨工具在专用刃磨机上修锐，待油石用完后还需加热、焊接等工序将新的油石换上。因此，并没有彻底的避免离线修锐的问题。

发明内容

为解决上述普通珩磨效率低，精度差的问题，以及超声珩磨仍需停机修锐等问题，本发明提供了一种ELID超声珩磨装置，实现对珩磨油石的在线电解修锐，避免停机修锐造成的效率低的问题，同时油石表面电解后形成氧化膜，减缓了珩磨冲击，减少了珩磨表面刮伤、烧伤等缺陷，极大的提高了珩磨表面质量与珩磨精度。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种ELID超声珩磨装置，包括相互连接的机床本体、珩磨装置、ELID电解整形与修锐装置以及在位检测装置和控制装置，对所述ELID电解修整装置和所述超声珩磨装置进行复合珩磨的同时实现珩磨油石的电解修锐，所述珩磨装置内设置有珩磨刀具，所述珩磨刀具上固定安装有珩磨油石，所述珩磨油石表面设置或形成有氧化膜。

珩磨头的旋转运动由主运动电机实现，轴向进给运动由进给电机通过滚珠丝杠副驱动实现，径向进给运动则由手动调整。珩磨头向下运动，首先通过ELID电解电极，对其进行电解修锐，修锐完成后，继续向下运动进入工件进行珩磨作业，如此往复珩磨，直至工件满足一定的工艺要求。然后停机，利用机床上在位检测系统检测工件是否达到精度要求，检测结果被数据采集系统记录，根据检测结果与要求的精度的比较，调整珩磨参数、电解参数、超声振动参数，重复进行上述珩磨过程，直至满足精度要求。

在本发明中的一种ELID超声珩磨装置具体由以下六部分组成：机床本体部分、超声珩磨部分、ELID在线电解整形部分、ELID电解修锐部分、在位测量部分、控制与调整部分。

以上各组成部分结构和功能如下：

机床包括底座、立柱、工作台、主轴步进电机及驱动系统、进给步进电机及驱动系统、滚珠丝杠进给系统、导轨滑台系统。

超声珩磨部分：在原有珩磨方法基础上附加超声振动，形成超声珩磨。包括：珩磨刀具、换能器、超声电源；所述珩磨刀具和机床主轴相接，换能器位于珩磨刀具上的珩磨油石座内部，所述珩磨装置的超声电源通过引线与所述换能器连接。

作为上述技术方案超声珩磨部分的进一步优化，超声珩磨部分还包括有集流环，所述集流环位于珩磨刀具主轴上，超声电源通过碳刷和集流环相连。

ELID电解整形部分：在超声珩磨基础上附加ELID电解整形，利用电火花放电原理蚀除珩磨油石表面凸起高点，使得由于油石钝化后圆度、圆柱度等形状精度降低的问题得以解决。包括：整形电机+整形电极、安装座、整形电源、电解液等组成。这部分主要完成珩磨头钝化后圆度、圆柱度等形状精度的整形；所述整形电机直接和整形电极相连，整形电源分别和整形电极及砂轮相连，电解液浇注在砂轮和整形电极之间，安装座和机床工作台相连。

ELID电解修锐部分：在超声珩磨基础上附加ELID电解修锐，利用珩磨空行程进行电解修锐，使得油石钝化后的修锐在线进行，避免了停机修锐造成的效率低的问题，极大的提高了珩磨效率与珩磨质量，包括：珩磨刀具(阳极)、修锐电极(阴极)、电解液、修锐电源等组成，视要求有多种形状，珩磨刀具(阳极)与修锐电极(阴极)之间的间隙是能够在一定范围内调节的，这部分主要完成油石钝化后的电解修锐；所述珩磨刀具接修锐电源阳极，修锐电极接修锐电源阴极，电解液则浇注于阴阳极之间。

