CN110286049B - 超声切削摩擦磨损试验机及仿真超声切削加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声切削摩擦磨损试验机，包括机架，试验机还包括超声主轴、超声刀具、主轴摆动模块、上移动机构、下移动机构、升降模块、驱动模块、加载机构，所述超声主轴安装在主轴摆动模块内，超声刀具安装在超声主轴下端，所述下移动机构固定在机架上，升降模块下部与下移动机构上滑动连接，升降模块上部与上移动机构滑动连接，驱动模块上部放置待加工工件，驱动模块下部与机架的水平承载板连接，加载机构下部与待加工工件相接，加载机构一侧安装在机架上。本发明结构简单，操作及维护方便，制作成本低，功能多样等特点，能够很好地改变切削加载力以及切削速度，并且实现超声加工过程中超声刀具以一定摆角和倾角切削加工的过程。

Description

超声切削摩擦磨损试验机及仿真超声切削加工方法

技术领域

本发明涉及摩擦磨损试验设备领域，尤其涉及一种超声切削摩擦磨损试 验机。

背景技术

非均质复合材料是目前机械加工最难的材料之一，传统铣削非均质复合材 料存在产生大量粉尘、噪音较大、表面毛刺明显、加工效率低下等问题。为了 解决上述传统铣削过程中存在的问题，超声加工技术被引入了非均质复合材料 的加工过程当中。

超声切削加工过程中，工件的表面加工质量与刀具的摩擦磨损有关，而刀 具的摩擦磨损与加工工艺参数、刀具与材料之间的切削摩擦力有关。为了探究 超声刀具(直刃刀、圆盘刀)表面磨损量、材料表面质量、加载力、工艺条件 四者的关系，需要做大量超声切削摩擦磨损试验，但存在非均质复合材料价格 昂贵，普通机床难以仿真超声切削加工过程等问题。

今在摩擦学实验中用的最多的是美国CETR公司UMT系列摩擦磨损试验机。 这些设备虽然功能强大，但是其结构复杂，成本很高，不易维护，一旦设备损 坏无法及时修理，无法兼并超声切削加工过程中的直刃刀和圆盘刀的摩擦磨损 实验，且无法实现超声切削加工实验中的工艺条件改变。目前，国内超声切削 摩擦磨损的研究还处于起步阶段，缺乏相关的试验和理论研究，这种状况不但 阻碍我国制造装备的质量提升，还将严重影响我国超声加工技术的进一步推广 和提升。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种超声切削摩擦磨损试 验机，它具有结构简单，试验成本低，操作方便等特点，能够较好的用于超声 切削摩擦磨损试验中。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种超声切削摩擦磨损试验机，包括机架，试验机还包括超声主轴、超声 刀具、主轴摆动模块、上移动机构、下移动机构、升降模块、驱动模块、加载 机构，所述超声主轴安装在主轴摆动模块内，超声刀具安装在超声主轴下端， 所述下移动机构固定在机架上，升降模块下部与下移动机构上滑动连接，升降 模块上部与上移动机构滑动连接，驱动模块上部放置待加工工件，驱动模块下 部雨机架的水平承载板连接，加载机构下部与待加工工件相接，加载机构一侧 安装在机架上。

进一步的，升降模块包括升降载台、齿轮、齿条、齿轮轴、轴承、紧定螺 栓、扭盘、上移支柱，所述上移支柱与上移动机构的滑台接触，并用支柱底板 支承进行固定，升降载台上有异型螺纹孔，紧定螺栓与所述升降载台上异型螺 纹孔连接，升降载台上平面与上矩形导轨通过螺栓固定连接，上移机构的上移 动滑台与水平承载板通过沉头螺栓相连。

进一步的，竖直承载板安装在水平承载板上端面上，并通过肋板进行固定， 竖直承载板上设有与电机支架连接的安装孔，伺服电机通过电机支架上的电机 安装孔固定安装在电机支架上。

进一步的，加载机构包括扭盘、滚珠丝杠、丝杠螺母、丝杠支座组件、加 载支架、弹簧压盖、弹簧，支撑螺母、滚针轴承，所述丝杠螺母端面与加载杆 一端接触且加载杆同轴安装于丝杠螺母外璧，加载杆另一端与弹簧压盖平面接 触挤压，弹簧压盖凹面与加压弹簧一端相接触挤压，加载弹簧另一端与支撑螺 母小径端大端面接触挤压，支撑螺母大径端与加载盖子大径端相接触挤压且同 轴安装于加载盖子小径端外壁，所述加载轴承内径安装有加载盖子，加载轴承 外径安装在T字支架上。

