CN105499626A

CN105499626A - 一种复合振动钻削装置

Info

Publication number: CN105499626A
Application number: CN201610002983.1A
Authority: CN
Inventors: 马利杰; 胡波; 武民; 刘贯军; 王占奎; 苏建修; 李勇峰; 贾文月
Original assignee: Henan Institute of Science and Technology
Current assignee: Henan Institute of Science and Technology
Priority date: 2016-01-04
Filing date: 2016-01-04
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2036-01-04
Also published as: CN105499626B

Abstract

本发明涉及一种复合振动钻削装置，应用于各种钻床及加工中心的钻削工序中；本发明主要由机床本体、超声扭转振动系统、低频轴向振动系统三部分组成；机床本体在保持原有加工功能的基础上，起联接和固定其它两部分的作用；本发明利用超声扭转振动系统驱动钻头实现所需的超声扭转振动，借助低频轴向振动系统驱动工件实现低频轴向振动，通过机床自身的钻削参数设置系统，选择合适的转速和进给量，进行复合振动钻削加工；本发明具有结构通用性好、材料适用性广等特点，能够同时发挥超声和低频、扭转和轴向不同振动钻削方法的各自优势，从而有利于提高钻削加工质量、实现高精度内孔钻削。

Description

一种复合振动钻削装置

技术领域

本发明涉及机械加工领域，具体涉及一种超声扭转和低频轴向复合振动钻削装置。

背景技术

振动钻削是二十世纪六十年代日本宇都宫大学隈部淳一郎教授提出的一种新型钻削技术，其实质是：在传统钻削基础上，给刀具或者工件施加有规律的可控振动，并通过振动参数和切削参数之间的优化匹配，改变传统钻削机理、改善工艺效果，实现高效精密内孔加工。经过五十多年的发展，振动钻削已经成为一种公认的先进内孔加工技术，在难加工材料钻削、深小孔钻削、精密内孔加工方面具有独特的优势。

实施振动钻削的方法很多，按照振动频率不同，可以分为超声振动钻削和低频振动钻削；按照振动方式不同，可以分为轴向(纵向)振动钻削(振动方向与钻头轴线方向一致)、扭转振动钻削(振动方向与钻头的回转方向一致)。振动频率和振动方式不同，加工效果不同，实现它们的装置也就各不相同。

超声振动钻削是目前最常用的振动钻削工艺，该工艺的实现方法通常是：超声波发生器输出超声频的电振荡信号，经换能器转变为超声振动，再经变幅杆放大后，驱动钻头进行超声振动钻削加工。根据换能器输出的振动方式不同，可分为超声轴向振动钻削和超声扭转振动钻削；从原理上讲，专利号为ZL90222220.1、ZL201420309335.7、ZL201410130919.2和ZL01203690.0的几个专利都属于这类装置，只是在结构特征、实施方式和应用场合上有所差异。该类装置的优点在于：钻头的高频冲击作用能够有效改善材料的切削性能，特别适合于玻璃、陶瓷等硬脆性非金属材料的加工。然而，由于超声振动是在工具系统(包括振动系统和刀具)谐振情况下产生的，更换刀具必需再次进行调谐，且不易实现振动参数的变换。此外，由于超声波发生器输出功率所限，由于切削负荷所导致的振幅损失和参数畸变也制约了该类装置的应用效果。

低频轴向振动钻削也是一种常用的振动钻削工艺，由于其变厚切削和变角切削特性突出，能够实现切屑尺寸控制、促进断屑排屑，因此在提高不锈钢、钛合金等难切削金属材料的内孔加工精度、减小孔出口毛刺方面具有显著的工艺效果。ZL200510012717.9公开了一种机械式低频轴向振动钻削装置，该装置是通过双偏心结构(由偏心轴和偏心套组成)把调速电机输出的旋转运动转换为工作台的直线振动，从而驱动工件实现低频轴向振动。该装置振动频率的调整通过改变调速电机的转速实现，振幅的调整通过改变偏心轴和偏心套的相对位置实现，但由于电机输出速度及机械结构自身特点所限，该装置的振动频率较低，通常在150Hz以下；而且振幅调整精度也不高，如不能实现微米级的振幅调整，从而难以实现振动参数和切削参数的最佳匹配，制约了振动钻削工艺效果的有效发挥。

