CN103128603B - 超声磁力复合高效光整加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光整加工技术，具体是一种超声磁力复合高效光整加工装置。本发明解决了现有光整加工技术适用范围小、加工效率低、磨料不易收集、以及结构复杂的问题。超声磁力复合高效光整加工装置包括工作台、导轨、尾架、超磁致伸缩换能器、夹具、圆筒状工件、磁场产生装置、大带轮、V带、固定支架、小带轮、以及电机；所述磁场产生装置包括圆环状磁轭、瓦片状永磁磁极、磁性磨具、套筒、以及端盖；所述超磁致伸缩换能器包括后端盖、预紧螺母、压块、冷却水进口、圆筒状外壳、圆筒状线圈架、前端盖、压杆、励磁线圈、冷却水出口、预紧弹簧、以及圆筒状稀土超磁致伸缩棒。本发明适用于各种机械零件的光整加工。

Description

超声磁力复合高效光整加工装置

技术领域

本发明涉及光整加工技术，具体是一种超声磁力复合高效光整加工装置。

背景技术

机械零件由毛坯到成品的加工过程中，无论是切削加工、锻压加工、冲压加工还是焊接加工，总会在零件表面留下程度不同的各种缺陷，如表面凹凸不平、棱边残缺、飞边毛刺、磕碰划伤、微观裂纹等。零件表面缺陷不仅影响零件本身的质量，而且影响整机的装配精度、性能和使用寿命。因此，为了改善零件本身的质量，并保证整机的装配精度、性能和使用寿命，需要对零件表面缺陷进行消除，而在机械零件加工过程中旨在消除零件表面缺陷的各种加工技术便称为光整加工技术。在现有技术条件下，光整加工技术主要包括：一、中国专利ZL200610052410.6公开了一种超声波磁粒复合研磨方法及其装置。此种光整加工技术的缺点在于：其一，磁场由励磁线圈提供，励磁线圈易发热，因而其适用范围小（仅适合于工件的型腔内表面或凹型表面的研磨加工，而并不适合于工件的任意表面尤其是外凸自由曲面的研磨加工）。其二，研磨杆磁化后吸附的磨粒数有限（即实际参与研磨加工的磨粒数有限），因而其加工效率低。其三，缺少专门的磨料收集容器，因而其磨料不易收集。二、中国专利201010534181.8公开了一种粘弹性磁性磨具表面光整加工装置及其方法。此种光整加工技术的缺点在于：磁场存在磁极面积相对较小，磁场域中的磁场强度较低，得不到较大的磁力，且只有一侧参与加工，因而其加工效率低。三、文献1（林书玉.纵-扭复合模式夹心式功率超声压电换能器的研究[J].声学学报.1997，22（4））、文献2（王爱玲，祝锡晶，吴秀玲.功率超声频振动加工技术[M].北京：国防工业出版社，2006）公开了采用压电陶瓷作为功率超声换能器的超声频振动源的光整加工技术。此种光整加工技术的缺点在于：压电陶瓷材料的伸缩应变值有限（100~600μm·m^-1），必须连接变幅杆来增加超声频振动振幅，从而增大了装置尺寸和能量传递损耗，因而其结构复杂，不利于推广应用。综上所述，现有光整加工技术由于自身结构原理所限，普遍存在适用范围小、加工效率低、磨料不易收集、以及结构复杂的问题。为此有必要发明一种全新的光整加工技术，以解决现有光整加工技术存在的上述问题。

