CN103753397B - 超声电解复合磨削内圆用砂轮在线修整及形貌检测装置 - Google Patents
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Abstract
超声电解复合磨削内圆用砂轮在线修整及形貌检测装置，包括机床工作台和机床主轴，所述机床工作台上设有具有可变频调速的砂轮整形装置和可移动式在线观测砂轮表面形貌的砂轮形貌在线观测装置，机床主轴上设有超声振动刀具系统，机床主轴外设有外圈固定套，外圈固定套上设有与机床主轴同步旋转的ELID在线修锐装置，超声振动刀具系统和ELID在线修锐装置处于砂轮整形装置和砂轮形貌在线观测装置之间，本发明在实现超声振动磨削的同时，可根据工作要求进行ELID砂轮在线修整或砂轮在线观测，形成一种多工艺复合的高效镜面加工技术，为硬脆材料超光滑表面高效加工在国防、航空航天等高技术领域的应用提供技术支撑，具有重要的理论价值和实用价值。
Description
技术领域
本发明属于硬脆材料高效镜面磨削加工技术领域，尤其涉及一种超声电解复合磨削内圆用砂轮在线修整及形貌检测装置。
背景技术
硬脆材料镜面高效加工技术是超精密加工技术的一个重要分支，对发展航空航天、国防军工、信息、微电子与光电子等尖端科学技术具有重要的意义。
由于超硬磨料的硬度高、耐磨性好，非常适合于硬脆材料的高效磨削加工。但是树脂结合剂耐热性差，在高温下，结合剂与磨料的结合强度低，不能发挥超硬磨料的高效切削性能。陶瓷结合剂的结合强度和导热性也较差。而金属结合剂具有高的强度、硬度和导热性，而且与磨料结合力强，砂轮形状保持能力好，能够充分发挥超硬磨料的切削性能，因此，国外自人造金刚石、CBN用于磨具制造以来，早期主要以青铜结合剂为主，进入80年代后，国内外除了研究各种电镀砂轮外，还开发了多种配方的金属结合剂砂轮，特别是1984年由日本东京大学研制的铸铁纤维结合剂（CIFB）、铸铁结合剂（CIB）超硬磨料砂轮具有高的刚度、强度，而且与磨料的粘结强度高、润滑性能好、磨削比高，特别适合工程陶瓷、硬质合金等硬脆材料的高效磨削，但这种砂轮的整形和修锐非常困难。
目前硬脆材料镜面加工常规工艺技术研究比较成熟，致命的缺点是效率低成本高。为了提高效率，硬脆材料超声磨削技术、ELID磨削技术、磁性抛光技术、弹性发射加工技术等复合加工技术研究应运而生，目前技术成熟度、效率较高和应用较多的公认是ELID镜面磨削和超声精密加工技术。ELID镜面磨削技术，是将砂轮在线电解修整与磨削抛光相复合形成的一种加工新技术。该方法的主要优点是可以采用细、微磨粒获得粗糙度极低的纳米加工表面，解决航天光学等领域的超镜面连续加工问题。缺点是砂轮易堵塞、加工效率低、成本较高、金刚石砂轮上剥落的非导电氧化物容易擦伤工件等，因此如何能减少砂轮堵塞、减少脱落的氧化膜对磨削表面的损伤，获得更高的效率等问题一直是该领域研究的主要问题，也成为ELID磨削技术进一步提高的瓶颈。