复合振动钻削是近年来提出的一种新型振动钻削工艺，其目的在于充分发挥一维振动钻削的各自优势、拓展振动钻削技术的应用范围。ZL201410240342.0公开了一种纵扭复合超声振动切削装置，该装置采用超声振动纵扭主轴系统，把一个超声波发生器输出的超声电振荡信号转换为纵扭复合超声振动，并通过装夹锥柄驱动同轴设置的加工刀具实现复合超声振动钻削加工。该装置能够同时发挥超声轴向振动和超声扭转振动的优势，但超声振动钻削系统的自身局限(如输出振动参数不易变换、振幅损失等)仍是其应用效果发挥的关键制约因素。

发明内容

为了实现超声和低频、扭转和轴向多种一维振动钻削工艺的优势互补，在一台设备上同时满足非金属硬脆材料和难切削金属材料的钻削需求，本发明提出了一种超声扭转和低频轴向复合振动钻削装置。

本发明的复合振动钻削装置，由机床本体，作为机床附件用于驱动刀具实现超声扭转振动的超声扭转振动系统，作为机床附件用于驱动工件实现频率为10-2000Hz、振幅为1-10μm的低频轴向振动的低频轴向振动系统三部分组成；

所述低频轴向振动系统由低频振动控制器、压电振动工作台及连接两者的导线组成；其中压电振动工作台包括振动台壳体、设置在振动台壳体上端的工作台面及设置在振动台壳体下端的底座，所述工作台面与下端LM中心轴相结合为一体，LM中心轴设置在振动台壳体内并通过直线轴承与振动台壳体相结合；所述底座上端设有压电致动器，所述压电致动器设置在振动台壳体内且上端与LM中心轴连接；所述压电致动器通过导线与低频振动控制器连接，接收低频振动控制器提供的一定波形和幅值的交变电信号，带动LM中心轴及工作台面形成相对于振动台壳体的频率为10-2000Hz、振幅为1-10μm的低频轴向振动；且所述工作台面与振动台壳体间通过防转销进行两者间相互扭转位移的限定；

所述低频轴向振动系统的底座安装在机床工作台上，与通过锥度刀柄安装在机床主轴锥孔内的超声扭转振动系统结合，在机床自身的转速和进给量设置基础上，进行工件的低频轴向振动和钻头的超声扭转振动相结合的复合振动钻削加工。

作为本发明优选实施例的，所述压电致动器与低频振动控制器以及带动工件形成的振动量符合以下公式：ΔL＝(WU-F)/K_p。

其中，ΔL—压电致动器输出的位移量；

W－压电致动器的力因数，N/v；

U－低频振动控制器输出给压电致动器的驱动电压；

F－工件传递给压电致动器的静态载荷；

K_p－压电致动器的刚度，N/m；

在准静态频宽即谐振频率的三分之一内，振动频率与交变电压的频率相同，压电致动器的输出位移量ΔL与驱动电压U呈线性关系。

进一步，作为本发明优选实施例的，所述压电致动器的固定端通过螺钉安装在底座中心位置，振动输出端通过螺纹旋合结构与LM中心轴的下端连接。

进一步，作为本发明优选实施例的，所述直线轴承通过过盈配合安装于振动台壳体中间孔的上部，引导、限位及支撑LM中心轴。

进一步，作为本发明优选实施例的，所述防转销通过一端的螺纹结构固定在振动台壳体的上端面，另一端的圆柱结构与工作台面的U型槽间隙配合。

作为本发明优选实施例的，所述超声扭转振动系统包括超声扭振电控柜、超声扭转振动刀柄，所述超声扭转振动刀柄通过锥度刀柄与机床主轴锥孔配合，并借助拉钉的牵引作用安装在机床主轴上；超声扭转振动刀柄上的电滑环通过超声电缆与超声扭振电控柜连接，接收电振荡信号；所述电滑环通过刀柄固定环和连接杆与机床的主轴套筒相对固定；电滑环的电刷与套装在超声扭转振动刀柄上的集流环紧密接触，集流环和设置在超声扭转振动刀柄内的扭转振动夹心式换能器的电极片之间通过导线连接，将电振荡信号转换为超声扭转振动；所述超声扭转振动刀柄的下段设置为与换能器连接的变幅转轴，将超声扭转振动的振幅放大后传给装夹在变幅转轴前端的钻头，以驱动钻头在保持原有旋转运动和轴向进给运动的同时做超声扭转振动。

