CN102975025B - 一种加工细长活塞杆的车床专用切削装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加工细长活塞杆的车床专用切削装置，属车削加工领域。它包括固定于车床上的一侧有凹槽的底座，固定在底座上端面的底座台板，普通车刀，纵向移动平台，垂直移动平台，超声振动切削系统，压块；所述普通切削车刀固定在底座的凹槽内，底座与底座台板采用铰链连接，底座台板能够沿底座一边转动；所述纵向移动平台固定于底座台板的上端面，所述垂直移动平台固定于纵向移动平台上，所述超声振动切削系统安装在垂直移动平台的一侧。本发明集合了普通车削，超声椭圆振动切削和超声表面强化处理三个部分，减少了工件的装夹时间、换刀和对刀时间，采用该装置加工比原有工艺流程省一倍时间。同时加工零件的定位基准为同一基准，工件的形位公差容易保证。

Description

一种加工细长活塞杆的车床专用切削装置

技术领域

本发明涉及一种车削加工装置，具体是一种加工细长活塞杆的车床专用切削装置。安装在车床上通过超声辅助振动切削装置加工细长活塞杆。

背景技术

车削加工是机械制造业中最基本、最广泛、最重要的一种工艺方法，由于细长活塞杆的材料较硬，长径比高，传统的车削的切削力大，加工后无法有效的保证活塞的杆的直线度等形位公差。而超声波振动车削使之成为可能，超声车削具有切削力小，切削热低，切削后表面粗糙度小等优点，在实际的生产中得到了广泛的运用。

而在超声辅助切削中，较常见的一类超声激振机构为直线式振动装置，该装置具有结构简单、制造容易等优点；但由于振动方向为直线运动，当刀具和工件分离时，后刀面会摩擦已加工表面，不但会破损工件表面质量，而且使刀具承受交变拉压应力，导致疲劳崩刃。较新颖的一种是椭圆激振机构，该振动装置使刀尖上产生椭圆振动轨迹，克服了直线激振机构的缺点。随着技术的发展得到越来越广泛的应用。

在传统的细长活塞杆的工艺中，采用分步加工的方式即半精车-精车-表面强化处理。需要多次对刀，流程繁琐，而且传统车削加工精度不高，细长活塞杆在车削加工中容易变形。

发明内容

本发明提供一种加工细长活塞杆的车床专用切削装置，通过超声振动车削、超声振动强化的方法加工细长活塞杆，减少加工过程中对刀换刀的次数，从而达到提高工件加工质量和缩短加工时间的目的。

本发明采取以下技术方案实现的：一种加工细长活塞杆的车床专用切削装置，它包括固定于车床上的一侧有凹槽的底座，固定在底座上端面的底座台板，普通车刀，纵向移动平台，垂直移动平台，超声振动切削系统，压块；所述普通切削车刀固定在底座的凹槽内，底座与底座台板采用铰链连接，底座台板能够沿底座一边转动；所述纵向移动平台固定于底座台板的上端面，所述垂直移动平台固定于纵向移动平台上，所述超声振动切削系统安装在垂直移动平台的一侧。

所述的纵向移动平台包括纵向移动平台底座、滚珠丝杠螺母副、移动平台支架、水平安装在纵向移动平台底座上的两个圆柱导轨、位于2个圆柱导轨中间水平安装在纵向移动平台底座上的丝杠、与丝杠的另一端固定连接的带刻度的手轮；所述的纵向移动平台底座固定在底座台板上；丝杠两端装有轴承；滚珠丝杠螺母副穿过丝杠，当摇动手轮时，滚珠丝杠螺母副能够沿圆柱导轨来回移动；移动平台支架固定在滚珠丝杠螺母副上，随滚珠丝杠螺母副来回移动。