进一步的，驱动模块包括伺服电机、主同步轮、主动轴、从动轴，主锥齿 轮、从锥齿轮、载料台、弹性挡圈，传动轴承，所述伺服电机与主轴用皮带轮 连接，主动轴与从动轴之间通过锥齿轮组传输动力，锥齿轮组与从动轴之间的 通过轴承定位圈定位；主动轴外壁同轴安装主锥齿轮，主动轴与主锥齿轮配合 面部分为平面，螺栓通过主锥齿轮上定位孔压紧主动轴外平面，从动轴外壁同 轴安装从锥齿轮，传动轴承连接主动轴及从同步轮，

伺服电机的输出轴与同步轮内壁同轴安装，同步带一端与主同步轮外壁连 接，另一端与从同步轮外壁连接，主动轴同轴安装在同步轮内壁，通过键槽传 动，主动轴下方与圆锥滚子轴承内壁同轴安装，水平承载板上设有的轴承孔与 圆锥滚子轴承外壁配合安装。主动轴上端面螺纹孔，载料板轴端设有通孔。

进一步的，所述加载支架与T字块两侧有螺纹孔，螺栓一端与加载支架T 字块螺纹孔连接，另一端压紧固定垫片，丝杠组件通过螺栓固定连接在加载支 架上。竖直/水平承载板上和固定板各设有4个支撑螺纹孔，用于固定板的安 装固定，固定板上另设有4个安装螺纹孔，分别用于与T字块和T字支架固定 连接，T字块和T字支架用于安装加载机构，固定加载机构径向位置。

进一步的，丝杠螺母端面与加载杆一端接触且加载杆同轴安装于丝杠螺母 外璧，加载杆另一端与弹簧压盖平面接触挤压，弹簧压盖凹面与加压弹簧一端 相接触挤压，加载弹簧另一端与支撑螺母小径端大端面接触挤压，支撑螺母大 径端与加载盖子大径端相接触挤压且同轴安装于加载盖子小径端外壁。

进一步的，主轴摆动模块包括法兰、法兰连接板、摆动板、轴端压板，所 述超声主轴上端面与法兰通过螺栓连接，法兰两侧设有螺纹孔，法兰连接板圆 头端通过螺栓连接法兰侧端，法兰连接板平头端通过螺栓连接摆动板，摆动板 与输出轴连接，并通过轴端压板轴端固定。

进一步的，上移支柱嵌有齿条，齿条与齿轮配合安装，齿轮与齿轮轴外壁 配合连接，滚珠轴承外圈安装在升降载台轴孔内，齿轮轴与滚珠轴承内圈配合 并通过弹性挡圈对滚珠轴承轴向进行定位，齿轮轴的输入端与手轮通过键槽连 接。主支架，其特征在于，主支架两面挖空，挖空面的对立面设有两个通孔， 通孔处呈两圆柱状通孔，下端面设有螺纹孔四个。

进一步的，使用所述的超声切削摩擦磨损试验机仿真超声切削加工方法， 其特征在于，包括以下步骤：

第一步：选择直刃刀或圆刀进行超声切削加工试验，并在对应位置安装工 件；

第二步：对加载模块的扭盘进行转动，调整到刀具切削加工时所需加载力 大小；

第三步：转动摆角机构，调整到刀具切削所需摆角；

第四步：通过升降模块和移动模块调整刀具切削的切深和倾角；

第五步：设定好待加工工件转速，启动驱动机构，驱动机构带动锥齿轮组 及待加工工件转动，超声刀具对待加工工件进行切削；

第六步：取下试样及超声刀具，通过显微镜观察工件表面质量以及刀具表 面的磨损情况。

采用本发明技术方案，本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明有 益效果如下：

1.本发明的超声切削摩擦磨损试验机，传动中使用了锥齿轮组的设计方 案，可以很好地实现一个电机控制两个工件的转动，简化了结构，实现任意切 换超声直刃刀和圆盘刀的摩擦磨损试验。

2.本发明的超声切削摩擦磨损试验机，具有刀具摆角、倾角可调的优点， 可以很好的实现所需的超声切削工艺条件。

3.本发明的超声切削摩擦磨损试验机，实现加载力调节，可以仿真实际超 声切削时的切削力，做到同一试验材料可以进行多次实验，节约了试验成本， 减少重复换材料带来的不必要时间浪费。

