CN103537882B - 一种细长轴表面超声波加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种细长轴表面超声波加工方法及装置，该方法是使至少两个超声波刀具同时与细长轴接触，以各个超声波刀具转动、细长轴转动以及超声波刀具与细长轴相对移动的方式，或者以超声波刀具转动、细长轴不转动以及超声波刀具与细长轴相对移动的方式，对细长轴表面进行超声波加工；该装置包括支架、转轴、转轴转动机构、气液滑环和超声波刀具，转轴安装在支架的中心孔中，并与设置在支架上的转轴转动机构连接，该转轴转动机构带动转轴转动，气液滑环的外侧均匀固定分布有至少两个超声波刀具。本发明采用多个刀具同时对细长轴外表面进行超声波加工，对工件不产生径向外力，保证了超声波加工的质量，保证了加工后的工件的形状公差，大幅提高了加工效率。

Description

一种细长轴表面超声波加工方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于提高细长轴表面质量和降低细长轴表面粗糙度值的加工方法及装置，属于细长轴加工技术领域。

背景技术

细长轴工件的长度与直径之比大于20～25倍（L/d>20～25），由于细长轴本身刚性差（L/d值愈大，刚性愈差），对其外表面的加工通常是车削或磨削，通常采用一夹一顶的装夹方式，细长轴工件转动，车刀直线进给，进行车削过程中受切削力、自重和旋转时离心力的作用，会产生弯曲、振动，严重影响其圆柱度和表面粗糙度，受热伸长产生弯曲变形，加工很难进行，严重时会使工件在顶尖间卡住。因此 ，车 细 长 轴 一般 要 使用中心架支承、用过渡套筒支承或使用跟刀架支承。对于表面粗糙度要求较高的细长轴工件还要进行磨削、抛光等。超声波已经广泛应用于金属工件表面加工，以降低工件表面的粗糙度值，提高加工精度。因此，细长轴工件表面的超声波加工也是降低其表面的粗糙度值、提高加工精度的有效方法。

在车床上对轴类工件进行超声波加工的装置已经出现，如CN101503755B公开的《一种用于普通车床的数控超声波加工装置》、CN101502881公开的《数控车床用超声波金属表面加工装置》、CN102490089A《外圆面超声波加工装置》以及CN202072730U公开的《快进式超声波金属表面加工装置》。

上述能够对外圆面进行超声波加工的装置，只能对强度较高不易变形的轴类工件进行超声波加工，不能解决细长轴工件加工过程中变形的问题，并且只具有一个超声波刀头，加工效率较低。

发明内容

本发明针对现有细长轴超声波加工技术存在的问题，提供一种加工效率高、质量高的细长轴表面超声波加工方法，同时提供一种实现该方法的装置。

本发明的细长轴表面超声波加工方法，是：

在细长轴的外侧沿圆周方向均匀布置至少两个超声波刀具，各个超声波刀具同时与细长轴接触，各个超声波刀具绕细长轴的轴线转动，同时使各个超声波刀具与细长轴相对移动（各个超声波刀具移动或细长轴移动），以超声波刀具转动、细长轴转动以及超声波刀具与细长轴相对移动的方式，或者以超声波刀具转动、细长轴不转动以及超声波刀具与细长轴相对移动的方式，对细长轴表面进行超声波加工；这样在超声波加工过程中细长轴不产生径向外力，不会产生径向变形，保证了加工后的形状公差（如直线度和圆度等），从而保证了超声波加工的质量，采用多个超声波刀具同时对工件进行超声波金属表面加工，提高了加工效率。

实现上述方法的细长轴表面超声波加工装置，采用以下技术方案：

该装置，该细长轴表面加工装置，包括支架、转轴、转轴转动机构、气液滑环和超声波刀具；支架中加工有一个安装转轴和气液滑环的中心孔，转轴安装在支架的中心孔中，并与设置在支架上的转轴转动机构连接，该转轴转动机构带动转轴转动，转轴内为通孔；气液滑环设置在支架的中心孔中，并与转轴固定连接，气液滑环与支架的中心孔之间设置有冷却液通路和气路；气液滑环的外侧圆周上均匀固定分布有至少两个超声波刀具，气液滑环上还设置有电滑环，电滑环与超声波刀具电连接；每一个超声波刀具上的工具头均伸入气液滑环内；冷却液通路与超声波刀具上的冷却液槽连通；气路与超声波刀具上的气腔连通。

