CN104526471B - 超声3d振动复合elid精密磨削系统及磨削方法 - Google Patents

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Abstract

超声3D振动复合ELID精密磨削系统及磨削方法，磨削系统包括多通道超声波发生器、超声载物台、自动调距电极、高频直流脉冲电源、计算机监控系统。计算机监控系统同时采集ELID和3D超声振动的状态表征信号，观察复合工艺各自的工作状态及相互影响程度，再自动或人工给出反馈控制，使得两工艺得以动态、和谐、优化地匹配。在磨削加工中，砂轮与工件磨削表面接触时会产生电解液超声空化现象，能有效促进砂轮修整的实际效果，磨削力更加稳定。本发明将超声磨削加工技术与ELID磨削技术相复合，实现优势互补，克服了单一工艺所存在的缺陷，为硬脆材料超光滑表面高效加工在国防、航空航天等高新技术领域的应用提供技术支撑。

Description

超声3D振动复合ELID精密磨削系统及磨削方法
技术领域
本发明属于精密制造技术领域，尤其涉及一种超声3D振动复合ELID精密磨削系统及磨削方法。
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。目前，硬脆材料镜面加工常规工艺技术研究比较成熟，但致命的缺点是效率低、成本高。为了提高效率和表面质量，硬脆材料的超声磨削技术、电解在线砂轮修整技术（Electrolytic In processDressing-简称ELID）、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。目前公认的技术成熟度、效率较高和应用较多是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。
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，提供一种将超声磨削加工技术与ELID磨削技术复合、实现高效率、砂轮不易堵塞且可以实现砂轮在线修整的镜面磨削的超声3D振动复合ELID精密磨削系统及磨削方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：超声3D振动复合ELID精密磨削系统，包括多通道超声波发生器1、3D超声激振台2、高频直流脉冲电源3、自动调距电极4、计算机监控系统5和砂轮6，所述多通道超声波发生器1与3D超声激振台2通过电缆相连接；待加工工件7以机械夹紧或胶粘的方式固定在3D超声激振台2上；高频直流脉冲电源3的正极与砂轮6连接，高频直流脉冲电源3的负极与自动调距电极4连接；计算机监控系统5分别与高频直流脉冲电源3、自动调距电极4和多通道超声波发生器1连接；计算机监控系统5同时采集ELID和超声振动的状态表征信号，观察复合工艺各自的工作状态及相互影响程度，再自动或人工给出反馈控制，使得两工艺得以动态、和谐、优化地匹配。
所述多通道超声波发生器1为功率型超声波发生器，频率范围为20~60kHz；同时可提供多个通道信号输出，支持3个维度的超声激振信号。
所述3D超声激振台包括提供结构支撑的箱体板件2-5和设在箱体板件2-5上的载物盘2-4，载物盘2-4的载物中心点处连接有结构尺寸相同、相互呈90°垂直交叉布置的X向超声激振单元2-1、Y向超声激振单元2-2和Z向短距超声激振单元2-3；
X向超声激振单元2-1、Y向超声激振单元2-2和Z向短距超声激振单元2-3均包括顺次连接的超声换能器3-1、变幅杆3-2和夹持杆3-4，换能器3-1与变幅杆3-2之间、变幅杆3-2和夹持杆3-4之间均通过螺栓3-5同轴向连接，变幅杆3-2通过法兰盘3-3及螺钉固定在箱体板件2-5上，工件7胶粘或机械夹紧在载物盘2-4上，超声电信号经换能器3-1转变为轴向伸缩的机械振动，经变幅杆3-2放大到所需振幅，最后通过夹持杆3-4将振动传递给工件7；上述超声激励单元可通过多通道超声波发生器1的通道控制实现工件7一维单向、二维平面乃至三维空间的各种振动模式。