在位测量部分：在珩磨若干行程后，进行在位检测珩磨质量，利用LABVIEW记录分析检测结果，并反馈给控制系统，包括：便携式粗糙度检查仪及其附属部件、数据采集与处理系统等组成，这部分主要完成珩磨过程中的在位测量；所述便携式粗糙度检查仪及其附属件是厂家提供，在机床上安装定位，并且有数据输出接口，可以通过数据采集卡连接至数据处理系统，进行数据记录、存储、处理。

反馈控制与调整部分：利用LABVIEW记录珩磨工艺参数、超声振动参数、电解修锐参数以及珩磨表面质量与珩磨力，并进行参数优化与匹配，调整进给系统实现微量进给，最终达到要求的珩磨精度。测力仪使超声珩磨系统与ELID系统有机结合，并最终实现各参数的合理匹配。测力仪的作用是实时测量珩磨力信号，并经由数据采集卡采集，传递给控制系统，控制珩磨参数、超声参数、电解参数在优化范围内，使珩磨力小于氧化膜黏附强度，避免氧化膜局部断裂、脱落，因而在珩磨的同时，由于珩磨油石表面电解生成的氧化膜起到了辅助抛光作用，使珩磨质量最优。所述测力仪安装在工作台上，测力仪上安装工件，测力仪有数据放大、传输的接口，通过数据采集卡传送到数据处理系统，实现测量信号的实时记录、存储、分析。

本发明一种ELID超声珩磨装置的机床本体部分，底座上附有工作台的安装、定位，工作台上安装测力仪、试件、夹具等；在立柱内部安装有进给电机及其滚珠丝杠驱动系统，在滑台内部安装有主轴电机及其驱动系统；导轨采用圆柱导轨，滑台沿导轨在进给电机及滚珠丝杠驱动下上下移动；测量装置使用便携式粗糙度检查仪，实现珩磨加工后在位检测，并对测试结果实时分析、在线反馈到控制系统，控制主轴进给最终达到所要求的精度。

作为上述技术方案的进一步优化，换能器置于油石座内，不需变幅杆放大和振动圆盘传递能量，直接由换能器驱动油石座带动油石往复振动，通过碳刷和集流环将超声电源引入。

作为上述技术方案的进一步优化，本发明一种ELID超声珩磨装置的油石为金属结合剂(如铜、铁、钴等)，磨粒为金刚石、氧化铝等，磨粒的粒度视珩磨精度可选取粗磨粒(效率高，精度低，适于粗加工)和细磨粒(效率低，精度高，适于精密珩磨)；

作为上述技术方案的进一步优化，所述的修整电极可以有多种形状，视珩磨工具及珩磨零件而定；

作为上述技术方案的进一步优化，所述的在位测量由便携式粗糙度检查仪实现，测量数据实时传送到控制系统；

本发明一种ELID超声珩磨装置采用的控制信号是测力信号，用测力仪测定的珩磨力做为控制变量，当珩磨力超过预定的门槛值，则调整珩磨参数、电解参数、超声参数，使之保持在一定的范围内，以保证氧化膜的连续完整，使之能持续的抛光珩磨表面。