进一步，作为本发明优选实施例的，所述钻头通过弹簧夹头和锁紧螺帽装夹在变幅转轴的前端。

由于采用上述技术方案，本发明创造具备如下有益效果：

1、结构通用性好，可在大多数钻削加工场合应用。由于本发明创造中的超声扭转振动系统和低频轴向振动系统均可作为机床附件使用，超声扭转振动刀柄通过其锥度刀柄直接安装在机床主轴锥孔内，压电振动工作台通过螺钉固定在机床工作台上，无需对原有钻削装置进行任何改进即可进行复合振动钻削加工。

2、有多种钻削方式可供选择，材料适应性广。本发明创造可以实现传统钻削、超声扭转振动钻削、低频轴向振动钻削和超声-低频复合振动钻削四种不同的钻削方式，且各工艺参数可单独控制调节，具有更广的材料适应性。

附图说明

图1为本发明创造优选实施例的复合振动钻削装置的结构示意图；

图2为本发明创造优选实施例的压电振动工作台的结构爆炸图；

图3为发明创造优选实施例的LM中心轴及工作台面的结构示意图；

图4为发明创造优选实施例的振动台壳体的剖视图；

图5为发明创造优选实施例的底座的结构示意图；

图6为本发明创造优选实施例的超声扭转振动刀柄结构图；

图中：

1、主轴套筒，2、刀柄固定环，3、连接杆，4、刀柄法兰，5、电滑环，6、变幅转轴，7、锁紧螺帽，8、钻头，9、压电振动工作台，10、机床工作台，11、超声电缆，12、超声扭振电控柜，13、导线，14、低频振动控制器，15、航空插头，16、弹簧夹头，17、扭转振动夹心式换能器，18、锥度刀柄，19、拉钉，20、集流环，21、环形绝缘座。

5-1、轴承，5-2、滑环壳体，5-3、电刷，5-4、航空插座，5-5、滑环端盖；

9-1、压电致动器，9-2、振动台壳体，9-3、直线轴承，9-4、LM中心轴，9-5、工作台面，9-6、U型槽，9-7、防转销，9-8、底座，9-9、螺钉；9-10、透视窗口；9-11、凸台；

17-1、后端盖，17-2、绝缘管，17-3、电极片，17-4、压电陶瓷堆，17-5、联接螺杆，17-6、前端盖。

具体实施方式

以下结合附图及优选实施例对本发明创造进一步说明：

结合图1，本优选实施例的复合振动钻削装置，由机床本体，作为机床附件用于驱动刀具实现超声扭转振动的超声扭转振动系统，作为机床附件用于驱动工件实现频率为10-2000Hz、振幅为1-10μm的低频轴向振动的低频轴向振动系统三部分组成；其中，机床本体在图中表现为与超声扭转振动系统连接结合的主轴套筒1，以及与低频轴向振动系统连接结合的机床工作台10；具体的，超声扭转振动系统通过其锥度刀柄18安装在机床主轴锥孔内，低频轴向振动系统通过底座9-8安装在机床工作台10上；同时，本优选实施例中强调的作为机床附件使用的两个系统可以明确通过上述与机床的连接方式显示出，即无需对原有钻削装置或机床进行任何改进即可增加该系统实现对应的复合振动钻削。