所述自动调距电极包括一个防护罩4-1、一个负电极4-2、一个步进电机4-3、一个调距螺母4-4和两个电解磨削液喷嘴4-5；防护罩4-1罩在砂轮6上方，步进电机4-3安装在防护罩4-1上方，负电极4-2设在防护罩4-1内并位于砂轮6上方，负电极4-2与砂轮6保持0.2~2mm间隙，步进电机4-3的动力输出端通过丝杆4-7与负电极4-2顶部中心内螺纹管螺纹传动，竖直嵌入防护罩4-1的柱形导轨4-6使得负电极4-2仅能上下升降运动，丝杆4-7上固定连接有手动操作的调距螺母4-4，调距螺母4-4位于防护罩4-1上方；通过控制步进电机4-3来实现自动调节负电极4-2和砂轮6之间的间隙，通过旋转调距螺母4-4可实现人工调节负电极4-2和砂轮6之间的间隙；两个电解磨削液喷嘴4-5的喷射方向分别朝向砂轮6的顶部和中部。
所述计算机监控系统5包括一个霍尔电流传感器5-1、一个霍尔电压传感器5-2、一个LCR等效电路5-3、一个滤波电路5-4、一个数据采集卡5-5、一个计算机工作站5-6以及一块PLC控制卡5-7；其中霍尔电流传感器5-1和一个霍尔电压传感器5-2将采集高频直流脉冲电源3输出端正负电极间的电流和电压信号，LCR等效电路5-3采集超声波发生器1输出端的动态声学性能，采集到的信号经过滤波电路5-4后传输给数据采集卡5-5实现模数转换并最终传输给计算机工作站5-6；计算机工作站5-6根据收到的信号分别转化为表征ELID工作状态的砂轮铸铁基氧化膜厚度和表征超声振动状态的谐振频率等特征值，并将上述直接或间接的物理量进行图形和数据的显示；计算机工作站5-6依据ELID和超声振动的工作状态特征值，直接调控高频直流脉冲电源3的输出电压和电流，超声波发生器1的输出频率和电压，通过PLC控制卡5-7驱动自动调距电极4上的步进电机4-3调整负电极4-2与砂轮6之间的间隙。
超声3D振动复合ELID精密磨削系统的磨削方法，具体操作步骤如下：
1）安装：将3D超声激振台2安装到磨床工作台上，将工件7胶粘或夹紧在载物盘2-4上，并将工件7调整到工作区域；取下砂轮6的防护罩，将自动调距电极4打开并罩在砂轮6上；
2）初调：打开ELID控制开关，使得砂轮6受到电解作用，磨削模式保持为湿磨；打开超声振动控制开关，使得工件7受到超声振动激励；调整超声激励频率和调距电极，使其处于初始理想待加工状态，振幅为8~12μm，氧化膜厚度为0.5mm；
3）加工：工作中通过计算机监控系统5实时监测的力与电流数据，自动或人为的进行工艺参数调整；
4）关闭机床：将工件7退出工作区域；关闭砂轮主轴；关闭电解液、高频直流脉冲电源3、多通道超声波发生器1的控制开关，完成磨削作业。
采用上述技术方案，本发明与现有的平面磨削技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1、本发明超声3D振动复合ELID精密磨削加工中，砂轮与工件磨削表面接触时会产生电解液超声空化现象，能有效促进砂轮修整的实际效果，超声ELID在线修整后将获得凸出均匀的外层修锐磨粒。
2、本发明超声3D振动复合ELID精密磨削加工中，ELID在线修整获得分布均一致密的氧化膜，砂轮与工件材料接触时产生的磨削力更加稳定，而相对恒定的接触条件也保障了工件超声振动的实际效果。
3、本发明所组成部分结构简单，制作与装配过程简易，无需对已有磨削机床进行复杂改装，操作简单，且能快速方便地实现超声ELID一维、二维乃至空间三维的复合加工。
4、本发明的计算机监控系统，可实现ELID和超声振动两种功能的真正耦合，而非简单的叠加，通过状态监测实时调整ELID和超声振动具体控制参数，使其均能达到最优的工作状态。