所述的垂直移动平台包括垂直移动平台底座、垂直移动平台支架、垂直移动平台、推动垂直移动平台上下移动的螺旋移动装置、立柱导轨和弹簧；其中垂直移动平台底座固定在纵向移动平台支架上，垂直移动平台支架垂直安装在垂直移动平台底座上，立柱导轨安装在垂直移动平台支架上，弹簧套在立柱导轨上，垂直移动平台穿过两个立柱导轨能沿立柱导轨上下移动，螺旋移动装置安装在垂直移动平台支架上。

所述的超声振动切削系统包括超声振动装置、超声车刀和超声表面强化模块；超声振动装置包括控制器、超声波发生器、移相器、功率放大器、换能器和变幅杆；换能器包括弯曲振动压电片、x向电极片、接地电极片、y向电极片、纵向振动压电片、纵向电极片和反射罩；控制器通过导线连接2个超声波发生器，2个超声波发生器、移相器、功率放大器通过导线分别依次连接到电极片；控制器控制超声波的参数并实时监控超声波加工的状态，超声波发生器用以产生频率在20KHz交变电压；移相器将其中一路驱动信号延迟，使两路信号之间产生一个可以调节的相位差，达到生成椭圆振动的目的；功率放大器将微小的电信号放大传递给电极片；换能器采用压电夹心式结构即由弯曲振动压电片和纵向振动压电片组成，换能器将20KHz交变电压转换成20KHz的机械振动；变幅杆采用复合型，将小振幅的高频振动变成大振幅的高频振动；上述换能器通过螺杆与变幅杆连接。

其中变幅杆采用复合型钛合金变幅杆结构，固有频率20KHz，变幅杆中部设置法兰与垂直移动平台连接固定；变幅杆、弯曲振动压电片、x向电极片、接地电极片、y向电极片、纵向振动压电片、纵向电极片和反射罩顺序依次堆叠，通过沉头螺栓固定；超声车刀模块固定于变幅杆下端；超声表面强化模块包括底座、钢珠和端盖；所述底座和端盖都有圆锥形凹槽，钢珠嵌入圆锥形凹槽中，端盖和底座采用沉头螺栓连接在一起，底座后有螺纹，通过螺纹和变幅杆底部螺纹孔连接；钢珠通过变幅杆传递的纵向振动进行受迫振动，对细长活塞杆表面进行强化处理。

由于采取以上技术方案，本发明具有以下优点：

（1）加工效率高，本发明的切削装置集合了普通车削，超声椭圆振动切削和超声表面强化处理三个部分，减少了工件的装夹时间、换刀和对刀时间，采用该装置加工比原有工艺流程省一倍时间。同时加工零件的定位基准为同一基准，工件的形位公差容易保证。

（2）工件变形小，超声椭圆振动进行精车时，切削力只有普通车削的1/3左右，而且切削力成周期性变化，切削热小，工件因切削所带来的变形小，工件的残余应力小，方便工件后续的表面处理。

（3）工件表面质量高，经超声椭圆振动切削后工件表面粗糙度低，加工精度高，经超声振动表面强化处理后，工件表面形成冷塑硬化层，进一步提高工件表面的粗糙度和耐磨性。

（4）刀具磨损小，半精车后，采用超声椭圆振动切削，超声切削的切削力小，切削热低，超声切削属于脉冲式断续切削，可以显著提高超声切削刀具的使用寿命，从而达到降低成本的目的。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的整体结构主视图；

图3是本发明的整体结构俯视图；

图4是本发明的整体结构左视图；

图5是本发明的底座和普通车刀的结构示意图；

图6是本发明的纵向移动平台结构示意图；

图7是本发明的垂直移动平台结构示意图；

图8a是本发明的超声振动装置结构示意图；

图8b是本发明的超声振动装置系统示意图；

图9是本发明的超声表面强化模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1~4所示，本发明主要包括固定于车床上的一侧有凹槽的底座10，固定在底座10上端的底座台板20，普通车刀60，纵向移动平台50，垂直移动平台40，超声振动切削系统30，压块70；所述普通切削车刀60固定在底座的凹槽内，底座10与底座台板20连接；所述纵向移动平台50固定于底座台板20的上端面，所述垂直移动平台40固定于纵向移动平台50上，所述超声振动切削系统30安装在垂直移动平台40的一侧。