附图说明

图1是本发明提供的总体结构结构图；

图2是本发明提供的加载机构结构图；

图3是本发明提供的传动机构结构图；

图4是本发明提供的升降机构结构图；

图5是本发明提供的主支架结构图；

图6是本发明提供的下移动机构示意图；

图7是本发明提供的上移动机构内部示意图。

其中，图中，1.机架，2.下矩形滑轨，3.圆柱滚子轴承，4.滚珠丝杠，5. 螺母座，6.丝杠螺母，7.主支架，8.固定板，9.支柱底板支承，10.移动手轮， 11.上移动滑台，12.上移支柱，13.紧定螺栓，14.齿条，15.升降载台，16. 升降手轮，17.齿轮轴，18.齿轮，19.深沟球轴承，20.水平承载板，21.肋板， 22.竖直承载板，23.电机支架，24.伺服电机，25.主同步轮，26.同步带，27. 从同步轮，28.传动轴承，29.主动轴，30.主锥齿轮，31.从锥齿轮，32.从动 轴，33.弹性挡圈，34.载料台，35.待加工工件，36.加载盖子，37.加载轴承， 38.支撑螺母，39.加载弹簧，40.弹簧压盖，41.加载支架，42.加载杆，43. 加载螺母，44.丝杠组件，45.加载丝杠，46.扭盘，47.超声主轴，48.法兰， 49.法兰连接板，50.摆动板，51.摆动机构，52.轴端压板，53.超声刀具，54. 下移动滑台，55.上矩形导轨，56.T字支架，57.T字块。

具体实施方式

结合附图对本发明具体方案具体实施例作进一步的阐述。

一种超声切削摩擦磨损试验机，包括机架1，试验机还包括超声主轴47、 超声刀具53、主轴摆动模块、上移动机构、下移动机构、升降模块、驱动模 块、加载机构，所述超声主轴47安装在主轴摆动模块内，超声刀具53安装在 超声主轴47下端，所述下移动机构固定在机架1上，升降模块下部与下移动 机构上滑动连接，升降模块上部与上移动机构滑动连接，驱动模块上部放置待 加工工件35，驱动模块下部雨机架1的水平承载板20连接，加载机构下部与 待加工工件35相接，加载机构一侧安装在机架1上。上移动机构、下移动机 构均包括矩形滑轨2、圆柱滚子轴承4、丝杠螺母6、滚珠丝杠4、螺母座5。 图中2为下矩形滑轨，54为下移动滑台，图中10为移动手轮。

升降模块包括升降载台15、齿轮18、深沟球轴承19、齿条14、齿轮轴 17、轴承、紧定螺栓13、扭盘46、上移支柱12，所述上移支柱12与上移动 机构的滑台接触，并用支柱底板支承9进行固定，升降载台15上有异型螺纹 孔，紧定螺栓13与所述升降载台15上异型螺纹孔连接，升降载台15上平面 与上矩形导轨55通过螺栓固定连接，上移机构的上移动滑台11与水平承载板 20通过沉头螺栓相连。升降手轮16设于升降载台15的一侧。

竖直承载板22安装在水平承载板20上端面上，并通过肋板21进行固定， 竖直承载板22上设有与电机支架23连接的安装孔，伺服电机24通过电机支 架23上的电机安装孔固定安装在电机支架23上。

加载机构包括扭盘46、滚珠丝杠、丝杠螺母6、丝杠支座组件、加载支架 41、弹簧压盖40、弹簧，支撑螺母38、滚针轴承，所述丝杠螺母6端面与加 载杆42一端接触且加载杆42同轴安装于丝杠螺母6外璧，加载杆42另一端 与弹簧压盖40平面接触挤压，弹簧压盖40凹面与加压弹簧一端相接触挤压， 加载弹簧39另一端与支撑螺母38小径端大端面接触挤压，支撑螺母38大径 端与加载盖子36大径端相接触挤压且同轴安装于加载盖子36小径端外壁。

驱动模块包括伺服电机24、主同步轮25、主动轴29、从动轴32，主锥齿 轮30、从锥齿轮31、载料台34、弹性挡圈33，传动轴承28，所述伺服电机 24与主轴用皮带轮连接，主动轴29与从动轴32之间通过锥齿轮组传输动力， 锥齿轮组与从动轴32之间的通过轴承定位圈定位；主动轴29外壁同轴安装主 锥齿轮30，主动轴29与主锥齿轮30配合面部分为平面，螺栓通过主锥齿轮 30上定位孔压紧主动轴29外平面，从动轴32外壁同轴安装从锥齿轮31，传 动轴承28连接主动轴29及从同步轮27，