发明内容

本发明为了解决现有光整加工技术适用范围小、加工效率低、磨料不易收集、以及结构复杂的问题，提供了一种超声磁力复合高效光整加工装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：超声磁力复合高效光整加工装置，包括工作台、导轨、尾架、超磁致伸缩换能器、夹具、圆筒状工件、磁场产生装置、大带轮、V带、固定支架、小带轮、以及电机；所述磁场产生装置包括圆环状磁轭、瓦片状永磁磁极、磁性磨具、套筒、以及端盖；所述超磁致伸缩换能器包括后端盖、预紧螺母、压块、冷却水进口、圆筒状外壳、圆筒状线圈架、前端盖、压杆、励磁线圈、冷却水出口、预紧弹簧、以及圆筒状稀土超磁致伸缩棒；导轨安装于工作台的上表面；电机的机座、固定支架的下端、尾架的下端自前向后依次滑动安装于导轨上；小带轮套固于电机的输出轴上；固定支架的上端开设有支撑通孔；V带缠绕于小带轮和大带轮上；大带轮、套筒自前向后依次套固于圆环状磁轭的外圈前部；圆环状磁轭的外圈后部支撑于支撑通孔内；瓦片状永磁磁极的数目为至少两个；各个瓦片状永磁磁极对称固定于圆环状磁轭的内圈；端盖的数目为两个，其中一个端盖安装于圆环状磁轭的前端面，另一个端盖安装于支撑通孔的后端面；圆筒状工件套设于圆环状磁轭的内侧；磁性磨具吸附于圆筒状工件的表面；压杆的外圈前部设有沿径向向外延伸的凸起；圆筒状稀土超磁致伸缩棒、压块、预紧弹簧自前向后依次套设于压杆上；圆筒状稀土超磁致伸缩棒的前端面与凸起的后端面固定；圆筒状线圈架套设于圆筒状稀土超磁致伸缩棒的外侧；圆筒状线圈架的外圈开设有环状励磁线圈槽；励磁线圈缠绕于环状励磁线圈槽内；圆筒状外壳套固于圆筒状线圈架的外圈；圆筒状线圈架的内部开设有环状冷却通道；冷却水进口与冷却水出口均开设于圆筒状外壳上；冷却水进口与环状冷却通道的后端连通；冷却水出口与环状冷却通道的前端连通；后端盖安装于圆筒状外壳的后端面；后端盖的中心孔内设有内螺纹；预紧螺母通过内螺纹安装于后端盖的中心孔内；压杆的后端面和预紧弹簧的后端均与预紧螺母的前端面固定；前端盖安装于圆筒状外壳的前端面；圆筒状工件贯穿前端盖的中心孔；圆筒状工件的后端面通过夹具与压杆的前端面固定；压杆的前端面与前端盖的后端面之间沿轴向留有伸缩间隙。

具体工作过程如下：启动电机，电机依次通过小带轮、V带、大带轮带动圆环状磁轭和各个瓦片状永磁磁极进行旋转，使得各个瓦片状永磁磁极产生旋转磁场。各个瓦片状永磁磁极进而通过旋转磁场带动磁性磨具沿圆筒状工件的表面进行旋转，以此实现对圆筒状工件的表面进行磁力研磨。与此同时，向励磁线圈通入超声频交变电流，使得励磁线圈产生交变磁场。励磁线圈通过交变磁场带动圆筒状稀土超磁致伸缩棒沿轴向进行超声频振动。在凸起和压块的限位作用以及预紧弹簧的复位作用下，圆筒状稀土超磁致伸缩棒进而带动压杆沿轴向进行超声频振动，压杆进而通过夹具带动圆筒状工件沿轴向进行超声频振动，使得磁性磨具沿轴向相对于圆筒状工件的表面进行超声频振动，以此实现对圆筒状工件的表面进行超声频振动研磨抛光。在此过程中，通过将电机、固定支架、尾架沿导轨进行滑动，可沿轴向调整圆筒状工件与磁场产生装置之间的相对位置。通过冷却水进口、环状冷却通道、冷却水出口可对励磁线圈和圆筒状稀土超磁致伸缩棒进行强制水冷。通过调整超声频交变电流的频率和预紧螺母的紧固程度，可对研磨抛光力进行调整，以适应不同精度加工的需要。压杆具有机械阻抗变换器的作用，并能够能将来自圆筒状稀土超磁致伸缩棒的超声频振动作用通过夹具直接传递到圆筒状工件上。基于上述过程，与现有光整加工技术相比，本发明所述的超声磁力复合高效光整加工装置具有如下优点：一、本发明所述的超声磁力复合高效光整加工装置实现了对励磁线圈进行强制冷却，避免了励磁线圈发热，因而其适用范围更广（适合于工件的任意表面的研磨加工）。二、本发明所述的超声磁力复合高效光整加工装置实现了磁性磨具同时沿圆筒状工件表面进行旋转和轴向超声频振动，兼具了磁力研磨和超声频振动研磨的优点，因而其加工效率更高。三、本发明所述的超声磁力复合高效光整加工装置实现了将超声频振动直接传递给圆筒状工件，无需变幅杆，因而其结构更加简单，更有利于推广应用。综上所述，本发明所述的超声磁力复合高效光整加工装置通过采用全新结构，有效解决了现有光整加工技术适用范围小、加工效率低、磨料不易收集、以及结构复杂的问题。

