CN103223507A

CN103223507A - 一种超声波振动辅助深孔加工装置

Info

Publication number: CN103223507A
Application number: CN2013101103250A
Authority: CN
Inventors: 辛志杰; 王兴文; 聂林; 凌杰; 于大国
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2033-04-01
Also published as: CN103223507B

Abstract

本发明涉及深孔加工装置，具体为一种超声波振动辅助深孔加工装置。解决了目前深孔加工中容易出现刀具磨损严重、表面质量差以及供油装置供油不便的技术问题。一种超声波振动辅助深孔加工装置，包括内部为中空结构的钻杆，以及一个内设空腔且一端开口的联接柄；还包括一个内设换能器的集成式变幅杆，所述集成式变幅杆中心为前后贯通的空腔；集成式变幅杆的中后部位于联接柄的空腔内部并与联接柄固定连接；集成式变幅杆的前端与钻杆后端固定连接，钻杆空腔与集成式变幅杆的空腔相连通。本装置将超声振动加工应用在枪钻的深孔加工中，能够有效地减小切削力、降低切削温度、延长刀具寿命，降低表面粗糙度值、提高加工精度。

Description

一种超声波振动辅助深孔加工装置

技术领域

本发明涉及深孔加工装置，具体为一种超声波振动辅助深孔加工装置。

背景技术

在深孔(孔深L与孔径d ₀之比大于5，即L/d ₀>5)加工刀具中，枪钻作为精密深孔加工的主要手段，其使用量越来越多。然而随着难加工材料的应用日益广泛，例如难加工金属材料、非金属材料、复合材料等，在钻削过程中容易出现刀具磨损严重、表面质量差、加工效率低甚至无法进行加工等现象。为描述清楚将钻杆的刀刃部位称为前端，将钻杆的尾部称为后端。

发明内容

本发明为解决目前深孔加工中容易出现刀具磨损严重、表面质量差、加工效率低以及供油装置供油不便的技术问题，提供一种超声波振动辅助深孔加工装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种超声波振动辅助深孔加工装置，包括内部为中空结构的钻杆，以及一个内设空腔且一端开口的联接柄；还包括一个内设换能器的集成式变幅杆，所述集成式变幅杆中心为前后贯通的空腔；集成式变幅杆的中后部位于联接柄的空腔内部并与联接柄固定密封连接；所述集成式变幅杆的中部与联接柄的开口处固定密封连接；集成式变幅杆的前端与钻杆后端固定连接，钻杆空腔与集成式变幅杆的空腔相连通；所述联接柄的内中部水平开有与其空腔相连通的供油空腔；所述供油空腔与集成式变幅杆的空腔相连通；联接柄外部还径向开有与供油空腔后端相贯通的供油孔；所述联接柄的前部外侧通过一对前后间隔的第一轴承连接有前套筒；所述一对第一轴承之间固设有一个与前套筒内壁连接的轴承套筒；所述第一轴承的内圈与联接柄的外部固定连接；第一轴承的外圈与前套筒的内壁固定连接；前套筒的后部侧壁上开有孔，孔内竖直设有一个碳刷座，所述碳刷座内部为上下贯通的分为上下两部分的空腔结构；碳刷座内的空腔上部孔径小于下部孔径；联接柄外部与碳刷座相对应的位置处固设有一个呈环状的尼龙座；碳刷座的空腔下部自上而下设有弹簧和碳刷；尼龙座的外圈套设有一个集流环，所述碳刷的下端与集流环紧密接触；尼龙座的前端设有与钻杆轴向垂直且与位于后部的第一轴承相接触的凸台，集流环后部设有位于尼龙座上的尼龙挡圈；尼龙座及尼龙挡圈的后部设有位于前套筒与联接柄之间且与联接柄相固定的紧固环；前套筒的后部内壁与尼龙座、尼龙挡圈及紧固环之间还设有与前套筒相连接的前挡圈；集成式变幅杆的后端与联接柄的空腔后端面之间设有环绕供油空腔端口的内密封圈；联接柄的中部外侧设有位于前挡圈后部且其上设有进油口并通过进油口与供油孔相连通的供油装置；所述尼龙座及联接柄上开有相连通的小孔，所述集成式变幅杆内的换能器的正极通过穿过小孔的导线与集流环相连接；换能器的负极与前套筒相连接。