伺服电机24的输出轴与同步轮内壁同轴安装，同步带26一端与主同步轮 25外壁连接，另一端与从同步轮27外壁连接，主动轴29同轴安装在同步轮 内壁，通过键槽传动，主动轴29下方与圆锥滚子轴承内壁同轴安装，水平承 载板20上设有的轴承孔与圆锥滚子轴承外壁配合安装。主动轴29上端面螺纹 孔，载料板轴端设有通孔。

所述加载支架41与T字块57两侧有螺纹孔，螺栓一端与加载支架41T 字块57螺纹孔连接，另一端压紧固定垫片，丝杠组件44通过螺栓固定连接在 加载支架41上。竖直/水平承载板20上和固定板8各设有4个支撑螺纹孔， 用于固定板8的安装固定，固定板8上另设有4个安装螺纹孔，分别用于与T 字块57和T字支架56固定连接，T字块57和T字支架56用于安装加载机构， 固定加载机构径向位置。加载丝杠45穿过丝杠组件设于加载支架41加载杆42加载螺母中心43。

丝杠螺母6端面与加载杆42一端接触且加载杆42同轴安装于丝杠螺母6 外璧，加载杆42另一端与弹簧压盖40平面接触挤压，弹簧压盖40凹面与加 压弹簧一端相接触挤压，加载弹簧39另一端与支撑螺母38小径端大端面接触 挤压，支撑螺母38大径端与加载盖子36大径端相接触挤压且同轴安装于加载 盖子36小径端外壁。

主轴摆动模块包括法兰48、法兰连接板49、摆动板50、轴端压板52、摆 动机构51，所述超声主轴47上端面与法兰48通过螺栓连接，法兰48两侧设 有螺纹孔，法兰连接板49圆头端通过螺栓连接法兰48侧端，法兰连接板49 平头端通过螺栓连接摆动板50，摆动板50与输出轴连接，并通过轴端压板52 轴端固定。摆动机构51安装在机架1上方。

上移支柱12嵌有齿条14，齿条14与齿轮配合安装，齿轮与齿轮轴17外 壁配合连接，滚珠轴承外圈安装在升降载台15轴孔内，齿轮轴17与滚珠轴承 内圈配合并通过弹性挡圈33对滚珠轴承轴向进行定位，齿轮轴17的输入端与 手轮通过键槽连接。主支架7，其特征在于，主支架7两面挖空，挖空面的对 立面设有两个通孔，通孔处呈两圆柱状通孔，下端面设有螺纹孔四个。

使用所述的超声切削摩擦磨损试验机仿真超声切削加工方法，其特征在 于，包括以下步骤：

第一步：选择直刃刀或圆刀进行超声切削加工试验，并在对应位置安装工 件；

第二步：对加载模块的扭盘46进行转动，调整到刀具切削加工时所需加 载力大小；

第三步：转动摆角机构，调整到刀具切削所需摆角；

第四步：通过升降模块和移动模块调整刀具切削的切深和倾角；

第五步：设定好待加工工件35转速，启动驱动机构，驱动机构带动锥齿 轮组及待加工工件35转动，超声刀具53对待加工工件35进行切削；

第六步：取下试样及超声刀具53，通过显微镜观察工件表面质量以及刀具 表面的磨损情况。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员 会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进 行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽 然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以 上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例， 而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种超声切削摩擦磨损试验机，包括机架，其特征在于，试验机还包括超声主轴、超声刀具、主轴摆动模块、上移动机构、下移动机构、升降模块、驱动模块、加载机构，所述超声主轴安装在主轴摆动模块内，超声刀具安装在超声主轴下端，所述下移动机构固定在机架上，升降模块下部与下移动机构滑动连接，升降模块上部与上移动机构滑动连接，驱动模块上部放置待加工工件，驱动模块下部与机架的水平承载板连接，加载机构下部与待加工工件相接，加载机构一侧安装在机架上；

升降模块包括升降载台、齿轮、齿条、齿轮轴、轴承、紧定螺栓、扭盘、上移支柱，所述上移支柱与上移动机构的滑台接触，并用支柱底板支承进行固定，升降载台上有异型螺纹孔，紧定螺栓与所述升降载台上异型螺纹孔连接，升降载台上平面与上矩形导轨通过螺栓固定连接，上移机构的上移动滑台与水平承载板通过沉头螺栓相连；