如图5所示，底座10与底座台板20采用铰链101连接，底座台板20能够沿底座10一边转动。首先抬起底座台板20，普通车刀60与压块70组合，调整至合适的高度放入底座10的凹槽内，底座10与普通车刀60采用沉头螺钉固定。然后放下底座台板20，用沉头螺钉固定底座台板20和底座10。

如图6所示，纵向移动平台50包括纵向移动平台底座501、滚珠丝杠螺母副502、移动平台支架503、圆柱导轨504、丝杠505、刻度手轮506。其中纵向移动平台底座501固定在底座台板20上，圆柱导轨504穿过孔506固定在在纵向移动平台底座501上，丝杠穿过孔507固定在纵向移动平台底座501上，丝杠505两端放有轴承，轴承嵌入孔507中。刻度手轮506与丝杠505的一端相连接，滚珠丝杠螺母副502穿过丝杠505，摇动手轮506时，滚珠丝杠螺母副502能够沿垂直于主轴方向来回移动，通过摇动手轮控制纵向移动平台沿垂直于车床主轴方向的进给量；移动平台支架503通过沉头螺钉固定在滚珠丝杠螺母副502上，随着滚珠丝杠螺母副502来回移动。

如图7所示，垂直移动平台40包括垂直移动平台底座406、垂直移动平台支架403、垂直移动平台402、螺旋移动装置404、立柱导轨405和弹簧401。其中垂直移动平台底座406采用沉头螺栓固定在纵向移动平台支架503上，垂直移动平台支架403垂直安装在垂直移动平台底座406上，立柱导轨405安装在垂直移动平台支架403上，弹簧401套在立柱导轨405上，垂直移动平台402穿过两个立柱导轨405可沿z轴上下移动，螺旋移动装置404安装在垂直移动平台支架403上。旋转螺栓移动装置推动垂直移动平台402沿z轴方向上下移动，移动行程为0~40mm。

如图8a所示，超声振动装置包括控制器、超声波发生器、移相器、功率放大器、换能器310、变幅杆302。其中控制器、超声波发生器、移相器、功率放大器可直接购买。换能器310采用压电夹心式结构即包括弯曲振动压电片303a、x向电极片309、接地电极片308、y向电极片304、纵向振动压电片303b、纵向电极片306、307和反射罩305。控制器、超声波发生器、移相器、功率放大器按照图8b方式通过导线依次连接到电极片304、306、307、308、309上。其中变幅杆302采用复合型变幅杆结构，固有频率20KHz，材料为钛合金，变幅杆302中部设置法兰，便于与垂直移动平台402连接固定。变幅杆302、弯曲振动压电片303a、x向电极片309、接地电极片308、y向电极片304、纵向振动压电片303b、纵向电极片306、307和反射罩305如图8a所示顺序依次堆叠，通过沉头螺栓固定。超声车刀模块301选用硬质合金车刀，采用锲型螺钉固定于变幅杆302下端。

弯曲振动压电片303a选用材料PZT-4，外径40mm，中心孔内径20mm的压电陶瓷片，压电陶瓷片呈环状，分割为两部分并相互反向极化，两个压电陶瓷片按相反极性叠合成一组，x向电极片309夹在两个压电陶瓷片中间，y向电极片304夹在两个压电陶瓷片中间，两组夹有电极片的压电陶瓷片相对旋转90°放置，可以生成x和y方向振动。在220V电压，20KHz频率下，横向纵向长度分别可达到8微米和6微米。x向电极片309和y向电极片304选用薄电极，材料为磷青铜，电极与压电陶瓷片之间采用环氧树脂粘合。弯曲振动压电片303a和x向电极片309、y向电极片304按照图8b形式组合安装。纵向振动压电片303b选择材料PZT-8型，直径40mm，中心孔内径20mm的压电陶瓷片，放置在弯曲振动压电片303a上方，纵向振动电极306、307选用薄电极，材料为磷青铜，电极与压电片之间采用环氧树脂粘合。纵向振动幅度可达10微米。纵向振动压电片303b和纵向电极片（306、307）按图8b顺序安装。