实现本发明一种ELID超声珩磨装置，其完整的珩磨工艺路线以及珩磨工艺参数、超声振动参数、电解修锐参数，其中珩磨工艺路线如下：

1、利用电火花对珩磨油石进行整形，视珩磨要求使其圆度、圆柱度在合理范围内；

2、利用脉冲电源对珩磨油石进行预电解修锐，视珩磨要求使其表面氧化膜厚度在合理范围内；

3、合理匹配珩磨工艺参数、超声振动参数、电解修锐参数，进行珩磨，并实现各项参数的实时采集；

4、对珩磨表面在位测量，记录、传送测试数据，控制进给系统，逐步达到精度要求；

5、分析采集的参数，得到各参数的优化结果；

6、对珩磨完成的零件进行最终检测。

珩磨工艺参数：转速：70-100r/min，往复进给速度：10-50行程/min，

珩磨深度：＜10μm；

超声振动参数：功率：250W，频率：19-20KHz；

电解修锐参数：电流：5-20A，电压60V，90V，120V，脉冲宽度：1-99μs，脉冲间隔：1-99μs，氧化膜厚度：20-30μm，平衡电流：1-2A；

本发明一种ELID超声珩磨装置，适于硬脆材料的精密、高效加工，如陶瓷、铸铁油缸、衬套等的精密珩磨加工。

与现有技术相比，本发明一种ELID超声珩磨装置的有益效果在于：

1、传统珩磨方法精度、效率低，油石修锐困难，单纯的一种复合方法不能满足高效率、高精度的珩磨加工；本发明提供的ELID超声珩磨装置综合了超声振动与ELID电解修锐的优点，实现优势互补，既满足高精度，又满足高效率珩磨的加工要求；

2、本发明通过珩磨力的在线测量与反馈，以测力信号做为控制变量，实现了各参数的合理匹配，使得综合珩磨效果最优；

3、本发明提供了一套完整的珩磨工艺路线与珩磨工艺参数、超声振动参数、电解修锐参数；

4、本发明所用的油石为金属结合剂，磨粒为金刚石或氧化铝，油石表面电解后形成均匀的氧化膜，能够减缓珩磨振动，冲击，避免珩磨表面刮伤、烧伤，有助于珩磨表面精度与质量的提高；

5、本发明所用的ELID整形与修锐系统，整形与修锐电极视要求有多种形状，修锐电极与珩磨油石之间的间隙在一定范围内能够调节，使得油石电解效果最好。

附图说明

图1为本发明一种ELID超声珩磨装置的机床结构示意图；

图2为控制测力系统原理图；

图3为本发明一种ELID超声珩磨装置的超声珩磨装置结构示意图；

图4为本发明一种ELID超声珩磨装置的ELID电解整形结构示意图；

图5为本发明一种ELID超声珩磨装置的ELID修锐电极及其电解结构示意图；

图6为本发明一种ELID超声珩磨装置的珩磨装置的电解修锐与超声振动复合的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的最佳实施方式加以说明：

实施例一：

如图1所示，本实施例中针对气缸套的高速、高效、高精度珩磨，解决传统珩磨效率低、精度差的问题。尤其在珩磨陶瓷、铸铁等硬脆材料缸套时，具有显著优势。

珩磨头的旋转运动由主运动电机实现，轴向进给运动由进给电机通过滚珠丝杠副驱动实现，径向进给运动则由手动调整。珩磨头向下运动，首先通过ELID电解电极，对其进行电解修锐，修锐完成后，继续向下运动进入工件进行珩磨作业，如此往复珩磨，直至工件满足一定的工艺要求。然后停机，利用机床上在位检测系统检测工件是否达到精度要求，检测结果被数据采集系统记录，根据检测结果与要求的精度的比较，调整珩磨参数、电解参数、超声振动参数，重复进行上述珩磨过程，直至满足精度要求。

本实施例中的具体实施方式如下：

1、首先将要珩磨的缸套放置在工作台夹具体内可靠定位夹紧，以缸套端面做轴向定位，三爪卡盘自定心夹紧。

2、然后设定超声振动参数：设定超声电源的功率、电流、超声振动频率。

3、设定电解修整参数：包括电解电流、电解电压、电解脉冲宽度、占空比等；先利用电火花整形系统对珩磨头进行整形，使其外部形状精度满足要求；然后再进行予电解修锐30分钟，保证珩磨头油石表面涂覆均匀的氧化膜，油石磨粒露出量均匀。