超声振动精密磨削是将超声振动与普通磨削相复合的一种加工技术，在精密加工中被公认的主要优点是在高效的同时可以获得精密超精密表面，但缺点是保证声学系统振动稳定性困难，砂轮不能在线修整，不能够高效地获得粗糙度数值极低的纳米表面（小于10nm的表面），诸如ELID镜面磨削那样的表面等，这些问题也成为制约该技术在高技术领域广泛应用的主要因素。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种超声电解复合磨削内圆用砂轮在线修整及形貌检测装置，该装置能够实现超声振动与ELID磨削技术的复合，同时又能对砂轮的ELID修整进行观测，形成一种多工艺复合的高效镜面加工技术。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：超声电解复合磨削内圆用砂轮在线修整及形貌检测装置，包括机床工作台1和机床主轴8，所述机床工作台1上设有可变频调速的砂轮整形装置2和可移动式在线观测砂轮表面形貌的砂轮形貌在线观测装置12，机床主轴8上设有超声振动刀具系统4，机床主轴8外设有外圈固定套9，外圈固定套9上设有与机床主轴8同步旋转的ELID在线修锐装置10，超声振动刀具系统4和ELID在线修锐装置10处于砂轮整形装置2和砂轮形貌在线观测装置12之间。
所述机床主轴8竖直设置，超声振动刀具系统4包括套设在机床主轴8下端的支撑架7，支撑架7下端设有上感应盘6，机床主轴8的下端部同轴连接有刀柄21，刀柄21下端连接有固定架14，固定架14外套设有通过固定螺钉16连接的下感应盘5，上感应盘6和下感应盘5均水平设置且上感应盘6和下感应盘5的间距为1mm-2mm，固定架14内设有换能器15，换能器15的下端连接有向下伸出固定架14的变幅杆13，变幅杆13下端用于安装砂轮，下感应盘5内设置有连接换能器15和超声波发生器的正极导线22和负极导线25，换能器15、变幅杆13、砂轮、固定架14、刀柄21和机床主轴8之间保持竖向的同轴度。
所述刀柄21的上部呈上小下大的圆锥形结构，刀柄21下端设有插设在固定架14内的限位柱46，刀柄21的中心由上而下设有一条通孔43，通孔43的上部用于与机床主轴8连接，通孔43由下端向上穿设有与通孔43下部螺纹连接的连接螺栓20，连接螺栓20的头部18通过垫片19与固定架14顶压配合，刀柄21的下部套设有环形套24，环形套24上径向设有两个用于顶压连接螺栓20的紧固螺钉23，固定架14下端通过连接螺钉26设有用于限定变幅杆13位置的下端盖44。
所述ELID在线修锐装置10包括磁力吸盘3、磨削液进管45、ELID电源11、阳极碳刷28和环形电极29，磨削液进管45连接在磁力吸盘3上，磁力吸盘3连接在外圈固定套9上，阳极碳刷28和环形电极29均设在磨削液进管45上，ELID电源11的阳极和阴极分别通过导线与阳极碳刷28和环形电极29连接，阳极碳刷28与变幅杆13接触，磨削液进管45的出口设有喷嘴17，环形电极29设在喷嘴17的外侧。
所述砂轮整形装置2包括设在第一底座30、防水电机31、修整轮32、变频调速箱42和脉冲电源11，第一底座30设在机床工作台1上，防水电机31设在第一底座30上，修整轮32安装在防水电机31的动力输出轴上，脉冲电源11通过变频调速箱42与防水电机31连接。
所述砂轮形貌在线观测装置12包括第二底座50、齿条33、箱体34、立柱35、齿轮36、安装板37、镜头38、转轴39和手柄40，第二底座50设在机床工作台1上，立柱35下端设在第二底座50上，箱体34设在立柱35上且可沿立柱35上下移动，转轴39水平转动连接在箱体34内，齿轮36设在转轴39上，齿条33水平穿设在箱体34内并与齿轮36啮合，转轴39的一端部设有位于箱体34外的转动手柄40，转轴39上设有与箱体34外壁固定连接的固定盘41。