结合图2-图5，本优选实施例的低频轴向振动系统由低频振动控制器14、压电振动工作台9及连接两者的导线13组成；其中压电振动工作台9包括振动台壳体9-2、设置在振动台壳体上端的圆盘型工作台面9-5及设置在振动台壳体下端的底座9-8。其中，具体结合图4，振动台壳体9-2设置为中段为圆桶，上下具有法兰连接盘，投影面显示为“工”型的结构；且下段开有透视窗口9-10。结合图3，工作台面9-5与下端的LM中心轴9-4相结合为一体，其中，圆盘型工作台面上的螺栓孔用于固定或装卡被加工的零件，且圆盘型工作台面上设有一处U型槽9-6；LM中心轴设置在振动台壳体内上段并通过高精度级直线轴承9-3与振动台壳体相结合。具体的，直线轴承9-3通过过盈配合安装于振动台壳体9-2上部的中间孔内，同时通过螺钉9-9穿过直线轴承的安装法兰盘紧固在振动台壳体9-2内部的下沉凹槽上；直线轴承9-3全部装配在振动台壳体9-2内，但为了保证工作台面9-5相对于壳体9-2的上下振动，圆盘型工作台面9-5的下表面与振动台壳体9-2的上端法兰连接盘之间有0.5～1mm间隙。底座9-8上表面中心位置处设有压电致动器9-1，压电致动器设置在振动台壳体9-2内且上端与LM中心轴连接；结合图2、图5，压电致动器9-1的下部固定端通过螺钉安装在底座9-8中心的凸台9-11位置，压电致动器的振动输出端通过螺纹旋合结构与LM中心轴的下端连接。底座上的凸台9-11外径对应于振动台壳体9-2下段的内径，这样，底座可与振动台壳体9-2的下端法兰连接盘紧密贴合，并可通过螺钉9-9进一步紧固。结合图1，导线13穿过振动台壳体9-2的透视窗口9-10将压电致动器及低频振动控制器14连接，压电致动器接收低频振动控制器提供的一定波形和幅值的交变电信号，并利用压电致动器的逆压电效应输出可控的轴向振动，由于压电振动工作台9通过螺栓固定在机床工作台10上，工件装夹在工作台面9-5上，从而带动工件形成频率为10-2000Hz、振幅为1-10μm的低频轴向振动。在LM中心轴上下振动的过程中，直线轴承9-3起到对LM中心轴9-4的引导、限位、支撑和减摩作用；同时，防转销9-7通过一端的螺纹结构固定在振动台壳体9-2的上法兰端面，另一端的圆柱结构与工作台面9-5上的U型槽9-6间隙配合，防止因钻削扭矩的作用而损坏压电致动器9-1。其中，由于压电致动器设置在振动台壳体9-2内且需要与LM中心轴连接，底座上的凸台9-11设置，其目的在于提高底座9-8与振动台壳体9-2之间的位置及装配精度，从而降低压电致动器9-1所承受的弯扭载荷。

低频轴向振动系统的工作原理是：基于压电晶体的逆压电效应，当给压电致动器9-1输入一定强度的驱动电压U时，压电致动器将会输出一定的位移量，且输出位移量ΔL的大小取决于驱动电压U及其所承受的静态载荷F，其关系可以通过下式表示：

ΔL＝(WU-F)/K_p

式中W－压电致动器的力因数，N/v；K_p－压电致动器的刚度，N/m。上式表明：压电致动器的输出位移量ΔL与驱动电压U成线性关系。在实际钻削过程中，压电致动器的驱动电压U和外部载荷F都是随时间变化的，但是，在准静态频宽(谐振频率的三分之一)内，其位移特性仍然服从上面的公式，且振动频率与交变电压的频率相同。

结合图1、图6，本优选实施例的超声扭转振动系统，包括超声扭振电控柜12、超声扭转振动刀柄，超声扭转振动刀柄通过锥度刀柄18与机床主轴锥孔配合，并借助拉钉19的牵引作用安装在机床主轴上；刀柄法兰4起到超声扭转振动刀柄在机床主轴中的联接、定位和传动作用。超声扭转振动刀柄上的电滑环5通过超声电缆11与超声扭振电控柜12连接，接收超声频的电振荡信号；具体的，超声电缆11一端的航空插头15与电滑环5上的航空插座5-4连接。电滑环5通过刀柄固定环2和连接杆3与机床的主轴套筒1相对固定；电滑环5内部的电刷5-3与套装在超声扭转振动刀柄上的集流环20紧密接触，集流环20和设置在超声扭转振动刀柄内的扭转振动夹心式换能器17的电极片17-3之间通过导线连接，从而实现将电振荡信号转换为超声扭转振动；超声扭转振动刀柄的下段设置为与换能器17连接的变幅转轴6，钻头8通过弹簧夹头16和锁紧螺帽7装夹在变幅转轴6的前端，以便将超声扭转振动的振幅放大后传递给装夹在变幅转轴6前端的钻头8，从而驱动钻头8在保持原有旋转运动和轴向进给运动的同时做超声扭转振动。