4、设定珩磨工艺参数：包括粗珩磨油石粒度、精珩磨油石粒度；珩磨头转速；珩磨头进给速度；珩磨头径向进给量；冷却液流量等。

5、设定数据采集系统，保证超声振动参数、电解参数、珩磨工艺参数、珩磨压力等的实时采集，便于分析各种参数之间的内在联系及其对加工精度的影响。

6、按要求的精度选择各项参数进行ELID超声振动珩磨加工，珩磨头下行进入到电解工位的修锐电极内时，进行电解修锐，磨粒露出并覆盖有氧化膜，当珩磨头瞬间修锐完成后进入到工件孔内部进行珩磨加工，同时油石磨粒钝化、氧化膜脱落，珩磨行程终了，珩磨头返回经过电解修锐电极进行在线修锐，在油石表面维持一定的磨粒露出量，并重新形成氧化膜，在下一个珩磨行程中，珩磨头下行，经过修锐电极继续电解修锐，通过修锐电极进入工件孔内继续进行珩磨加工，如此往复循环，直至珩磨加工完成。根据实时测量的数据，可以判断珩磨头的电解修锐情况及珩磨精度完成情况，根据珩磨力的测量信号进行反馈控制，实现各参数的合理匹配。

7、停机在位检测零件精度，和要求的精度比较后，确定珩磨油石进给量，继续珩磨，如此往复，直至满足要求。

针对以上，本实施例一种ELID超声珩磨装置的实施效果为：

用相同实验参数，分别在复合前、复合后对陶瓷缸套进行了珩磨实验，具体实验效果如下表所示。

实施例二：

参见附图2，由测力信号做为控制变量，当系统监测到珩磨力超过系统内设的门槛值，则自动调整进给电机和主轴电机，实现珩磨参数的合理匹配，保证珩磨油石表面始终存在氧化膜的覆盖，使之能发挥有效的辅助抛光作用。其余同实施例一。

实施例三：

参见附图3，由进给部分及超声电源、ELID电源引入部分，超声振动部分，活动接头及弹簧部分，珩磨刀具部分39组成。珩磨刀具部分39包括换能器37、涨锥35以及油石36。在上部接机床主轴，实现动力输入，超声振动电源及ELID电源38通过碳刷-集流环32引入，集流环32与中空主轴33结合部用绝缘套连接，在中空主轴33径向孔中引入电源引线，其中超声电源接在换能器37的接线柱上，而ELID电源的阳极引线则接在进给部的推杆上，经过推杆34到涨锥35到油石座然后到油石36完成电源阳极接入。在和主轴连接部采用绝缘套，使电解时只有珩磨头带电，机床不带电，提高了系统安全性。当换能器37将电能转换为超声振动之后，不需经过变幅杆和弯曲振动圆盘，直接驱动油石产生超声振动，对工件进行超声珩磨加工。其余同实施例一。

实施例四：

参见附图4，珩磨头在电解修锐前，存在各种形状误差，比如圆度、圆柱度等误差，利用电火花整形系统去除珩磨头不圆的凸起部分，使得其外表面趋于理想圆柱表面。

珩磨头41接整形电源阳极，阴极则是一个由旋转电机42带动的圆盘电极43，一边高速旋转，一边实现珩磨头表面凸起的放电去除，阴阳极之间通以冷却液，冲刷放电产物，冷却珩磨头41表面，并能提高放电去除效率。其余同实施例一。

实施例五：

参见附图5，阴极和外部支撑套采用绝缘套51绝缘，并应用密封圈52进行密封，在阴极53的上部的支撑套上沿圆周均布6个电解液输入孔54，当珩磨头下行到修锐电极内，电解液从输入孔54注入，然后电解液均匀分布于阴极53与珩磨头之间，形成电解电流的通路，对珩磨头进行电解修锐，电解修锐完成后珩磨头继续下行，进人工件孔进行珩磨加工，此为一个电解修锐-珩磨加工循环。当珩磨头行程终了返回时，继续下一个电解修锐，然后再进行珩磨加工，如此循环往复，实现在线电解与珩磨加工的同步进行，直至珩磨加工完成。其余同实施例一。