如图8b所示本发明选用2个超声波发生器能同时输出两路同频率同幅值同相位的超声频率信号，本发明选用超声波发生器的输出频率为20KHz；本发明选用1个移相器，它将x向电极片309的驱动信号延迟，使x向电极片309和y向电极片304的信号之间产生一个可以调节的相位差0°~180°，相位差根据实际需要调节，可以形成不同形状的椭圆轨迹，方便切削；本发明选用功率放大器将两路信号放大、驱动换能器310工作并起到阻抗匹配的功能，可以使超声椭圆振动换能器310工作在最佳状态。以上各部分，通过控制器对超声振动装置进行控制，在进行超声椭圆振动切削时，超声波发生器1工作，驱动弯曲振动压电片303a工作，而在超声表面强化时，超声波发生器2工作，驱动纵向振动压电片303b工作。

如图9所示，超声表面强化模块90包括底座901、钢珠902和端盖903。其中底座901和端盖903都有圆锥形凹槽，钢珠902内嵌其中，端盖903和底座901采用沉头螺栓连接，底座901后有螺纹，用于和变幅杆302底部螺纹孔连接。模块内钢珠902通过变幅杆302传递的纵向振动进行受迫振动，对细长活塞杆表面进行强化处理，使活塞杆表面产生冷塑硬化层，增加活塞杆表面硬度、降低活塞杆表面粗糙度。

使用和操作方法是：

本发明能直接安装在车床小托板上，而不需要特定的改造，其具体操作使用方法如下：

（1）安装。将细长活塞杆安装在夹具上，底座10安装在车床上，普通车刀60安装在底座凹槽中，安装超声振动系统装置30，将超声振动系统与垂直移动平台40固定。在变幅杆302底端安装超声车刀模块301。

（2）调试。普通车刀60对刀，调整到合适位置。进行调整椭圆运动轨迹，打开超声波发生器2，弯曲振动压电片303a工作，根据振动切削的工艺要求，通过调整移相器，改变两路信号之间的相位差来调整振动轨迹。可使用激光测振仪测量超声车刀301刀尖的位移从而得到刀尖的轨迹。后将换能器310、变幅杆302、超声车刀301的连接体的轴线调试到与细长活塞杆的高度保持一致，并与其轴线垂直；超声车刀模块301的刀尖与工件轴线平行并与工件表面齐平；控制器各表的数值显示正常，超声振动输出良好；具体状态为：输出频率20KHz；细长活塞杆材料可以为碳素结构钢、合金结构钢、弹簧钢、轴承钢、工具钢、高速钢；机床主轴跳动小于0.03mm；横向进给时系统的间隙小于0.05mm。

（3）加工。第一步，半精车，用普通车刀60对工件进行加工，留加工余量0.1mm，切削速度为60~200m/min，进给量0.1~0.5mm/r，切削深度1~5mm。第二步，超声椭圆振动切削，启动超声振动切削系统，控制器控制超声波发生器2工作，设置切削速度40m/min，进给量0.1mm/r，切削深度0.1mm。对工件进行超声椭圆振动切削。第三步，超声表面强化，卸下超声车刀(301)，装上超声表面强化模块90。控制器控制超声波发生器1工作，超声表面强化模块产生纵向振动，对工件表面进行加工。在前面的加工过程中保证：活塞杆精车后粗糙度应小于Ra6.3、表面硬度不大于RC60；设置最大切削速度为80m/min，纵向走刀速度0.5mm/r。

（4）结束。加工完成后，卸下细长活塞杆，关闭超声振动切削系统。加工后技术指标：表面硬度提高20%~100%、粗糙度约为Ra0.01~0.8。

Claims (3)