本发明有效解决了现有光整加工技术适用范围小、加工效率低、磨料不易收集、以及结构复杂的问题，适用于各种机械零件的光整加工。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明的磁场产生装置的结构示意图。

图3是本发明的超磁致伸缩换能器的结构示意图。

图4是本发明的实施例一的结构示意图。

图5是本发明的实施例二的结构示意图。

图6是本发明的圆筒状非磁性容器的结构示意图。

图7是本发明的圆筒状稀土超磁致伸缩棒的结构示意图。

图8是本发明的稀土超磁致伸缩圆环的结构示意图。

图9是本发明的稀土超磁致伸缩材料扇片的结构示意图。

图中：1-工作台，2-导轨，3-尾架，4-超磁致伸缩换能器，5-夹具，6-圆筒状工件，7-磁场产生装置，8-大带轮，9-V带，10-固定支架，11-小带轮，12-电机，13-圆环状磁轭，14-瓦片状永磁磁极，15-磁性磨具，16-圆筒状非磁性容器，17-套筒，18-端盖，19-后端盖，20-预紧螺母，21-稀土超磁致伸缩圆环，22-压块，23-冷却水进口，24-圆筒状外壳，25-圆筒状线圈架，26-前端盖，27-压杆，28-钕铁硼圆环状永磁体，29-励磁线圈，30-冷却水出口，31-预紧弹簧。

具体实施方式

实施例一

超声磁力复合高效光整加工装置，包括工作台1、导轨2、尾架3、超磁致伸缩换能器4、夹具5、圆筒状工件6、磁场产生装置7、大带轮8、V带9、固定支架10、小带轮11、以及电机12；

所述磁场产生装置7包括圆环状磁轭13、瓦片状永磁磁极14、磁性磨具15、套筒17、以及端盖18；

所述超磁致伸缩换能器4包括后端盖19、预紧螺母20、压块22、冷却水进口23、圆筒状外壳24、圆筒状线圈架25、前端盖26、压杆27、励磁线圈29、冷却水出口30、预紧弹簧31、以及圆筒状稀土超磁致伸缩棒；

导轨2安装于工作台1的上表面；电机12的机座、固定支架10的下端、尾架3的下端自前向后依次滑动安装于导轨2上；小带轮11套固于电机12的输出轴上；固定支架10的上端开设有支撑通孔；V带9缠绕于小带轮11和大带轮8上；

大带轮8、套筒17自前向后依次套固于圆环状磁轭13的外圈前部；圆环状磁轭13的外圈后部支撑于支撑通孔内；瓦片状永磁磁极14的数目为至少两个；各个瓦片状永磁磁极14对称固定于圆环状磁轭13的内圈；端盖18的数目为两个，其中一个端盖18安装于圆环状磁轭13的前端面，另一个端盖18安装于支撑通孔的后端面；圆筒状工件6套设于圆环状磁轭13的内侧；磁性磨具15吸附于圆筒状工件6的表面；