实施例六：

参见附图6，带有超声振动装置的珩磨头6按照预定的超声振动参数、珩磨加工工艺参数进行珩磨加工前，首先经过电解修锐电极62，按照预定的电解参数对珩磨头6进行电解修锐，使珩磨油石表面磨粒突出，并形成一定厚度的氧化膜覆盖于磨粒之上，这样珩磨加工时能吸收振动，缓和冲击，避免在工件表面出现划痕、烧伤等缺陷，称之为电解修锐工位，然后珩磨头6下行，对工件61进行珩磨加工，称之为珩磨工位。一个电解修锐工位和一个珩磨工位组成一个加工行程，上述一个加工行程终了以后，珩磨头返回到电解修锐工位，继续进行电解修锐，然后下行进行珩磨加工，如此往复循环，直至珩磨完成。在整个珩磨加工过程中，采用珩磨力信号做为反馈控制变量，当珩磨力超过预先设定的门槛值，则调整各个珩磨参数、电解参数、超声参数，避免珩磨油石表面氧化膜局部断裂、脱落，始终保持珩磨油石表面有可靠的一定厚度氧化膜覆盖，达到最好的珩磨精度。电解修锐与超声振动以及珩磨加工是同步进行的，在不停机的情况下完成珩磨头的电解修锐，并且辅以超声振动，极大的提高了珩磨效率。其余同实施例一。

综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出其他各种相应的变换方案或本发明各实施例之间方案的替换，均属于本发明所保护的范围。

Claims (9)

1.一种ELID超声珩磨装置，包括相互连接的机床本体、珩磨装置、ELID电解整形与修锐装置以及在位检测装置和控制装置，其特征在于对所述ELID电解修整装置和所述超声珩磨装置进行复合珩磨的同时实现珩磨油石的电解修锐，所述珩磨装置内设置有珩磨刀具，所述珩磨刀具上固定安装有珩磨油石，所述珩磨油石表面设置或形成有氧化膜。

2.根据权利要求1所述的一种ELID超声珩磨装置，其特征在于，所述珩磨装置包括珩磨刀具、换能器、超声电源，所述换能器固定安装于所述珩磨刀具上的珩磨油石座的内部，所述珩磨装置的超声电源通过引线与所述换能器连接。

3.根据权利要求1所述的一种ELID超声珩磨装置，其特征在于，所述ELID电解整形装置包括整形电源、整形电机、整形电极和电解液，所述整形电机与所述整形电极导线连接，所述整形电极的阳极连接有砂轮，所述整形电极的阴极连接有整形电极，所述电解液浇注在砂轮上。

4.根据权利要求1所述的一种ELID超声珩磨装置，其特征在于，所述ELID电解修锐装置包括修锐电源、修锐阴极、修锐阳极或珩磨刀具、电解液，所述修锐阴极与所述修锐电源的阴极连接，所述修锐阳极与所述修锐电源的阳极连接，所述电解液位于所述修锐电源的阴极和阳极之间。

5.根据权利要求2或3所述的一种ELID超声珩磨装置，其特征在于，所述超声电源与电解修整电源为相互独立设置，所述超声电源与所述换能器的接线端连接，所述电解电源与所述珩磨刀具及修锐阴极的接线端连接。

6.根据权利要求2所述的一种ELID超声珩磨装置，其特征在于，所述ELID超声珩磨装置的换能器固定安装在油石座内部。

7.根据权利要求1所述的一种ELID超声珩磨装置，其特征在于，所述珩磨油石为金属结合剂，所述珩磨油石上设有磨粒。

8.根据权利要求7所述的一种ELID超声珩磨装置，其特征在于，所述珩磨油石上的磨粒为金刚石或氧化铝磨粒。

9.根据权利要求7所述的一种ELID超声珩磨装置，其特征在于，所述金属结合剂的珩磨油石为铜基或铁基或钴基的其中一种或其结合物。

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