采用上述技术方案，本发明包括具有绝缘性的变频调速功能的砂轮整形装置、ELID在线修锐装置、超声振动刀具系统和可移动式的砂轮形貌在线观测装置。砂轮整形装置和砂轮形貌在线观测装置分别安装在加工中心机床工作台的左右两侧，ELID在线修锐装置通过磁力吸盘装在外圈固定套上，与砂轮保持相对静止的ELID在线修锐装置，机床主轴下端设置有超声振动刀具系统，超声振动刀具系统和ELID在线修锐装置处于砂轮整形装置和砂轮形貌在线观测装置之间。超声振动刀具系统与机床主轴一起转动，实现超声振动磨削，同时，可随机床主轴左右移动。无极调速电火花砂轮整形装置和砂轮形貌在线观测装置固定在机床工作台上，留有足够的工作空间。当超声振动刀具系统中的砂轮需要整形时，超声振动刀具系统可随外圈固定套移动至砂轮整形装置处；当该实验装置处于工作状态时，在线修锐装置与ELID电源接通即实现对砂轮进行在线修锐。
砂轮和变幅杆可根据不同使用场合可采用冷装和热装技术。外接的超声波发生器通过正极导线和负极导线为换能器提供动力，并通过变幅杆的放大，实现超声振动磨削，可有效防止磨削过程中砂轮发生堵塞现象。
在进行砂轮在线修锐时，ELID电源的阳极通过阳极碳刷、变幅杆与砂轮连接，环形电极与ELID电源阴极连接，磨削液从喷嘴喷出，通过具有电解作用的进入环形电极与砂轮表面之间的间隙后，在电流的作用下，砂轮的金属基体作为阳极被电解，使砂轮中的磨粒露出表面，形成一定的磨粒出刃高度和容屑空间，同时随着电解过程的进行，在砂轮表面逐渐形成一层钝化膜，阻止电解过程的继续进行，使砂轮不会过快损耗。当砂轮表面的磨粒磨损后，钝化膜将会被工件材料刮擦去除，电解继续进行，可对砂轮表面进一步修锐。砂轮的在线修锐能够避免砂轮的过快消耗，又能够自动保持砂轮表面的磨削能力。
砂轮整形装置的变频调速箱中安装有变频器，变频器和ELID脉冲电源连接，可以使脉冲电源的电信号输出频率在0—50Hz变化，进而使修整轮的速度在0-2800rpm(额定转速)无级变化。利用此装置可以研究修整轮转速对整形效果的影响规律。
砂轮形貌在线观测装置的箱体安装立柱上，可沿立柱上下移动，相同位置调到适当高度后，通过顶紧螺钉夹紧箱体的侧面的两开口槽，箱体上另一个孔内安装移动臂齿条，通过手柄摇动转轴带动齿轮转动，通过齿轮的转动带动齿条的移动，来调整镜头的横向位置，当位置合适时通过箱体下的两个顶紧螺钉夹紧开口槽，从而夹紧齿轮齿条机构，当需要观测砂轮表面的氧化膜时，砂轮机构移出工件，移到砂轮形貌在线观测装置附近，通过镜头观察砂轮表面的氧化膜状况。
综上所述，为了高效地获得镜面表面，本发明基于超声振动磨削和ELID磨削研究与实践，提出将超声振动与ELID磨削技术相复合，形成一种多工艺复合的高效镜面加工技术，为此，研制了一种内圆超声ELID复合磨削实验装置，为硬脆材料超光滑表面高效加工在国防、航空航天等高技术领域的应用提供技术支撑，具有重要的理论价值和实用价值。
超硬砂轮的修整通常分为整形和修锐两个阶段，整形的主要目的是为了得到所需的宏观砂轮几何形状，也对砂轮的微观形貌产生影响。同样修锐过程也能一定程度上消除砂轮的偏心或跳动，同时为了更好的了解砂轮在线修整过程中磨粒的状态，故设计了一套砂轮状态观测装置。
本发明通过在加工中心机床工作台两侧分别设置砂轮整形装置、通过磁力吸盘装在机床主轴的外圈固定套上与砂轮保持相对静止的ELID在线修锐装置、超声振动刀具系统和砂轮形貌在线观测装置。从而在实现超声振动磨削的同时，可根据工作要求进行ELID砂轮在线修整或砂轮在线观测，形成一种多工艺复合的高效镜面加工技术，为硬脆材料超光滑表面高效加工在国防、航空航天等高技术领域的应用提供技术支撑，具有重要的理论价值和实用价值。