结合图6，扭转振动夹心式换能器17是实现电振荡信号向超声扭转振动转换的关键元器件，压电陶瓷堆17-4由若干沿圆周极化的压电陶瓷环片组成，压电陶瓷环片及其与后端盖17-1和前端盖17-6之间用弹性和导电性能良好的电极片17-3隔开并作为电极，相同的电端并联连接，形成换能器的正负电极。联接螺杆17-5起到联接各组成部分，并给压电陶瓷堆17-4提供一定的预压力，它和电极片17-3、压电陶瓷堆17-4之间通过绝缘管17-2绝缘隔开。

结合图6，电滑环5是超声扭转振动刀柄的重要组成部分，其作用是保证旋转的超声扭转振动刀柄与外部电控部分之间连接。两个电刷5-3安装在滑环壳体5-2的电刷安装孔内，并绝缘隔离(图中未画出)；滑环壳体5-2与刀柄圆柱部分之间设置轴承5-1，环形绝缘座21安装在刀柄圆柱部分，且通过滑环端盖5-5和轴承5-1内圈对其进行轴向定位。套装在环形绝缘座21上的两个集流环20分别与扭转振动夹心式换能器17的两个电极连接。两个集流环20分别与两个电刷5-3紧密接触，从而保证在环形绝缘座21和集流环20随刀柄高速旋转时，换能器17仍能得到持续不断的供电。

本优选实施例的复合振动钻削装置工作时，需要对超声扭转振动系统进行调谐及调幅以及对低频轴向振动系统进行振动参数与切削参数的匹配及优化。

关于超声扭转振动系统，首先接通电源，调节超声扭振电控柜12的输出电振荡信号的频率大小，进行频率跟踪，使整个超声刀具系统处于最佳谐振状态，获得超声扭转振动的频率。在保证超声扭转振动均匀稳定情况下，调整超声扭振电控柜12的输出功率大小，使其接近额定功率，获得较大的超声扭转振动的振幅。

关于低频轴向振动系统，根据低频轴向振动系统的输出特性和被加工材料的切削性能，确定低频轴向振动参数和切削参数的选取范围，并设计试验方案。按照保证合理刀具耐用度及经济加工精度的原则，采用多目标优化的方法，获得低频轴向振动参数(振动频率、振幅)和切削参数(转速、进给量)之间的最佳匹配。

至此，工件的低频轴向振动参数、钻头的超声扭转振动参数，以及切削参数(转速、进给量)设置完毕，可以进行复合振动钻削加工。

另外，由于本优选实施例的两个系统作为机床附件使用，无需对原有钻削装置或机床进行任何改进即可增加该系统实现对应的复合振动钻削。因此，在其他实施例中，完全可以根据现场需要选择两个系统都不增加，即机床本身作为传统钻削而存在；或者单独增加超声扭转振动系统或低频轴向振动系统，实现单独的超声扭转振动钻削或低频轴向振动钻削；即可实现传统钻削、超声扭转振动钻削、低频轴向振动钻削或超声-低频复合振动钻削四种不同的钻削方式，且各工艺参数可单独控制调节，因此具有更广的材料适应性。

Claims

1.一种复合振动钻削装置，其特征是：由机床本体，作为机床附件用于驱动刀具实现超声扭转振动的超声扭转振动系统，作为机床附件用于驱动工件实现频率为10-2000Hz、振幅为1-10μm的低频轴向振动的低频轴向振动系统三部分组成；

