CN105522446A - 一种超声纵扭振动磨削装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声纵扭振动磨削装置，包括外壳和刀轴，刀轴包括依次自上而下的第一轴段、第二轴段、第三轴段和第四轴段，第一轴段与机床主轴相配合；第二轴段上配置有滚动轴承，滚动轴承安设在轴承套内；第三轴段配置有超声换能装置，超声换能装置安设在外壳内；第四轴段上端与超声换能装置紧贴，第四轴段下端固定连接有刀具；轴承套的下端与外壳的上端相连。本发明采用整体式设计，将传统超声加工装置中的变幅杆设计为刀轴的一部分，不存在分体式变幅杆和刀轴在装配时产生的同轴度问题；同时也消除了超声换能装置在与变幅杆装配时产生的同轴度误差，保证了加工精度，提高了材料表面加工质量。

Description

一种超声纵扭振动磨削装置
技术领域
本发明涉及磨削加工设备技术领域，具体涉及一种超声纵扭振动磨削装置。
背景技术
碳纤维等复合材料具有高强度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优良性能，已被广泛应用于机械、电子、航空、汽车等领域。然而正是这些特性增加了碳纤维等复合材料的加工难度，传统的加工方法加工效率低、成本高，限制了碳纤维等复合材料的进一步应用。随着科学技术的发展，特种加工应运而生，并且迅速发展。其中，作为特种加工的一种，旋转超声振动加工效率高、效果好，在碳纤维等复合材料加工领域广泛应用。
旋转超声振动磨削加工轴向冲击力过大，影响碳纤维等复合材料的加工效果；而超声纵扭振动加工不受此限制，不仅可以大幅提高加工效率，降低切削力，提高加工表面质量和刀具寿命，还能够提高刀具系统的轴向、扭转以及弯曲刚度，在加工复合材料方面有更加优良的工艺效果。对纵扭共振超声加工装置的研究，能大大提高超声波磨削加工技术的工业实用性。
同轴度是超声纵扭振动加工装置必须要保证的参数；较低的同轴度会使刀具在加工时产生摆动，严重影响加工精度，降低加工装置寿命。现有的超声纵扭振动加工装置的刀轴和变幅杆大多采用分体设计，通过法兰盘连接，加工和装配时均会产生同轴度误差，很难保证加工装置的同轴度，严重时会影响材料加工的质量。因此，有必要对现有技术进行改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种同轴度高、加工精度高的超声纵扭振动磨削装置。
本发明采用的技术方案是：一种超声纵扭振动磨削装置，包括外壳和刀轴，所述刀轴包括依次自上而下的第一轴段、第二轴段、第三轴段和第四轴段，所述第一轴段与机床主轴相配合；所述第二轴段上配置有滚动轴承，滚动轴承安设在轴承套内；所述第三轴段配置有超声换能装置，超声换能装置安设在外壳内；所述第四轴段上端与超声换能装置紧贴，第四轴段下端固定连接有刀具；其中，所述轴承套的下端与外壳的上端相连；所述第四轴段下端伸出外壳。
按上述方案，所述第三轴段包括上段和下段，下段的轴径小于上段的轴径；所述超声换能装置包括供电盒、铜环装置、紧固套、后盖板和与铜环装置电连接的压电陶瓷晶片，压电陶瓷晶片的内壁面与下段的外周面绝缘紧贴，压电陶瓷晶片的下端与第四轴段的上端紧贴，压电陶瓷晶片的上端与后盖板紧贴，后盖板的内壁面与下段的外周面紧贴；压电陶瓷晶片和后盖板均套设在紧固套的内部，紧固套的上部与上段连接；所述铜环装置与第三轴段的上段绝缘配合；所述铜环装置的外壁与碳刷贴紧，碳刷与供电盒连接，供电盒安设在外壳上。
按上述方案，所述铜环装置包括与第三轴段上段配合的绝缘基体，绝缘基体的外周面套设有铜环，铜环的外壁与碳刷贴紧；所述铜环通过导线与压电陶瓷晶片电连接。