附图说明
图1是本发明的的结构示意图；
图2是本发明中超声振动刀具系统的结构示意图；
图3是图2中A-A剖视图；
图4是本发明中ELID在线修锐装置的结构示意图；
图5是本发明中砂轮整形装置的结构示意图；
图6是本发明中砂轮形貌在线观测装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1-图6所示，本发明的超声电解复合磨削内圆用砂轮在线修整及形貌检测装置，包括机床工作台1和机床主轴8，所述机床工作台1上设有可变频调速的砂轮整形装置2和可移动式在线观测砂轮表面形貌的砂轮形貌在线观测装置12，机床主轴8上设有超声振动刀具系统4，机床主轴8外设有外圈固定套9，外圈固定套9上设有与机床主轴8同步旋转的ELID在线修锐装置10，超声振动刀具系统4和ELID在线修锐装置10处于砂轮整形装置2和砂轮形貌在线观测装置12之间。
机床主轴8竖直设置，超声振动刀具系统4包括套设在机床主轴8下端的支撑架7，支撑架7下端设有上感应盘6，机床主轴8的下端部同轴连接有刀柄21，刀柄21下端连接有固定架14，固定架14外套设有通过固定螺钉16连接的下感应盘5，上感应盘6和下感应盘5均水平设置且上感应盘6和下感应盘5的间距为1mm-2mm，固定架14内设有换能器15，换能器15的下端连接有向下伸出固定架14的变幅杆13，变幅杆13下端用于安装砂轮，下感应盘5内设置有连接换能器15和超声波发生器的正极导线22和负极导线25，换能器15、变幅杆13、砂轮、固定架14、刀柄21和机床主轴8之间保持竖向的同轴度。
刀柄21的上部呈上小下大的圆锥形结构，刀柄21下端设有插设在固定架14内的限位柱46，刀柄21的中心由上而下设有一条通孔43，通孔43的上部用于与机床主轴8连接，通孔43由下端向上穿设有与通孔43下部螺纹连接的连接螺栓20，连接螺栓20的头部18通过垫片19与固定架14顶压配合，刀柄21的下部套设有环形套24，环形套24上径向设有两个用于顶压连接螺栓20的紧固螺钉23，固定架14下端通过连接螺钉26设有用于限定变幅杆13位置的下端盖44。
ELID在线修锐装置10包括磁力吸盘3、磨削液进管45、ELID电源11、阳极碳刷28和环形电极29，磨削液进管45连接在磁力吸盘3上，磁力吸盘3连接在外圈固定套9上，阳极碳刷28和环形电极29均设在磨削液进管45上，ELID电源11的阳极和阴极分别通过导线与阳极碳刷28和环形电极29连接，阳极碳刷28与变幅杆13接触，磨削液进管45的出口设有喷嘴17，环形电极29设在喷嘴17的外侧。
砂轮整形装置2包括设在第一底座30、防水电机31、修整轮32、变频调速箱42和脉冲电源11，第一底座30设在机床工作台1上，防水电机31设在第一底座30上，修整轮32安装在防水电机31的动力输出轴上，脉冲电源11通过变频调速箱42与防水电机31连接。
砂轮形貌在线观测装置12包括第二底座50、齿条33、箱体34、立柱35、齿轮36、安装板37、镜头38、转轴39和手柄40，第二底座50设在机床工作台1上，立柱35下端设在第二底座50上，箱体34设在立柱35上且可沿立柱35上下移动，转轴39水平转动连接在箱体34内，齿轮36设在转轴39上，齿条33水平穿设在箱体34内并与齿轮36啮合，转轴39的一端部设有位于箱体34外的转动手柄40，转轴39上设有与箱体34外壁固定连接的固定盘41。