1.一种加工细长活塞杆的车床专用切削装置，其特征在于它包括固定于车床上的一侧有凹槽的底座(10)，固定在底座(10)上端的底座台板(20)，普通车刀(60)，纵向移动平台(50)，垂直移动平台(40)，超声振动切削系统(30)，压块(70)；所述普通车刀(60)固定在底座的凹槽内，底座(10)与底座台板(20)采用铰链连接，底座台板(20)能够沿底座(10)一边转动；所述纵向移动平台(50)固定于底座台板(20)的上端面，所述垂直移动平台(40)固定于纵向移动平台(50)上，所述超声振动切削系统(30)安装在垂直移动平台(40)的一侧；

所述的超声振动切削系统(30)包括超声振动装置、超声车刀(301)和超声表表面强化模块(90)；超声振动装置包括控制器、超声波发生器、移相器、功率放大器、换能器(310)和变幅杆(302)；换能器(310)包括弯曲振动压电片(303a)、x向电极片(309)、接地电极片(308)、y向电极片(304)、纵向振动压电片(303b)、纵向电极片(306、307)和反射罩(305)；控制器通过导线连接2个超声波发生器，2个超声波发生器、移相器、功率放大器通过导线分别依次连接到y向电极片(304)、纵向电极片(306、307)、接地电极片(308)和x向电极片(309)上；其中变幅杆(302)采用复合型钛合金变幅杆结构，固有频率20KHz，变幅杆(302)中部设置法兰与垂直移动平台(402)连接固定；变幅杆(302)、弯曲振动压电片(303a)、x向电极片(309)、接地电极片(308)、y向电极片(304)、纵向振动压电片(303b)、纵向电极片(306、307)和反射罩(305)顺序依次堆叠，通过沉头螺栓固定；超声车刀模块(301)固定于变幅杆(302)下端；超声表面强化模块(90)包括底座(901)、钢珠(902)和端盖(903)；所述底座(901)和端盖(903)都有圆锥形凹槽，钢珠(902)嵌入圆锥形凹槽中，端盖(903)和底座(901)采用沉头螺栓连接在一起，底座(901)后有螺纹，通过螺纹和变幅杆(302)底部螺纹孔连接；钢珠(902)通过变幅杆(302)传递的纵向振动进行受迫振动，对细长活塞杆表面进行强化处理。

2.根据权利要求1所述的一种加工细长活塞杆的车床专用切削装置，其特征在于纵向移动平台(50)包括纵向移动平台底座(501)、滚珠丝杠螺母副(502)、纵向移动平台支架(503)、水平安装在纵向移动平台底座(501)上的两个圆柱导轨(504)、位于2个圆柱导轨(504)中间水平安装在纵向移动平台底座(501)上的丝杠(505)、与丝杠(505)的另一端固定连接的带刻度的手轮(506)；

所述的纵向移动平台底座(501)固定在底座台板(20)上；丝杠(505)两端装有轴承；滚珠丝杠螺母副(502)穿过丝杠(505)，当摇动手轮(506)时，滚珠丝杠螺母副(502)能够沿圆柱导轨来回移动；移动平台支架(503)固定在滚珠丝杠螺母副(502)上，随滚珠丝杠螺母副(502)来回移动。

3.根据权利要求1或2所述的一种加工细长活塞杆的车床专用切削装置，其特征在于所述垂直移动平台(40)包括垂直移动平台底座(406)、垂直移动平台支架(403)、垂直移动平台(402)、推动垂直移动平台(402)上下移动的螺旋移动装置(404)、立柱导轨(405)和弹簧(401)；其中垂直移动平台底座(406)固定在纵向移动平台的纵向移动平台支架(503)上，垂直移动平台支架(403)垂直安装在垂直移动平台底座(406)上，立柱导轨(405)安装在垂直移动平台支架(403)上，弹簧(401)套在立柱导轨(405)上，垂直移动平台(402)穿过两个立柱导轨(405)能沿立柱导轨上下移动，螺旋移动装置(404)安装在垂直移动平台支架(403)上。