压杆27的外圈前部设有沿径向向外延伸的凸起；圆筒状稀土超磁致伸缩棒、压块22、预紧弹簧31自前向后依次套设于压杆27上；圆筒状稀土超磁致伸缩棒的前端面与凸起的后端面固定；圆筒状线圈架25套设于圆筒状稀土超磁致伸缩棒的外侧；圆筒状线圈架25的外圈开设有环状励磁线圈槽；励磁线圈29缠绕于环状励磁线圈槽内；圆筒状外壳24套固于圆筒状线圈架25的外圈；圆筒状线圈架25的内部开设有环状冷却通道；冷却水进口23与冷却水出口30均开设于圆筒状外壳24上；冷却水进口23与环状冷却通道的后端连通；冷却水出口30与环状冷却通道的前端连通；后端盖19安装于圆筒状外壳24的后端面；后端盖19的中心孔内设有内螺纹；预紧螺母20通过内螺纹安装于后端盖19的中心孔内；压杆27的后端面和预紧弹簧31的后端均与预紧螺母20的前端面固定；前端盖26安装于圆筒状外壳24的前端面；圆筒状工件6贯穿前端盖26的中心孔；圆筒状工件6的后端面通过夹具5与压杆27的前端面固定；压杆27的前端面与前端盖26的后端面之间沿轴向留有伸缩间隙。

所述圆筒状稀土超磁致伸缩棒由若干个稀土超磁致伸缩圆环21和若干个钕铁硼圆环状永磁体28相互交错排列粘接构成；稀土超磁致伸缩圆环21的数目与钕铁硼圆环状永磁体28的数目相等，如图7所示。

在本实施例中，如图4、图6所示，还包括圆筒状非磁性容器16；圆筒状非磁性容器16套设于圆环状磁轭13与圆筒状工件6之间；磁性磨具15置于圆筒状非磁性容器16内；磁性磨具15吸附于圆筒状工件6的外侧表面；所述瓦片状永磁磁极14的数目为四个，且四个瓦片状永磁磁极14的磁极布置形式为NNSS磁极布置形式；当对圆筒状工件的外侧表面进行研磨加工时，圆筒状非磁性容器对磁性磨具进行径向约束，使得磁性磨具能够沿圆筒状工件的外侧表面进行旋转，以此实现对圆筒状工件的外侧表面进行磁力研磨。

具体实施时，圆环状磁轭13的外圈后部通过滚动轴承支撑于支撑通孔内。磁性磨具15由磁性磨粒和铁粉混合而成。端盖18、后端盖19、前端盖26均采用轭铁材料制成。两个端盖18分别通过螺钉安装于圆环状磁轭13的前端面、支撑通孔的后端面。后端盖19、前端盖26分别通过螺栓安装于圆筒状外壳24的两端面。为减少涡流损耗，稀土超磁致伸缩圆环21由六块表面绝缘处理过的60°稀土超磁致伸缩材料（Terfenol-D）扇片通过绝缘胶粘接而成，其伸缩应变为2000~4000μm·m^-1，如图8、图9所示。圆筒状外壳24与圆筒状线圈架25之间设有四道O型密封圈，且其中两道O型密封圈分别位于冷却水进口23的两侧，另外两道O型密封圈分别位于冷却水出口30的两侧。压杆27的前端面开设有连接口，用于将压杆27与夹具5固定。各个瓦片状永磁磁极14产生的旋转磁场的磁感应强度为0.6～1.2T。

实施例二

超声磁力复合高效光整加工装置，包括工作台1、导轨2、尾架3、超磁致伸缩换能器4、夹具5、圆筒状工件6、磁场产生装置7、大带轮8、V带9、固定支架10、小带轮11、以及电机12；

所述磁场产生装置7包括圆环状磁轭13、瓦片状永磁磁极14、磁性磨具15、套筒17、以及端盖18；

所述超磁致伸缩换能器4包括后端盖19、预紧螺母20、压块22、冷却水进口23、圆筒状外壳24、圆筒状线圈架25、前端盖26、压杆27、励磁线圈29、冷却水出口30、预紧弹簧31、以及圆筒状稀土超磁致伸缩棒；

导轨2安装于工作台1的上表面；电机12的机座、固定支架10的下端、尾架3的下端自前向后依次滑动安装于导轨2上；小带轮11套固于电机12的输出轴上；固定支架10的上端开设有支撑通孔；V带9缠绕于小带轮11和大带轮8上；