所述转轴转动机构为皮带传动，包括电机、小带轮、皮带 和大带轮，电机安装在支架上，小带轮安装在电机上，大带轮安装在转轴上，小带轮和大带轮之间设置皮带。

    所述超声波刀具包括外壳、滑套和滑套复位机构，滑套安装在外壳内，滑套伸出外壳的一端安装有工具头，滑套在外壳内的一端与外壳底部形成气腔，该气腔与气液滑环上的气路连通，滑套复位机构设置在外壳底部，滑套外侧设置有冷却液槽，该冷却液槽与气液滑环上的冷却液通路连通，滑套的内孔中安装有与工具头接触的变幅杆，变幅杆与换能器连接，换能器与电滑环电连接。

所述超声波刀具中的滑套复位机构，包括顶杆、端盖和弹簧，顶杆通过端盖安装在外壳内，一端顶在滑套上，另一端伸出外壳，端盖固定在外壳上，顶杆在外壳外侧的部分与端盖之间设置有弹簧。

上述细长轴表面超声波加工装置的应用模式如下所述：

在车床上应用时，通过支架固定连接在车床的滑板上，并使车床主轴的中心线与气液滑环的中心线找正重合，整个装置通过滑板实现纵向和横向移动；细长轴工件装夹在车床的主轴上，使细长轴工件伸入气液滑环内，细长轴在车床主轴带动下转动；启动转轴转动机构，驱动转轴转动，转轴同时带动气液滑环和各个超声波刀具一起绕细长轴轴线（也就是车床主轴的中心线）转动，细长轴的转动方向与各个超声波刀具的转动方向相反；通过气路使高压气同时进入各个超声波刀具的气腔，推动各个超声波刀具上的滑套和滑套上的工具头同时与工件接触，通过冷却液通路为滑套和工具头供给冷却液，通过电滑环为超声波刀具中的换能器供电，这样各个超声波刀具同时对工件表面进行超声波加工；当加工完毕，气腔内的高压气撤离，各个超声波刀具中的滑套和滑套上的工具头同时回位。

上述装置在加工超长细长轴（趋于无限长）时，通过支架固定在加工超长细长轴的专用设备上，整个装置固定不作移动，启动转轴转动机构，驱动转轴转动，转轴同时带动气液滑环和各个超声波刀具一起绕细长轴轴线转动，超长细长轴不转动，只作直线进给运动，以各个超声波刀具转动超长细长轴移动的方式，完成对超长细长轴表面的超声波加工。

本发明改变了现有细长轴外表面的加工方式，各个超声波刀具沿细长轴圆周方向均布，采用多个刀具同时对细长轴外表面进行超声波加工，对工件不产生径向外力，保证了加工后的工件的形状公差（如直线度和圆度等），从而保证了超声波加工的质量；采用多把超声波刀具同时对工件进行超声波加工，大大提高了加工效率；将气、液、电通过滑环的方式提供，满足了超声波刀具在工作时需要的供电、冷却和加压要求，操作简单可靠，加工效果好。

附图说明

图1是本发明细长轴表面加工装置的结构示意图。

图2是本发明中超声波刀具的结构示意图。

图3是图1的右视图。

图中：1、电机，2、调节螺栓，3、固定板，4、小带轮, 5、皮带，6、支架，7、大带轮，8、轴承，9、转轴，10、导向套，11、锁紧螺母，12、密封圈，13、轴承压盖，14、冷却液通路，15、气路，16、气液滑环，17、电滑环，18、固定套，19、超声波刀具，20、冷却液进口，21、气腔，22、高压气进口， 23、外壳，24、定位螺钉，25、后端盖，26、弹簧，27、滑套，28、冷却液槽，29、顶杆，30、工具头，31、变幅杆，32、换能器，33、压盖，34、连接螺栓。

具体实施方式

本发明的细长轴表面超声波加工方法，是在细长轴的外侧沿圆周方向均匀布置至少两个超声波刀具，各个超声波刀具同时与细长轴接触，各个超声波刀具绕细长轴的轴线转动，同时使各个超声波刀具与细长轴相对移动，以超声波刀具转动、细长轴转动以及超声波刀具与细长轴相对移动的方式，或者以超声波刀具转动、细长轴不转动以及超声波刀具与细长轴相对移动的方式，对细长轴表面进行超声波加工，当细长轴也需要转动时，细长轴的旋转方向与超声波刀具的旋转方向相反。这样在超声波加工过程中细长轴不产生径向外力，不会产生径向变形，保证了加工后的形状公差，从而保证了超声波加工的质量，采用多把超声波刀具同时对工件进行超声波金属表面加工，提高了加工效率。