超声加工是一种给刀具或者工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工的方法。使用时，将一个超声波发生器的正极经过碳刷座的空腔与碳刷相连接；超声波发生器27的负极与前套筒相连接。超声波发生器能将220V或者380V的交流电源转换成超声频电振荡，再经换能器转换为超声频的机械振动。由于进行机械加工的振动能量所要求的振幅（几十到几百微米）大于换能器直接输出的振动（微米级），所以利用集成式变幅杆将换能器输出的机械振动的振幅放大，以满足机加工要求。本发明采用枪钻作为加工刀具，将枪钻钻杆的后部与集成式变幅杆的前端部（即输出端）固定连接，振动通过枪钻钻杆传动至参加切削的钻杆刀刃部位（即前端部）。本发明中超声振动的振动方向与枪钻轴向一致，沿钻杆轴向振动。超声振动在换能器和集成式变幅杆中的传播形式为纵波，因此只要保持钻杆的长度与超声波长之间一定的比例关系，使得超声振动由换能器传向钻杆刀刃部位过程中，在集成式变幅杆与联接柄的连接截面（图3的A-A线）上处于节点位置、在刀刃部位处于波峰或波谷位置，就可在刀刃部位得到一定振幅的超声波机械振动。装置后部的联接柄可以是普通车床、枪钻机床、加工中心等机床相应的标准刀柄，以便能够方便地安装在相应机床上。集成式变幅杆与联接柄连接面通过内密封圈进行密封，使得集成式变幅杆在轴向振动的同时，也能实现集成式变幅杆中空部分与联接柄供油空腔之间的密封；集流环套在尼龙座上，集流环、尼龙座和尼龙挡圈通过紧固环的螺纹副固定在联接柄上；集流环通过尼龙座、尼龙挡圈与紧固环以及其他金属零件保持绝缘；集成式变幅杆中换能器的正极通过导线与集流环连接，负极与前套筒连接；碳刷安装到碳刷座内，碳刷能在碳刷座内垂直于钻杆轴向的方向滑动，并通过弹簧使碳刷底部与旋转的集流环始终保持接触；碳刷座固定在前套筒内，前套筒通过两个第一轴承、轴承套筒及前挡圈进行轴向定位；整个装置通过供油器26与供油装置相连接，这样来自供油器的切削油就能经过供油孔、供油空腔、集成式变幅杆、钻杆中心孔到达钻杆的刀头部位，最后和切屑一起从钻杆的排屑槽排到所加工孔外。

进一步的，所述供油装置包括设在联接柄的中部外侧的一对前后布置的第二轴承；第二轴承连接有后套筒；所述第二轴承的内圈与联接柄之间固定连接，第二轴承的外圈与后套筒的内壁固定连接；后套筒的前端与前挡圈的后端相连接；后套筒内壁、第二轴承以及联接柄外壁之间形成环形空腔；所述环形空腔与供油孔相连通；后套筒与供油孔对应的位置开有孔，孔内竖直设有一个其上设有通孔的供油螺栓；供油螺栓的通孔经过环形空腔与供油孔相连通；所述供油孔的端口外沿与一对第二轴承之间均设有位于环形空腔内部且环绕联接柄的密封件；后套筒的后部设有固定套在联接柄上的后挡圈。

将本发明所述装置的前后套筒与机床外壳进行固定。后套筒通过第二轴承、后挡圈以及前挡圈进行轴向定位；后套筒内的轴承以及密封件构成一道密封，可使得联接柄能够相对于后套筒转动，并且与集成式变幅杆与联接柄之间的密封共同形成了一个密封腔体。将外部的供油器与供油螺栓相连通，切削油先进入环形空腔，再经过供油孔进入供油空腔，进而到达钻杆的头部，完成加工时排屑以及对刀具的冷却、润滑。