加载机构包括扭盘、滚珠丝杠、丝杠螺母、丝杠支座组件、加载支架、弹簧压盖、弹簧，支撑螺母、滚针轴承，所述丝杠螺母端面与加载杆一端接触且加载杆同轴安装于丝杠螺母外璧，加载杆另一端与弹簧压盖平面接触挤压，弹簧压盖凹面与加压弹簧一端相接触挤压，加载弹簧另一端与支撑螺母小径端大端面接触挤压，支撑螺母大径端与加载盖子大径端相接触挤压且同轴安装于加载盖子小径端外壁；

驱动模块包括伺服电机、主同步轮、主动轴、从动轴，主锥齿轮、从锥齿轮、载料台、弹性挡圈，传动轴承，所述伺服电机与主轴用皮带轮连接，主动轴与从动轴之间通过锥齿轮组传输动力，锥齿轮组与从动轴之间的通过轴承定位圈定位；主动轴外壁同轴安装主锥齿轮，主动轴与主锥齿轮配合面部分为平面，螺栓通过主锥齿轮上定位孔压紧主动轴外平面，从动轴外壁同轴安装从锥齿轮，传动轴承连接主动轴及从同步轮，伺服电机的输出轴与同步轮内壁同轴安装，同步带一端与主同步轮外壁连接，另一端与从同步轮外壁连接，主动轴同轴安装在同步轮内壁，通过键槽传动，主动轴下方与圆锥滚子轴承内壁同轴安装，水平承载板上设有的轴承孔与圆锥滚子轴承外壁配合安装；主动轴上端面螺纹孔，载料板轴端设有通孔；

主轴摆动模块包括法兰、法兰连接板、摆动板、轴端压板，所述超声主轴上端面与法兰通过螺栓连接，法兰两侧设有螺纹孔，法兰连接板圆头端通过螺栓连接法兰侧端，法兰连接板平头端通过螺栓连接摆动板，摆动板与输出轴连接，并通过轴端压板轴端固定。

2.根据权利要求1所述的一种超声切削摩擦磨损试验机，其特征在于，竖直承载板安装在水平承载板上端面上，并通过肋板进行固定，竖直承载板上设有与电机支架连接的安装孔，伺服电机通过电机支架上的电机安装孔固定安装在电机支架上。

3.根据权利要求1所述的一种超声切削摩擦磨损试验机，其特征在于，所述加载支架与T字块两侧有螺纹孔，螺栓一端与加载支架T字块螺纹孔连接，另一端压紧固定垫片，丝杠组件通过螺栓固定连接在加载支架上；水平承载板上和固定板各设有4个支撑螺纹孔，用于固定板的安装固定，固定板上另设有4个安装螺纹孔，分别用于与T字块和T字支架固定连接，T字块和T字支架用于安装加载机构，固定加载机构径向位置。

4.根据权利要求1所述的一种超声切削摩擦磨损试验机，其特征在于，丝杠螺母端面与加载杆一端接触且加载杆同轴安装于丝杠螺母外璧，加载杆另一端与弹簧压盖平面接触挤压，弹簧压盖凹面与加压弹簧一端相接触挤压，加载弹簧另一端与支撑螺母小径端大端面接触挤压，支撑螺母大径端与加载盖子大径端相接触挤压且同轴安装于加载盖子小径端外壁。

5.根据权利要求1所述的一种超声切削摩擦磨损试验机，其特征在于，上移支柱嵌有齿条，齿条与齿轮配合安装，齿轮与齿轮轴外壁配合连接，滚珠轴承外圈安装在升降载台轴孔内，齿轮轴与滚珠轴承内圈配合并通过弹性挡圈对滚珠轴承轴向进行定位，齿轮轴的输入端与手轮通过键槽连接；主支架两面挖空，挖空面的对立面设有两个通孔，通孔处呈两圆柱状通孔，下端面设有螺纹孔四个。

6.使用权利要求1所述的超声切削摩擦磨损试验机仿真超声切削加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：选择直刃刀或圆刀进行超声切削加工试验，并在对应位置安装工件；

第二步：对加载模块的扭盘进行转动，调整到刀具切削加工时所需加载力大小；

第三步：转动摆角机构，调整到刀具切削所需摆角；

第四步：通过升降模块和移动模块调整刀具切削的切深和倾角；

第五步：设定好待加工工件转速，启动驱动机构，驱动机构带动锥齿轮组及待加工工件转动，超声刀具对待加工工件进行切削；

第六步：取下试样及超声刀具，通过显微镜观察工件表面质量以及刀具表面的磨损情况。

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