大带轮8、套筒17自前向后依次套固于圆环状磁轭13的外圈前部；圆环状磁轭13的外圈后部支撑于支撑通孔内；瓦片状永磁磁极14的数目为至少两个；各个瓦片状永磁磁极14对称固定于圆环状磁轭13的内圈；端盖18的数目为两个，其中一个端盖18安装于圆环状磁轭13的前端面，另一个端盖18安装于支撑通孔的后端面；圆筒状工件6套设于圆环状磁轭13的内侧；磁性磨具15吸附于圆筒状工件6的表面；

压杆27的外圈前部设有沿径向向外延伸的凸起；圆筒状稀土超磁致伸缩棒、压块22、预紧弹簧31自前向后依次套设于压杆27上；圆筒状稀土超磁致伸缩棒的前端面与凸起的后端面固定；圆筒状线圈架25套设于圆筒状稀土超磁致伸缩棒的外侧；圆筒状线圈架25的外圈开设有环状励磁线圈槽；励磁线圈29缠绕于环状励磁线圈槽内；圆筒状外壳24套固于圆筒状线圈架25的外圈；圆筒状线圈架25的内部开设有环状冷却通道；冷却水进口23与冷却水出口30均开设于圆筒状外壳24上；冷却水进口23与环状冷却通道的后端连通；冷却水出口30与环状冷却通道的前端连通；后端盖19安装于圆筒状外壳24的后端面；后端盖19的中心孔内设有内螺纹；预紧螺母20通过内螺纹安装于后端盖19的中心孔内；压杆27的后端面和预紧弹簧31的后端均与预紧螺母20的前端面固定；前端盖26安装于圆筒状外壳24的前端面；圆筒状工件6贯穿前端盖26的中心孔；圆筒状工件6的后端面通过夹具5与压杆27的前端面固定；压杆27的前端面与前端盖26的后端面之间沿轴向留有伸缩间隙。

所述圆筒状稀土超磁致伸缩棒由若干个稀土超磁致伸缩圆环21和若干个钕铁硼圆环状永磁体28相互交错排列粘接构成；稀土超磁致伸缩圆环21的数目与钕铁硼圆环状永磁体28的数目相等，如图7所示。

在本实施例中，如图5所示，磁性磨具15吸附于圆筒状工件6的内侧表面；所述瓦片状永磁磁极14的数目为四个，且四个瓦片状永磁磁极14的磁极布置形式为NSNS磁极布置形式；当对圆筒状工件的内侧表面进行研磨加工时，圆筒状工件对磁性磨具进行径向约束，使得磁性磨具能够沿圆筒状工件的内侧表面进行旋转，以此实现对圆筒状工件的内侧表面进行磁力研磨。

具体实施时，圆环状磁轭13的外圈后部通过滚动轴承支撑于支撑通孔内。磁性磨具15由磁性磨粒和铁粉混合而成。端盖18、后端盖19、前端盖26均采用轭铁材料制成。两个端盖18分别通过螺钉安装于圆环状磁轭13的前端面、支撑通孔的后端面。后端盖19、前端盖26分别通过螺栓安装于圆筒状外壳24的两端面。为减少涡流损耗，稀土超磁致伸缩圆环21由六块表面绝缘处理过的60°稀土超磁致伸缩材料（Terfenol-D）扇片通过绝缘胶粘接而成，其伸缩应变为2000~4000μm·m^-1，如图8、图9所示。圆筒状外壳24与圆筒状线圈架25之间设有四道O型密封圈，且其中两道O型密封圈分别位于冷却水进口23的两侧，另外两道O型密封圈分别位于冷却水出口30的两侧。压杆27的前端面开设有连接口，用于将压杆27与夹具5固定。各个瓦片状永磁磁极14产生的旋转磁场的磁感应强度为0.6～1.2T。

Claims (4)

1.一种超声磁力复合高效光整加工装置，其特征在于：包括工作台（1）、导轨（2）、尾架（3）、超磁致伸缩换能器（4）、夹具（5）、圆筒状工件（6）、磁场产生装置（7）、大带轮（8）、V带（9）、固定支架（10）、小带轮（11）、以及电机（12）；