本超声波振动辅助深孔加工装置将超声振动加工应用在枪钻的深孔加工中，能够有效地减小切削力、降低切削温度、降低表面粗糙度值、提高加工精度。此外，该装置还可以方便地安装在普通车床、枪钻机床、加工中心等机床上，无需添加其它辅助设备。供油装置的设计能够使本发明在转动过程中顺利完成切削油的供应工作，提高了钻孔效率，减小了刀具磨损，延长了刀具寿命。

附图说明

图1本发明内部结构示意图。

图2 本发明外部结构示意图。

图3本发明所述钻杆、集成式变幅杆及联接柄的连接示意图。

1-钻杆，2-集成式变幅杆，3-前套筒，4-第一轴承，5-尼龙挡圈，6-紧固环，7-前外密封环，8-后套筒，9-后密封圈，10-联接柄，11-第二轴承，12-后挡圈，13-后外密封环，14-后内密封环，15-供油螺栓，16-前内密封环，17-前密封圈，18-前挡圈，19-弹簧，20-碳刷座，21-碳刷，22-集流环，23-尼龙座，24-轴承套筒，25-内密封圈，26-供油器，27-超声波发生器，28-钻杆刀刃部位，29-超声振动，30-换能器，31-供油空腔，32-供油孔，33-圆板。

具体实施方式

一种超声波振动辅助深孔加工装置，包括内部为中空结构的钻杆1，以及一个内设空腔且一端开口的联接柄10；还包括一个内设换能器30的集成式变幅杆2，所述集成式变幅杆2中心为前后贯通的空腔；集成式变幅杆2的中后部位于联接柄10的空腔内部并与联接柄10固定密封连接；所述集成式变幅杆2的中部与联接柄10的开口处固定密封连接；集成式变幅杆2的前端与钻杆1后端固定连接，钻杆1空腔与集成式变幅杆2的空腔相连通；所述联接柄10的内中部水平开有与其空腔相连通的供油空腔31；所述供油空腔31与集成式变幅杆2的空腔相连通；联接柄10外部还径向开有与供油空腔10后端相贯通的供油孔32；所述联接柄10的前部外侧通过一对前后间隔的第一轴承4连接有前套筒3；所述一对第一轴承4之间固设有一个与前套筒3内壁连接的轴承套筒24；所述第一轴承4的内圈与联接柄10的外部固定连接；第一轴承4的外圈与前套筒3的内壁固定连接；前套筒3的后部侧壁上开有孔，孔内竖直设有一个碳刷座20，所述碳刷座20内部为上下贯通的分为上下两部分的空腔结构；碳刷座内的空腔上部孔径小于下部孔径；联接柄10外部与碳刷座20相对应的位置处固设有一个呈环状的尼龙座23；碳刷座20的空腔下部自上而下设有弹簧19和碳刷21；尼龙座23的外圈套设有一个集流环22，所述碳刷21的下端与集流环22紧密接触；尼龙座23的前端设有与钻杆1轴向垂直且与位于后部的第一轴承4相接触的凸台，集流环22后部设有位于尼龙座23上的尼龙挡圈5；尼龙座23及尼龙挡圈5的后部设有位于前套筒3与联接柄10之间且与联接柄10相固定的紧固环6；前套筒3的后部内壁与尼龙座23、尼龙挡圈5及紧固环6之间还设有与前套筒3相连接的前挡圈18；集成式变幅杆2的后端与联接柄10的空腔后端面之间设有环绕供油空腔31端口的内密封圈25；联接柄10的中部外侧设有位于前挡圈18后部且其上设有进油口并通过进油口与供油孔32相连通的供油装置；所述尼龙座23及联接柄10上开有相连通的小孔，所述集成式变幅杆2内的换能器30的正极通过穿过小孔的导线与集流环22相连接；换能器30的负极与前套筒3相连接。前挡圈18与联接柄10之间发生摩擦，如果损坏可以方便的予以更换，避免了更换前套筒3。