按上述方案，在上段与下段相连的端面上开设有楔形槽；在紧固套的上部沿径向向内伸出有楔形凸台，楔形凸台与楔形槽相配合；楔形凸台的下表面与后盖板的上表面压紧。
按上述方案，所述第四轴段包括前段和后段，所述前段通过ER紧固装置与刀具的刀柄连接；所述后段为倒梯形锥体，后段轴径大于第三轴段的下段轴径。
按上述方案，所述第四轴段的下端外周面开有斜槽。
按上述方案，所述第一轴段为梯形锥体。
按上述方案，所述紧固套包括两个半筒形组件，两个半筒形组件的两侧端分别通过螺栓连接；所述楔形凸台分别设置在半筒形组件的上部。
按上述方案，所述第四轴段下端开设有梯形锥孔；所述ER紧固装置包括ER紧固帽和ER夹头，ER夹头安设在梯形锥孔内，ER紧固帽与开设在第四轴段下端外周面的螺纹相配合，将刀柄紧固在ER夹头内。
按上述方案，所述压电陶瓷晶片均由两个半环形晶片拼接而成；所述后盖板由两个半环形盖板拼接而成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用整体式设计，将传统超声加工装置中的变幅杆设计为刀轴的一部分，不存在分体式变幅杆和刀轴在装配时产生的同轴度问题；同时也消除了超声换能装置在与变幅杆装配时产生的同轴度误差，避免了刀具磨削时由于同轴度误差而产生摆动，保证了加工精度，提高了材料表面加工质量；
2、刀轴的第四轴段其呈倒梯形锥体的后段替代了传统加工装置中的变幅杆，后段的上端面与压电陶瓷晶片紧贴，省去了超声换能装置的前盖板，加工装置的结构更加紧凑；
3、第四轴段前段下端的斜槽对压电陶瓷晶片产生的纵波进行分解，激励出扭转振动，并与压电陶瓷晶片产生的纵向振动复合成纵扭振动，实现装置的纵扭振动加工；
4、刀轴的第一轴段为能与普通的机床主轴相配置的梯形锥体，实现了与普通机床的柔性对接，可以在普通机床上实现超声加工，解决了薄壁件、碳纤维等复合材料难以加工的问题；
5、通过ER紧固装置实现刀具与刀轴的连接，拆卸和装夹方便，也可根据不同的加工要求更换不同的刀具；
6、本发明加工效率高，减小了切削力，延长了刀具使用寿命；整体结构简单紧凑，装拆方便，零件替换容易；加工精度高，稳定性好。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。
图2为本实施例中铜环装置的结构示意图。
图3为本实施例中紧固套与压电陶瓷晶片和后盖板的连接示意图。
图4为本实施例中紧固套与第三轴段的连接示意图。
图5为本实施例中超声换能装置的装配示意图。
图6为本实施例中轴承套的结构示意图。
图7为本实施例中外壳的结构示意图。
图8为本实施例中供电盒的结构示意图。
图9为本实施例中第四轴段下端的结构示意图。
图10为本实施例中ER夹头的结构示意图。
图11为本实施例中ER紧固帽的结构示意图。
其中：1、轴承套；2、轴承；3、供电盒；3.1、碳刷；4、铜环装置；4.1、绝缘基体；4.2、铜环；4.3、导线孔；5、紧固套；5.1、半筒形组件；5.2、连接螺栓；5.3楔形凸台；5.4、绝缘橡胶层；6、ER紧固装置；6.1、ER螺帽；6.2、ER夹头；7、刀轴；7.1、第一轴段；7.2、第二轴段；7.3、第三轴段；7.31、上段；7.32、下段；7.33、楔形槽；7.4、第四轴段；7.41、前段；7.42、后段；7.43、斜槽；7.44、梯形锥孔；8、轴承挡圈；9、锁紧螺母；10、后盖板；11、压电陶瓷晶片；12、外壳；13、刀具；13.1、刀柄。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步地描述。
如图1所示的一种超声纵扭振动磨削装置，包括外壳12和刀轴7，刀轴7包括依次自上而下的第一轴段7.1、第二轴段7.2、第三轴段7.3和第四轴段7.4，第一轴段7.1呈梯形锥体，与机床主轴（附图未示出）配合连接，机床主轴带动刀轴7转动。