如图1所示，实现上述方法的细长轴表面加工装置，主要包括支架6、转轴9、转轴转动机构、气液滑环16和超声波刀具19。支架6中加工有一个安装转轴9和气液滑环16的中心孔，转轴9通过轴承8和另一个轴承安装在支架6的中心孔中。转轴9一端的轴承8通过固定在支架6上的轴承压盖13实现轴向定位，转轴9上在轴承8的外侧设置有密封圈12，密封圈12通过安装在转轴9上的锁紧螺母11压紧。支架6上还设置有与转轴9连接的转轴转动机构，该转轴转动机构带动转轴9转动，为皮带传动，包括电机1、小带轮4、皮带 5和大带轮7，电机1安装在支架6上，小带轮4安装在电机1上，大带轮7安装在转轴9上，小带轮4和大带轮7之间设置皮带 5。为了调节皮带 5的松紧度，在支架6上设置有固定板3，固定板3上安装调节螺栓2，调节螺栓2与电机1的安装架连接，通过调节螺栓2使电机1移动，改变小带轮4与大带轮7的间距，从而调节皮带 5的松紧度。

气液滑环16设置在支架6的中心孔中，并与转轴9的一端通过螺栓固定，转轴9的内孔中设置有一个导向套10，以便为细长轴工件导向，该导向套10与气液滑环16固定在一起。气液滑环16的外表面与支架6的中心孔之间设置有密封圈以及环形的冷却液通路14和环形的气路15。在支架6上与冷却液通路14相对应的位置设有冷却液进口20，与气路14相对应的位置设有高压气进口22。冷却液由冷却液进口20进入冷却液通路14，高压气由高压气进口22进入气路14，这样实现了气液滑环16转动时，冷却液和高压气的供给。气液滑环16的外侧端固定安装有固定套18，转轴9的内孔、导向套10及固定套18的轴线重合。固定套18的外部沿圆周方向均匀分布有三个超声波刀具19（超声波刀具19至少设置两个，图1中以三个为例），三把超声波刀具可设置于同一平面内，也可设置于不同平面内；固定套18上在超声波刀具外侧设置有电滑环17，电滑环17与超声波刀具电连接。固定套18上与每一个超声波刀具对应的位置均设置一个开口，以便使超声波刀具上的刀头能够伸入固定套18内。导向套10、气液滑环16和固定套18也可以是一体结构，分成三部分是考虑加工方便。冷却液通路14与超声波刀具上的冷却液槽28（参见图2）连通；气路15与超声波刀具上的气腔21（参见图2）连通。

    如图2所示，超声波刀具19的结构包括外壳23、滑套27和顶杆29，滑套27安装在外壳23的内孔中，滑套27的一端伸出外壳23，一端在外壳23的内孔中，顶杆29通过端盖25安装在外壳23的内孔中，一端顶在滑套27的一端，另一端伸出外壳23，端盖25固定在外壳23上，顶杆29与端盖25之间在外壳23内形成气腔21，该气腔21与气路15连通。顶杆29在外壳23外侧的部分上设置有弹簧26，弹簧26一端顶在端盖25上，另一端顶在设置于顶杆29上的螺母上。滑套27上设置有冷却液槽28，该冷却液槽28与冷却液通路14连通。滑套27的外侧设有限位槽，设置在外壳23上的定位螺钉24处于该限位槽内，以对滑套27在外壳23内孔中的移动距离进行限位。滑套27伸出外壳23的一端通过压盖33安装有工具头30，滑套27的内孔中安装有与工具头30接触的变幅杆31，变幅杆31与换能器32连接，换能器与电滑环17电连接。高压气通过气路15同时进入三个超声波刀具19的气腔21，推动顶杆29移动，顶杆29带动滑套27及其上的工具头30移动，这样三个超声波刀具19上的工具头30同时与工件表面接触，进行超声波加工，当加工完毕，气腔21内的高压气撤离，在弹簧26的作用下，顶杆29回位，滑套27及工具头30同时回位。高压气也可以由液压油代替，液压油由气路15进入气腔21，推动顶杆29移动，实现超声波刀具19上的工具头30移动。

如图3所示，上述装置在车床上应用时，通过连接螺栓34固定连接在车床的滑板上，并使车床主轴中心线与固定套18的中心线找正重合，整个装置随滑板移动进给。细长轴工件通过三爪卡盘装夹在车床的主轴上，细长轴装夹在车床主轴上，在主轴带动下转动，细长轴的转动方向与三个超声波刀具的转动方向相反。整个装置通过滑板移动，使细长轴工件伸入固定套18内。启动电机1，通过带传动（小带轮4、大带轮7和皮带 5组成）驱动转轴9转动，转轴9同时带动气液滑环16、导向套10、固定套18和三个超声波刀具一起转动。通过气路15使高压气同时进入三个超声波刀具19的气腔21，推动三个超声波刀具上的工具头30同时与工件接触，通过冷却液通路14为滑套27和工具头30供给冷却液，通过电滑环17为超声波刀具19中的换能器供电，这样三个超声波刀具19同时对工件表面进行超声波加工。当加工完毕，气腔21内的高压气撤离，在弹簧26的作用下，三个超声波刀具同时回位。