所述供油装置包括设在联接柄10的中部外侧的一对前后布置的第二轴承11；第二轴承11连接有后套筒8；所述第二轴承11的内圈与联接柄10之间固定连接，第二轴承11的外圈与后套筒8的内壁之间固定连接；后套筒8的前端与前挡圈18的后端相连接；后套筒8内壁、第二轴承11以及联接柄10外壁形成环形空腔；所述环形空腔与供油孔32相连通；后套筒8与供油孔32对应的位置开有孔，孔内竖直设有一个其上设有通孔的供油螺栓15；供油螺栓15的通孔经过环形空腔与供油孔32相连通；所述供油孔32的端口外缘与一对第二轴承11之间均设有位于环形空腔内部且环绕联接柄10的密封件；后套筒8的后部设有固定套在联接柄10上的后挡圈12。

所述密封件包括设在位于前端的第二轴承11后部的前外密封环7以及位于前外密封环7后部的前内密封环16；所述前外密封环7与联接柄10之间还设有前密封圈17；还包括设在位于后端的第二轴承11前部的后外密封环13以及位于后外密封环13前部的后内密封环14；所述后外密封环13与联接柄10之间设有后密封圈9；所述前外密封环7、前内密封环16、后外密封环13和后内密封环14均与联接柄10固定连接。

所述集成式变幅杆2的中部设有与钻杆1轴向垂直的圆板33，圆板33与联接柄10的开口端之间通过螺栓固定连接。

前后套筒、轴承、轴承套筒通常都由金属制成，换能器30的负极通过导线与轴承相连接即可与超声波发生器27形成供电回路。

如图3所示，A-A线为集成式变幅杆2与联接柄10的连接部位，即圆板33；换能器30将超声波发生器27发出的超声波转换为相应的超声机械振动；超声振动29沿钻杆轴向传递至钻杆刀刃部位28，此时钻杆刀刃部位28的振动幅度最大，钻孔效果最好。

工作前，要在本装置的轴承处以及密封部位注油，以保证良好的润滑性能和密封性能；检测碳刷21是否与集流环22保持良好接触，否则要对碳刷21进行打磨处理，以保证集成式变幅杆2内的换能器正常工作。

工作时，将本发明所述装置的联接柄10连接到机床上，装置的前套筒3与机床外壳进行固定，以保持本发明的外壳（即前套筒）与机床外壳不发生相对转动（若在加工时采用枪钻固定、工件旋转的方式，则无需考虑这一点）；供油装置与供油器相连接；以提供切削油，用于加工时排屑以及对刀具的冷却、润滑；超声波发生器27使集成式变幅杆2中的换能器30产生高频振动，最终通过集成式变幅杆2带动枪钻也做超声振动；同时联接柄10带动尼龙座23、紧固环6、集成式变幅杆2以及钻杆1绕钻杆轴向转动，这样，即可进行相关的深孔加工。