所述磁场产生装置（7）包括圆环状磁轭（13）、瓦片状永磁磁极（14）、磁性磨具（15）、套筒（17）、以及端盖（18）；

所述超磁致伸缩换能器（4）包括后端盖（19）、预紧螺母（20）、压块（22）、冷却水进口（23）、圆筒状外壳（24）、圆筒状线圈架（25）、前端盖（26）、压杆（27）、励磁线圈（29）、冷却水出口（30）、预紧弹簧（31）、以及圆筒状稀土超磁致伸缩棒；

导轨（2）安装于工作台（1）的上表面；电机（12）的机座、固定支架（10）的下端、尾架（3）的下端自前向后依次滑动安装于导轨（2）上；小带轮（11）套固于电机（12）的输出轴上；固定支架（10）的上端开设有支撑通孔；V带（9）缠绕于小带轮（11）和大带轮（8）上；

大带轮（8）、套筒（17）自前向后依次套固于圆环状磁轭（13）的外圈前部；圆环状磁轭（13）的外圈后部支撑于支撑通孔内；瓦片状永磁磁极（14）的数目为至少两个；各个瓦片状永磁磁极（14）均匀固定于圆环状磁轭（13）的内圈；端盖（18）的数目为两个，其中一个端盖（18）安装于圆环状磁轭（13）的前端面，另一个端盖（18）安装于支撑通孔的后端面；圆筒状工件（6）套设于圆环状磁轭（13）的内侧；磁性磨具（15）吸附于圆筒状工件（6）的表面；

压杆（27）的外圈前部设有沿径向向外延伸的凸起；圆筒状稀土超磁致伸缩棒、压块（22）、预紧弹簧（31）自前向后依次套设于压杆（27）上；圆筒状稀土超磁致伸缩棒的前端面与凸起的后端面固定；圆筒状线圈架（25）套设于圆筒状稀土超磁致伸缩棒的外侧；圆筒状线圈架（25）的外圈开设有环状励磁线圈槽；励磁线圈（29）缠绕于环状励磁线圈槽内；圆筒状外壳（24）套固于圆筒状线圈架（25）的外圈；圆筒状线圈架（25）的内部开设有环状冷却通道；冷却水进口（23）与冷却水出口（30）均开设于圆筒状外壳（24）上；冷却水进口（23）与环状冷却通道的后端连通；冷却水出口（30）与环状冷却通道的前端连通；后端盖（19）安装于圆筒状外壳（24）的后端面；后端盖（19）的中心孔内设有内螺纹；预紧螺母（20）通过内螺纹安装于后端盖（19）的中心孔内；压杆（27）的后端面和预紧弹簧（31）的后端均与预紧螺母（20）的前端面固定；前端盖（26）安装于圆筒状外壳（24）的前端面；圆筒状工件（6）贯穿前端盖（26）的中心孔；圆筒状工件（6）的后端面通过夹具（5）与压杆（27）的前端面固定；压杆（27）的前端面与前端盖（26）的后端面之间沿轴向留有伸缩间隙。

2.根据权利要求1所述的超声磁力复合高效光整加工装置，其特征在于：所述圆筒状稀土超磁致伸缩棒由若干个稀土超磁致伸缩圆环（21）和若干个钕铁硼圆环状永磁体（28）相互交错排列粘接构成；稀土超磁致伸缩圆环（21）的数目与钕铁硼圆环状永磁体（28）的数目相等。

3.根据权利要求1或2所述的超声磁力复合高效光整加工装置，其特征在于：还包括圆筒状非磁性容器（16）；圆筒状非磁性容器（16）套设于圆环状磁轭（13）与圆筒状工件（6）之间；磁性磨具（15）置于圆筒状非磁性容器（16）内；磁性磨具（15）吸附于圆筒状工件（6）的外侧表面；所述瓦片状永磁磁极（14）的数目为四个，且四个瓦片状永磁磁极（14）的磁极布置形式为NNSS磁极布置形式。

4.根据权利要求1或2所述的超声磁力复合高效光整加工装置，其特征在于：磁性磨具（15）吸附于圆筒状工件（6）的内侧表面；所述瓦片状永磁磁极（14）的数目为四个，且四个瓦片状永磁磁极（14）的磁极布置形式为NSNS磁极布置形式。