第二轴段7.2配置有轴承2（高速深沟球轴承），轴承2下端配置有轴承挡圈8；轴承2安设在轴承套1内；轴承套1下部和外壳12上部均分别沿径向向外伸出有凸缘，凸缘上开设有螺栓孔，螺栓孔与螺栓相配合，轴承套1和外壳12通过螺栓连接最后通过固定装置固定在机床上（附图未示出），所述装置运行时，轴承套1和外壳12不随刀轴7转动。
第三轴段7.3与超声换能装置相连接，超声换能装置安设在外壳12内（如图7所示，外壳12起保护和密封作用）；第三轴段7.3包括上段7.31和下段7.32，下段7.32的轴径小于上段7.31的轴径；在上段7.31与下段7.32相连的端面上开设有楔形槽7.33；超声换能装置包括供电盒3、铜环装置4、紧固套5、后盖板10和与铜环装置4电连接的压电陶瓷晶片11。在第二轴段7.2和第三轴段7.3之间设有轴肩(该轴肩的直径小于轴承2的内径)，该轴肩与定位螺母9之间的第三轴段7.3上配置铜环装置4（定位螺母9与开设在上段7.31外周面上的螺纹相配合）。如图2所示，铜环装置4包括与上段7.31配合的绝缘基体4.1，绝缘基体4.1的外周面套设有铜环4.2，绝缘基体4.1上开设有导线孔4.3，导线孔4.3内设置有连接铜环4.2和压电陶瓷晶片11的导线（铜环4.2作为正负电极按正确的顺序通过导线分别连接在压电陶瓷晶片11的电极上，其中导线一端直接或经导线孔4.3与铜环相连，另一端经缝隙与压电陶瓷晶片11相连）。如图8所示，供电盒3包括带有导线的碳刷3.1、航插3.2和盒体3.3，盒体3.3通过螺栓固定在外壳12上；碳刷31由航插3.2的内弹簧按压在铜环4.2的外壁上（所述装置运行时供电盒3不旋转，铜环装置4随刀轴7一起旋转，电信号通过碳刷31经铜环4.2传递至压电陶瓷晶片11）。如图5所示，压电陶瓷晶片11的内壁面与下段7.32的外周面紧贴（绝缘），压电陶瓷晶片11的下端端面与第四轴段7.4的上端端面紧贴（绝缘），压电陶瓷晶片11的上端端面与后盖板10紧贴（绝缘），后盖板10内壁面与下段7.32的外周面紧贴；压电陶瓷晶片11和后盖板10均套设在紧固套5的内部（与紧固套5的绝缘橡胶层5.4内壁面紧贴），紧固套5的上部通过楔形槽7.33与上段7.31连接，如图3和图4所示。
第四轴段7.4包括后段7.42和前段7.41，后段7.42呈倒梯形锥体（后段7.42也可是带过渡圆弧的阶梯轴，后段7.42在本加工装置中起变幅杆的作用），后段7.42的上端面与压电陶瓷晶片11的下端面紧贴，后段7.42的轴径大于第三轴段7.3下段7.32的轴径小于轴承2的内径；前段7.41伸出外壳1，通过ER紧固装置6与刀具13的刀柄13.1连接；前段7.41的下部外周面开有斜槽7.43。
本实施例中，如图4所示，紧固套5包括两个半筒形组件5.1，两个半筒形组件5.1的两侧端分别通过连接螺栓5.2连接；两个半筒形组件5.1的上部分别沿径向向内伸出有楔形凸台5.3，楔形凸台5.3与楔形槽7.33相配合，楔形凸台5.3的下表面与后盖板10紧贴；压电陶瓷晶片11由两个半环形晶片拼接而成；后盖板10由两个半环形盖板拼接而成。
本实施例中，如图9所示，第四轴段7下端外周面开设有螺纹，端面开设有梯形锥孔7.44；如图10和图11所示，ER紧固装置6包括ER夹头6.2和ER紧固帽6.1，ER夹头6.2安设在梯形锥孔7.44内，刀具13的刀柄13.1上端插入ER夹头6.2内，ER紧固帽6.1与第四轴段7.4下端的螺纹相配合连接，将刀柄13.1紧固在ER夹头6.2内。