综上所述，本发明将ELID镜面磨削技术与超声振动精密磨削技术相复合，实现两种复合工艺的优劣势互补，相互促进，形成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、航空航天等高新技术领域的应用提供技术支撑，具有重要的理论意义和实践价值。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中3D超声激振台结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是图2和图3中X向超声激振单元、Y向超声激振单元和Z向短距超声激振单元的结构图；
图5是图1中自动调距电极结构示意图；
图6是图1中计算机监控系统示意图。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本发明的超声3D振动复合ELID精密磨削系统，包括多通道超声波发生器1、3D超声激振台2、高频直流脉冲电源3、自动调距电极4、计算机监控系统5和砂轮6，所述多通道超声波发生器1与3D超声激振台2通过电缆相连接；待加工工件7以机械夹紧或胶粘的方式固定在3D超声激振台2上；高频直流脉冲电源3的正极与砂轮6连接，高频直流脉冲电源3的负极与自动调距电极4连接；计算机监控系统5分别与高频直流脉冲电源3、自动调距电极4和多通道超声波发生器1连接；计算机监控系统同时采集ELID和超声振动的状态表征信号，观察复合工艺各自的工作状态及相互影响程度，再自动或人工给出反馈控制，使得两工艺得以动态、和谐、优化地匹配。
多通道超声波发生器1为功率型超声波发生器，频率范围为20~60kHz；同时可提供多个通道信号输出，支持3个维度的超声激振信号。
3D超声激振台包括提供结构支撑的箱体板件2-5和设在箱体板件2-5上的载物盘2-4，载物盘2-4的载物中心点处连接有结构尺寸相同、相互呈90°垂直交叉布置的X向超声激振单元2-1、Y向超声激振单元2-2和Z向短距超声激振单元2-3；
X向超声激振单元2-1、Y向超声激振单元2-2和Z向短距超声激振单元2-3均包括顺次连接的换能器3-1、变幅杆3-2和夹持杆3-4，换能器3-1与变幅杆3-2之间、变幅杆3-2和夹持杆3-4之间均通过螺栓3-5同轴向连接，变幅杆3-2通过法兰盘3-3及螺钉固定在箱体板件2-5上，工件7胶粘或机械夹紧在载物盘2-4上，超声电信号经换能器3-1转变为轴向伸缩的机械振动，经变幅杆3-2放大到所需振幅，最后通过夹持杆3-4将振动传递给工件7；上述超声激励单元可通过多通道超声波发生器1的通道控制实现工件7一维单向、二维平面乃至三维空间的各种振动模式。
自动调距电极包括一个防护罩4-1、一个负电极4-2、一个步进电机4-3、一个调距螺母4-4和两个电解磨削液喷嘴4-5；防护罩4-1罩在砂轮6上方，步进电机4-3安装在防护罩4-1上方，负电极4-2设在防护罩4-1内并位于砂轮6上方，负电极4-2与砂轮6保持0.2~2mm间隙，步进电机4-3的动力输出端通过丝杆4-7与负电极4-2顶部中心内螺纹管螺纹传动，竖直嵌入防护罩4-1的柱形导轨4-6使得负电极4-2仅能上下升降运动，丝杆4-7上固定连接有手动操作的调距螺母4-4，调距螺母4-4位于防护罩4-1上方。通过控制步进电机4-3来实现自动调节负电极4-2和砂轮6之间的间隙，通过旋转调距螺母4-4可实现人工调节负电极4-2和砂轮6之间的间隙；两个电解磨削液喷嘴4-5的喷射方向分别朝向砂轮6的顶部和中部。