本发明包括具有绝缘性的变频调速功能的砂轮整形装置2、ELID在线修锐装置10、超声振动刀具系统4和可移动式的砂轮形貌在线观测装置12。砂轮整形装置2和砂轮形貌在线观测装置12分别安装在加工中心机床工作台1的左右两侧，ELID在线修锐装置10通过磁力吸盘装在外圈固定套9上，与砂轮27保持相对静止的ELID在线修锐装置10，机床主轴8下端设置有超声振动刀具系统4，超声振动刀具系统4和ELID在线修锐装置10处于砂轮整形装置2和砂轮形貌在线观测装置12之间。超声振动刀具系统4与机床主轴8一起转动，实现超声振动磨削，同时，可随机床主轴8左右移动。无极调速电火花砂轮整形装置2和砂轮形貌在线观测装置12固定在机床工作台1上，留有足够的工作空间。当超声振动刀具系统4中的砂轮27需要整形时，超声振动刀具系统4可随外圈固定套9移动至砂轮整形装置2处；当该实验装置处于工作状态时，在线修锐装置10与ELID电源11接通即实现对砂轮27进行在线修锐。
砂轮27和变幅杆13可根据不同使用场合可采用冷装和热装技术。外接的超声波发生器通过正极导线22和负极导线25为换能器15提供动力，并通过变幅杆13的放大，实现超声振动磨削，可有效防止磨削过程中砂轮27发生堵塞现象。
在进行砂轮27在线修锐时，ELID电源11阳极通过阳极碳刷28、变幅杆13与砂轮27连接，环形电极29与ELID电源11阴极连接，磨削液从喷嘴17喷出，通过具有电解作用的进入环形电极29与砂轮27表面之间的间隙后，在电流的作用下，砂轮27的金属基体作为阳极被电解，使砂轮27中的磨粒露出表面，形成一定的磨粒出刃高度和容屑空间，同时随着电解过程的进行，在砂轮27表面逐渐形成一层钝化膜，阻止电解过程的继续进行，使砂轮27不会过快损耗。当砂轮27表面的磨粒磨损后，钝化膜将会被工件材料刮擦去除，电解继续进行，可对砂轮27表面进一步修锐。砂轮27的在线修锐能够避免砂轮27的过快消耗，又能够自动保持砂轮27表面的磨削能力。
砂轮整形装置2的变频调速箱中安装有变频器，变频器和ELID脉冲电源11连接，可以使脉冲电源11的电信号输出频率在0—50Hz变化，进而使修整轮的速度在0-2800rpm(额定转速)无级变化。利用此装置可以研究修整轮32转速对整形效果的影响规律。
砂轮形貌在线观测装置12的箱体34安装立柱35上，可沿立柱上下移动，相同位置调到适当高度后，通过顶紧螺钉夹紧箱体34的侧面的两开口槽，箱体34上另一个孔内安装移动臂齿条33，通过手柄40摇动转轴39带动齿轮37转动，通过齿轮38的转动带动齿条33的移动，来调整镜头的横向位置，当位置合适时通过箱体34下的两个顶紧螺钉夹紧开口槽，从而夹紧齿轮齿条机构，当需要观测砂轮27表面的氧化膜时，砂轮27机构移出工件，移到砂轮27在线观测装置12附近，通过镜头38观察砂轮27表面的氧化膜状况。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (4)
1.超声电解复合磨削内圆用砂轮在线修整及形貌检测装置，包括机床工作台（1）和机床主轴（8），其特征在于：所述机床工作台（1）上设有可变频调速的砂轮整形装置（2）和可移动式在线观测砂轮表面形貌的砂轮形貌在线观测装置（12），机床主轴（8）上设有超声振动刀具系统（4），机床主轴（8）外设有外圈固定套（9），外圈固定套（9）上设有与机床主轴（8）同步旋转的ELID在线修锐装置（10），超声振动刀具系统（4）和ELID在线修锐装置（10）处于砂轮整形装置（2）和砂轮形貌在线观测装置（12）之间；