上述装置在加工超长细长轴（趋于无限长）时，通过支架6和连接螺栓34固定在加工超长细长轴的专用设备上（该专用设备的结构与本发明无关，这里不做介绍，其功能就是装夹超长细长轴并使其移动），整个装置固定不作移动。启动转轴转动机构，驱动转轴9转动，转轴9同时带动气液滑环16和三个超声波刀具一起绕细长轴轴线转动，超长细长轴不转动，只作直线进给运动。以三个超声波刀具转动超长细长轴移动的方式，完成对超长细长轴表面的超声波加工。

上述细长轴表面加工装置具有以下特点：

1、采用多把超声波刀具同时对工件进行超声波加工，可大大提高加工效率；

2、采用工件不转动，超声波刀具转动的方式，可以对细长轴类零件进行超声波金属表面加工，同时采用三把刀具沿圆周方向均布方式，对工件不产生外力，保证了加工后的工件的形状公差，如直线度和圆度等，从而保证了超声波金属表面加工的质量；

3、该装置将气、液、电通过滑环的方式，实现了超声波刀具在工作时需要的供电、冷却和加压。

Claims (5)

1.一种细长轴表面超声波加工装置，包括支架、转轴、转轴转动机构、气液滑环和超声波刀具；其特征是：支架中加工有一个安装转轴和气液滑环的中心孔，转轴安装在支架的中心孔中，并与设置在支架上的转轴转动机构连接，该转轴转动机构带动转轴转动，转轴内为通孔；气液滑环设置在支架的中心孔中，并与转轴固定连接，气液滑环与支架的中心孔之间设置有冷却液通路和气路；气液滑环的外侧圆周上均匀固定分布有至少两个超声波刀具，气液滑环上还设置有电滑环，电滑环与超声波刀具电连接；每一个超声波刀具上的工具头均伸入气液滑环内；冷却液通路与超声波刀具上的冷却液槽连通；气路与超声波刀具上的气腔连通。

2.一种权利要求1所述细长轴表面超声波加工装置的应用模式，其特征是：

在车床上应用时，通过支架固定连接在车床的滑板上，并使车床主轴的中心线与气液滑环的中心线找正重合，整个装置通过滑板实现纵向和横向移动；细长轴工件装夹在车床的主轴上，使细长轴工件伸入气液滑环内，细长轴在车床主轴带动下转动；启动转轴转动机构，驱动转轴转动，转轴同时带动气液滑环和各个超声波刀具一起绕细长轴轴线转动，细长轴的转动方向与各个超声波刀具的转动方向相反；通过气路使高压气同时进入各个超声波刀具的气腔，推动各个超声波刀具上的滑套和滑套上的工具头同时与工件接触，通过冷却液通路为滑套和工具头供给冷却液，通过电滑环为超声波刀具中的换能器供电，这样各个超声波刀具同时对工件表面进行超声波加工；当加工完毕，气腔内的高压气撤离，各个超声波刀具中的滑套和滑套上的工具头同时回位；

在加工超长细长轴时，通过支架固定在加工超长细长轴的专用设备上，整个装置固定不作移动，启动转轴转动机构，驱动转轴转动，转轴同时带动气液滑环和各个超声波刀具一起绕细长轴轴线转动，超长细长轴不转动，只作直线进给运动，以各个超声波刀具转动超长细长轴移动的方式，完成对超长细长轴表面的超声波加工。

3.根据权利要求1所述的细长轴表面超声波加工装置，其特征是：所述转轴转动机构为皮带传动，包括电机、小带轮、皮带 和大带轮，电机安装在支架上，小带轮安装在电机上，大带轮安装在转轴上，小带轮和大带轮之间设置皮带。

4.根据权利要求1所述的细长轴表面超声波加工装置，其特征是：所述超声波刀具包括外壳、滑套和滑套复位机构，滑套安装在外壳内，滑套伸出外壳的一端安装有工具头，滑套在外壳内的一端与外壳底部形成气腔，该气腔与气液滑环上的气路连通，滑套复位机构设置在外壳底部，滑套外侧设置有冷却液槽，该冷却液槽与气液滑环上的冷却液通路连通，滑套的内孔中安装有与工具头接触的变幅杆，变幅杆与换能器连接，换能器与电滑环电连接。

5.根据权利要求4所述的细长轴表面超声波加工装置，其特征是：所述滑套复位机构，包括顶杆、端盖和弹簧，顶杆通过端盖安装在外壳内，一端顶在滑套上，另一端伸出外壳，端盖固定在外壳上，顶杆在外壳外侧的部分与端盖之间设置有弹簧。