计算机监控系统5包括一个霍尔电流传感器5-1、一个霍尔电压传感器5-2、一个LCR等效电路5-3、一个滤波电路5-4、一个数据采集卡5-5、一个计算机工作站5-6以及1块PLC控制卡5-7；其中霍尔电流传感器5-1和一个霍尔电压传感器5-2将采集高频直流脉冲电源3输出端正负电极间的电流和电压信号，LCR等效电路5-3采集超声波发生器1输出端的动态声学性能，采集到的信号经过滤波电路5-4后传输给数据采集卡5-5实现模数转换并最终传输给计算机工作站5-6；计算机工作站5-6根据收到的信号分别转化为表征ELID工作状态的砂轮铸铁基氧化膜厚度和表征超声振动状态的谐振频率等特征值，并将上述直接或间接的物理量进行图形和数据的显示；计算机工作站5-6依据ELID和超声振动的工作状态特征值，直接调控高频直流脉冲电源3的输出电压和电流，超声波发生器1的输出频率和电压，通过PLC控制卡5-7驱动自动调距电极4上的步进电机4-3调整负电极4-2与砂轮6之间的间隙。
本发明中图1和图6中各部件之间的虚线表示信号采集，实线表示反馈控制。图2和图3中的f1表示X向振动，f2表示Y向振动，f3表示Z向振动。
超声3D振动复合ELID精密磨削系统的磨削方法，具体操作步骤如下：
1）安装：将3D超声激振台2安装到磨床工作台上，将工件7胶粘或夹紧在载物盘2-4上，并将工件7调整到工作区域；取下砂轮6的防护罩，将自动调距电极4打开并罩在砂轮6上；
2）初调：打开ELID控制开关，使得砂轮6受到电解作用，磨削模式保持为湿磨；打开超声振动控制开关，使得工件7受到超声振动激励；调整超声激励频率和调距电极，使其处于初始理想待加工状态，振幅为8~12μm，氧化膜厚度为0.5mm；
3）加工：工作中通过计算机监控系统5实时监测的力与电流数据，自动或人为的进行工艺参数调整；
4）关闭机床：将工件7退出工作区域；关闭砂轮主轴；关闭电解液、高频直流脉冲电源3、多通道超声波发生器1的控制开关，完成磨削作业。
该实施例中的工件7的材料为Al2O3陶瓷试件，工件7的大小：15mm×15mm×15mm；砂轮6为铸铁基砂轮，粒度为W40，浓度100% ；超声波发生器参数：中心频率20kHz；高频直流脉冲电源参数：输出电压90V，脉冲宽度和脉冲间隔10μs、10μs；砂轮转速1045rad/min，工作台速度0.3m/s，磨削深度4μm。
计算机监控系统5显示砂轮6表面无氧化膜时采集到的极间电流峰值约为 2.25A，电压峰值约为80V，经过600s复合工艺后，极间电流峰值约为1.25A，电压峰值约为88V，计算机模拟给出氧化膜厚度约为121μm 。超声系统谐振频率无磨削时20.3kHz，进入加工后，谐振频率向上偏移155Hz，声学系统发出噪音，磨削力显著上升，极间电流电压出现震荡；计算机监控系统5进行反馈控制，调整谐振频率后5s，复合系统重新恢复稳定。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.超声3D振动复合ELID精密磨削系统，包括多通道超声波发生器（1）、3D超声激振台（2）、高频直流脉冲电源（3）、自动调距电极（4）、计算机监控系统（5）和砂轮（6）；其特征在于：所述多通道超声波发生器（1）与3D超声激振台（2）通过电缆相连接；待加工工件（7）以机械夹紧或胶粘的方式固定在3D超声激振台（2）上；高频直流脉冲电源（3）的正极与砂轮（6）连接，高频直流脉冲电源（3）的负极与自动调距电极（4）连接；计算机监控系统（5）分别与高频直流脉冲电源（3）、自动调距电极（4）和多通道超声波发生器（1）连接；计算机监控系统同时采集ELID和超声振动的状态表征信号，观察复合工艺各自的工作状态及相互影响程度，再自动或人工给出反馈控制，使得两工艺得以动态、和谐、优化地匹配；所述多通道超声波发生器（1）为功率型超声波发生器，频率范围为20~60kHz；同时可提供多个通道信号输出，支持3个维度的超声激振信号，所述计算机监控系统（5）包括一个霍尔电流传感器（5-1）、一个霍尔电压传感器（5-2）、一个LCR等效电路（5-3）、一个滤波电路（5-4）、一个数据采集卡（5-5）、一个计算机工作站（5-6）以及一块PLC控制卡（5-7）；其中霍尔电流传感器（5-1）和霍尔电压传感器（5-2）将采集高频直流脉冲电源（3）输出端正负电极间的电流和电压信号，LCR等效电路（5-3）采集超声波发生器（1）