本发明中，紧固套5上的楔形凸台5.3对后盖板10和压电陶瓷晶片11施加预紧力；当连接两个半筒形组件5.1的连接螺栓5.2锁紧时，紧固套5上端的楔形凸台51沿径向向内移动，紧固套5内表面的绝缘橡胶层5.2径向压紧压电陶瓷晶片11；同时，由于楔形凸台5.3的上表面与楔形槽7.33的内表面紧贴，迫使紧固套5沿轴向向下运动，对后盖板11和压电陶瓷晶片10预紧。后盖板10为金属材料，压电陶瓷晶片11为陶瓷材料，二者都很难压缩，所以对两者预紧时轴向和径向的位移都很小，紧固套5内表面的绝缘橡胶层5.2的挤压变形也较小。当供电盒3通过铜环4.2给压电陶瓷晶片11通电时，压电陶瓷晶片11产生的纵向振动激励的纵波经第四轴段7.4的后段7.42传递至前段7.41的下部时，其前段7.41外周面上的斜槽7.43对纵波进行分解，激励出扭转振动，并与压电陶瓷晶片11产生的纵向振动复合，在刀柄13.1上端形成纵扭振动，从而带动刀具13运作。
以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种超声纵扭振动磨削装置，包括外壳和刀轴，其特征在于，所述刀轴包括依次自上而下的第一轴段、第二轴段、第三轴段和第四轴段，所述第一轴段与机床主轴相配合；所述第二轴段上配置有滚动轴承，滚动轴承安设在轴承套内；所述第三轴段配置有超声换能装置，超声换能装置安设在外壳内；所述第四轴段上端与超声换能装置紧贴，第四轴段下端固定连接有刀具；其中，所述轴承套的下端与外壳的上端相连；所述第四轴段下端伸出外壳。
2.如权利要求1所述的一种超声纵扭振动磨削装置，其特征在于，所述第三轴段包括上段和下段，下段的轴径小于上段的轴径；所述超声换能装置包括供电盒、铜环装置、紧固套、后盖板和与铜环装置电连接的压电陶瓷晶片，压电陶瓷晶片的内壁面与下段的外周面绝缘紧贴，压电陶瓷晶片的下端与第四轴段的上端紧贴，压电陶瓷晶片的上端与后盖板紧贴，后盖板的内壁面与下段的外周面紧贴；压电陶瓷晶片和后盖板均套设在紧固套的内部，紧固套的上部与上段连接；所述铜环装置与第三轴段的上段绝缘配合；所述铜环装置的外壁与碳刷贴紧，碳刷与供电盒连接，供电盒安设在外壳上。
3.如权利要求2所述的一种超声纵扭振动磨削装置，其特征在于，所述铜环装置包括与第三轴段上段配合的绝缘基体，绝缘基体的外周面套设有铜环，铜环的外壁与碳刷贴紧；所述铜环通过导线与压电陶瓷晶片电连接。
4.如权利要求2所述的一种超声纵扭振动磨削装置，其特征在于，在第三轴段上段与下段相连的端面上开设有楔形槽；在紧固套的上部沿径向向内伸出有楔形凸台，楔形凸台与楔形槽相配合；楔形凸台的下表面与后盖板的上表面压紧。
5.如权利要求2所述的一种超声纵扭振动磨削装置，其特征在于，所述第四轴段包括前段和后段，所述前段通过ER紧固装置与刀具的刀柄连接；所述后段为倒梯形锥体，后段轴径大于第三轴段的下段轴径。
6.如权利要求1所述的一种超声纵扭振动磨削装置，其特征在于，所述第四轴段的下端外周面开有斜槽。
7.如权利要求1所述的一种超声纵扭振动磨削装置，其特征在于，所述第一轴段为梯形锥体。
8.如权利要求4所述的一种超声纵扭振动磨削装置，其特征在于，所述紧固套包括两个半筒形组件，两个半筒形组件的两侧端分别通过螺栓连接；所述楔形凸台分别设置在半筒形组件的上部。
9.如权利要求1所述的一种超声纵扭振动磨削装置，其特征在于，所述第四轴段下端开设有梯形锥孔；所述ER紧固装置包括ER紧固帽和ER夹头，ER夹头安设在梯形锥孔内，ER紧固帽与开设在第四轴段下端外周面的螺纹相配合，将刀柄紧固在ER夹头内。
10.如权利要求2所述的一种超声纵扭振动磨削装置，其特征在于，所述压电陶瓷晶片均由两个半环形晶片拼接而成；所述后盖板由两个半环形盖板拼接而成。
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