Claims

1.一种超声波振动辅助深孔加工装置，包括内部为中空结构的钻杆（1），以及一个内设空腔且一端开口的联接柄（10）；其特征在于，还包括一个内设换能器（30）的集成式变幅杆（2），所述集成式变幅杆（2）中心为前后贯通的空腔；集成式变幅杆（2）的中后部位于联接柄（10）的空腔内部并与联接柄（10）固定密封连接；所述集成式变幅杆（2）的中部与联接柄（10）的开口处固定密封连接；集成式变幅杆（2）的前端与钻杆（1）后端固定连接，钻杆（1）空腔与集成式变幅杆（2）的空腔相连通；所述联接柄（10）的内中部水平开有与其空腔相连通的供油空腔（31）；所述供油空腔（31）与集成式变幅杆（2）的空腔相连通；联接柄（10）外部还竖直开有与供油空腔（31）后端相贯通的供油孔（32）；所述联接柄（10）的前部外侧通过一对前后间隔的第一轴承（4）连接有前套筒（3）；所述一对第一轴承（4）之间固设有一个与前套筒（3）内壁连接的轴承套筒（24）；所述第一轴承（4）的内圈与联接柄（10）的外部固定连接；第一轴承（4）的外圈与前套筒（3）的内壁固定连接；前套筒（3）的后部侧壁上开有孔，孔内竖直设有一个碳刷座（20），所述碳刷座（20）内部为上下贯通的分为上下两部分的空腔结构；碳刷座（20）内的空腔上部孔径小于下部孔径；联接柄（10）外部与碳刷座（20）相对应的位置处固设有一个呈环状的尼龙座（23）；碳刷座（20）的空腔下部自上而下设有弹簧（19）和碳刷（21）；尼龙座（23）的外部套设有一个集流环（22），所述碳刷（21）的下端与集流环（22）紧密接触；尼龙座（23）的前端设有与钻杆（1）轴向垂直且与位于后部的第一轴承（4）相接触的凸台，集流环（22）后部设有位于尼龙座（23）上的尼龙挡圈（5）；尼龙座（23）及尼龙挡圈（5）的后部设有位于前套筒（3）与联接柄（10）之间且与联接柄（10）相固定的紧固环（6）；前套筒（3）的后部内壁与尼龙座（23）、尼龙挡圈（5）及紧固环（6）之间还设有与前套筒（3）相连接的前挡圈（18）；集成式变幅杆（2）的后端与联接柄（10）的空腔后端面之间设有环绕供油空腔（31）端口的内密封圈（25）；联接柄（10）的中部外侧设有位于前挡圈（18）后部且其上设有进油口并通过进油口与供油孔（32）相连通的供油装置；所述尼龙座（23）及联接柄（10）上开有相连通的小孔，所述集成式变幅杆（2）内的换能器（30）的正极通过穿过小孔的导线与集流环（22）相连接；换能器（30）的负极与前套筒（3）相连接。

2.如权利要求1所述的一种超声波振动辅助深孔加工装置，其特征在于，所述供油装置包括设在联接柄（10）的中部外侧的一对前后布置的第二轴承（11）；第二轴承（11）连接有后套筒（8）；所述第二轴承（11）的内圈与联接柄（10）之间固定连接，第二轴承（11）的外圈与后套筒（8）的内壁固定连接；后套筒（8）的前端与前挡圈（18）的后端相连接；后套筒（8）内壁、第二轴承（11）以及联接柄（10）外壁之间形成环形空腔；所述环形空腔与供油孔（32）相连通；后套筒（8）与供油孔（32）对应的位置开有孔，孔内竖直设有一个其上设有通孔的供油螺栓（15）；供油螺栓（15）的通孔经过环形空腔与供油孔（32）相连通；所述供油孔（32）的端口外缘与一对第二轴承（11）之间均设有位于环形空腔内部且环绕联接柄（10）的密封件；后套筒（8）的后部设有固定套在联接柄（10）上的后挡圈（12）。

3.如权利要求2所述的一种超声波振动辅助深孔加工装置，其特征在于，所述密封件包括设在位于前端的第二轴承（11）后部的前外密封环（7）以及位于前外密封环（7）后部的前内密封环（16）；所述前外密封环（7）与联接柄（10）之间还设有前密封圈（17）；还包括设在位于后端的第二轴承（11）前部的后外密封环（13）以及位于后外密封环（13）前部的后内密封环（14）；所述后外密封环（13）与联接柄（10）之间设有后密封圈（9）；所述前外密封环（7）、前内密封环（16）、后外密封环（13）和后内密封环（14）均与联接柄（10）固定连接。

4.如权利要求1~3中任一项所述的一种超声波振动辅助深孔加工装置，其特征在于，所述集成式变幅杆（2）的中部设有与钻杆（1）轴向垂直的圆板（33），圆板（33）与联接柄（10）的开口端之间通过螺栓固定连接。