输出端的动态声学性能，采集到的信号经过滤波电路（5-4）后传输给数据采集卡（5-5）实现模数转换并最终传输给计算机工作站（5-6）；计算机工作站（5-6）根据收到的信号分别转化为表征ELID工作状态的砂轮铸铁基氧化膜厚度和表征超声振动状态的谐振频率，并将上述直接或间接的物理量进行图形和数据的显示；计算机工作站（5-6）依据ELID和超声振动的工作状态特征值，直接调控高频直流脉冲电源（3）的输出电压和电流，超声波发生器（1）的输出频率和电压，通过PLC控制卡（5-7）驱动自动调距电极（4）上的步进电机（4-3）调整负电极（4-2）与砂轮（6）之间的间隙。
2.根据权利要求1所述的超声3D振动复合ELID精密磨削系统，其特征在于：所述3D超声激振台包括提供结构支撑的箱体板件（2-5）和设在箱体板件（2-5）上的载物盘（2-4），载物盘（2-4）的载物中心点处连接有结构尺寸相同、相互呈90°垂直交叉布置的X向超声激振单元（2-1）、Y向超声激振单元（2-2）和Z向短距超声激振单元（2-3）；
X向超声激振单元（2-1）、Y向超声激振单元（2-2）和Z向短距超声激振单元（2-3）均包括顺次连接的超声换能器（3-1）、变幅杆（3-2）和夹持杆（3-4）；换能器（3-1）与变幅杆（3-2）之间、变幅杆（3-2）和夹持杆（3-4）之间均通过螺栓（3-5）同轴向连接，变幅杆（3-2）通过法兰盘（3-3）及螺钉固定在箱体板件（2-5）上，工件（7）胶粘或机械夹紧在载物盘（2-4）上；超声电信号经换能器（3-1）转变为轴向伸缩的机械振动，经变幅杆（3-2）放大到所需振幅，最后通过夹持杆（3-4）将振动传递给工件（7）；上述超声激励单元可通过多通道超声波发生器（1）的通道控制实现工件（7）一维单向、二维平面乃至三维空间的各种振动模式。
3.根据权利要求2所述的超声3D振动复合ELID精密磨削系统，其特征在于：所述自动调距电极包括一个防护罩（4-1）、一个负电极（4-2）、一个步进电机（4-3）、一个调距螺母（4-4）和两个电解磨削液喷嘴（4-5）；防护罩（4-1）罩在砂轮（6）上方，步进电机（4-3）安装在防护罩（4-1）上方，负电极（4-2）设在防护罩（4-1）内并位于砂轮（6）上方，负电极（4-2）与砂轮（6）保持0.2~2mm间隙，步进电机（4-3）的动力输出端通过丝杆（4-7）与负电极（4-2）顶部中心内螺纹管螺纹传动，竖直嵌入防护罩（4-1）的柱形导轨（4-6）使得负电极（4-2）仅能上下升降运动，丝杆（4-7）上固定连接有手动操作的调距螺母（4-4），调距螺母（4-4）位于防护罩（4-1）上方；通过控制步进电机（4-3）来实现自动调节负电极（4-2）和砂轮（6）之间的间隙，通过旋转调距螺母（4-4）可实现人工调节负电极（4-2）和砂轮（6）之间的间隙；两个电解磨削液喷嘴（4-5）的喷射方向分别朝向砂轮（6）的顶部和中部。
4.利用权利要求3所述超声3D振动复合ELID精密磨削系统的磨削方法，其特征在于：具体操作步骤如下：
1）安装：将3D超声激振台（2）安装到磨床工作台上，将工件（7）胶粘或夹紧在载物盘（2-4）上，并将工件（7）调整到工作区域；取下砂轮（6）的防护罩，将自动调距电极（4）打开并罩在砂轮（6）上；
2）初调：打开ELID控制开关，使得砂轮（6）受到电解作用，磨削模式保持为湿磨；打开超声振动控制开关，使得工件（7）受到超声振动激励；调整超声激励频率和调距电极，使其处于初始理想待加工状态，振幅为8~12μm，氧化膜厚度为0.5mm；
3）加工：工作中通过计算机监控系统（5）实时监测的力与电流数据，自动或人为地进行工艺参数调整；
4）关闭机床：将工件（7）退出工作区域；关闭砂轮主轴；关闭电解液、高频直流脉冲电源（3）、多通道超声波发生器（1）的控制开关，完成磨削作业。
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