所述机床主轴（8）竖直设置，超声振动刀具系统（4）包括套设在机床主轴（8）下端的支撑架（7），支撑架（7）下端设有上感应盘（6），机床主轴（8）的下端部同轴连接有刀柄（21），刀柄（21）下端连接有固定架（14），固定架（14）外套设有通过固定螺钉（16）连接的下感应盘（5），上感应盘（6）和下感应盘（5）均水平设置且上感应盘（6）和下感应盘（5）的间距为1mm-2mm，固定架（14）内设有换能器（15），换能器（15）的下端连接有向下伸出固定架（14）的变幅杆（13），变幅杆（13）下端用于安装砂轮，下感应盘（5）内设置有连接换能器（15）和超声波发生器的正极导线（22）和负极导线（25），换能器（15）、变幅杆（13）、砂轮、固定架（14）、刀柄（21）和机床主轴（8）之间保持竖向的同轴度；
所述刀柄（21）的上部呈上小下大的圆锥形结构，刀柄（21）下端设有插设在固定架（14）内的限位柱（46），刀柄（21）的中心由上而下设有一条通孔（43），通孔（43）的上部用于与机床主轴（8）连接，通孔（43）由下端向上穿设有与通孔（43）下部螺纹连接的连接螺栓（20），连接螺栓（20）的头部（18）通过垫片（19）与固定架（14）顶压配合，刀柄（21）的下部套设有环形套（24），环形套（24）上径向设有两个用于顶压连接螺栓（20）的紧固螺钉（23），固定架（14）下端通过连接螺钉（26）设有用于限定变幅杆（13）位置的下端盖（44）。
2.根据权利要求1所述的超声电解复合磨削内圆用砂轮在线修整及形貌检测装置，其特征在于：所述ELID在线修锐装置（10）包括磁力吸盘（3）、磨削液进管（45）、ELID电源（11）、阳极碳刷（28）和环形电极（29），磨削液进管（45）连接在磁力吸盘（3）上，磁力吸盘（3）连接在外圈固定套（9）上，阳极碳刷（28）和环形电极（29）均设在磨削液进管（45）上，ELID电源（11）的阳极和阴极分别通过导线与阳极碳刷（28）和环形电极（29）连接，阳极碳刷（28）与变幅杆（13）接触，磨削液进管（45）的出口设有喷嘴（17），环形电极（29）设在喷嘴（17）的外侧。
3.根据权利要求1或2所述的超声电解复合磨削内圆用砂轮在线修整及形貌检测装置，其特征在于：所述砂轮整形装置（2）包括设在第一底座（30）、防水电机（31）、修整轮（32）、变频调速箱（42）和脉冲电源（11），第一底座（30）设在机床工作台（1）上，防水电机（31）设在第一底座（30）上，修整轮（32）安装在防水电机（31）的动力输出轴上，脉冲电源（11）通过变频调速箱（42）与防水电机（31）连接。
4.根据权利要求1或2所述的超声电解复合磨削内圆用砂轮在线修整及形貌检测装置，其特征在于：所述砂轮形貌在线观测装置（12）包括第二底座（50）、齿条（33）、箱体（34）、立柱（35）、齿轮（36）、安装板（37）、镜头（38）、转轴（39）和手柄（40），第二底座（50）设在机床工作台（1）上，立柱（35）下端设在第二底座（50）上，箱体（34）设在立柱（35）上且可沿立柱（35）上下移动，转轴（39）水平转动连接在箱体（34）内，齿轮（36）设在转轴（39）上，齿条（33）水平穿设在箱体（34）内并与齿轮（36）啮合，转轴（39）的一端部设有位于箱体（34）外的转动手柄（40），转轴（39）上设有与箱体（34）外壁固定连接的固定盘（41）。
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