所述低频轴向振动系统由低频振动控制器(14)、压电振动工作台(9)及连接两者的导线(13)组成；其中压电振动工作台(9)包括振动台壳体(9-2)、设置在振动台壳体上端的工作台面(9-5)及设置在振动台壳体下端的底座(9-8)，所述工作台面(9-5)与下端LM中心轴(9-4)相结合为一体，LM中心轴设置在振动台壳体内并通过直线轴承(9-3)与振动台壳体相结合；所述底座(9-8)上端设有压电致动器(9-1)，所述压电致动器设置在振动台壳体(9-2)内且上端与LM中心轴(9-4)连接；所述压电致动器通过导线(13)与低频振动控制器(14)连接，接收低频振动控制器提供的一定波形和幅值的交变电信号，带动LM中心轴(9-4)和工作台面(9-5)形成相对于振动台壳体(9-2)的频率为10-2000Hz、振幅为1-10μm的低频轴向振动；且所述工作台面与振动台壳体间通过防转销(9-7)进行两者间相互扭转位移的限定；

所述低频轴向振动系统的底座(9-8)安装在机床工作台(10)上，与通过锥度刀柄(18)安装在机床主轴锥孔内的超声扭转振动系统结合，在机床自身的转速和进给量设置基础上，进行工件的低频轴向振动和钻头的超声扭转振动相结合的复合振动钻削加工。

2.根据权利要求1所述的复合振动钻削装置，其特征是：所述压电致动器(9-1)与低频振动控制器(14)以及带动工件形成的振动量符合以下公式：

ΔL＝(WU-F)/K_p

其中，△L—压电致动器输出的位移量；

W－压电致动器的力因数，N/v；

U－低频振动控制器输出给压电致动器的驱动电压；

F－工件传递给压电致动器的静态载荷；

K_p－压电致动器的刚度，N/m；

在准静态频宽，即谐振频率的三分之一内，振动频率与交变电压的频率相同，压电致动器的输出位移量△L与驱动电压U成线性关系。

3.根据权利要求1所述的复合振动钻削装置，其特征是：所述压电致动器(9-1)的固定端通过螺钉安装在底座(9-8)中心位置，振动输出端通过螺纹旋合结构与LM中心轴(9-4)的下端连接。

4.根据权利要求1所述的复合振动钻削装置，其特征是：所述直线轴承(9-3)通过过盈配合安装于振动台壳体(9-2)中间孔的上部，引导、限位及支撑LM中心轴(9-4)。

5.根据权利要求1所述的复合振动钻削装置，其特征是：所述防转销(9-7)通过一端的螺纹结构固定在振动台壳体(9-2)的上端面，另一端的圆柱结构与工作台面(9-5)的U型槽(9-6)间隙配合。

6.根据权利要求1所述的复合振动钻削装置，其特征是：所述超声扭转振动系统包括超声扭振电控柜(12)、超声扭转振动刀柄，所述超声扭转振动刀柄通过锥度刀柄(18)与机床主轴锥孔配合，并借助拉钉(19)的牵引作用安装在机床主轴上；超声扭转振动刀柄上的电滑环(5)通过超声电缆(11)与超声扭振电控柜(12)连接，接收电振荡信号；所述电滑环(5)通过刀柄固定环(2)和连接杆(3)与机床的主轴套筒(1)相对固定；电滑环的电刷(5-3)与套装在超声扭转振动刀柄上的集流环(20)紧密接触，集流环(20)和设置在超声扭转振动刀柄内的扭转振动夹心式换能器(17)的电极片(17-3)之间通过导线连接，从而将电振荡信号转换为超声扭转振动；所述超声扭转振动刀柄的下段设置为与换能器(17)连接的变幅转轴(6)，将超声扭转振动的振幅放大后传递给装夹在变幅转轴(6)前端的钻头(8)，以驱动钻头(8)在保持原有旋转运动和轴向进给运动的同时做超声扭转振动。

7.根据权利要求6所述的复合振动钻削装置，其特征是：所述钻头(8)通过弹簧夹头(16)和锁紧螺帽(7)装夹在变幅转轴(6)的前端。