CN110315445B - 一种用于高效超声加工的复合振动砂轮 - Google Patents
一种用于高效超声加工的复合振动砂轮 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于高效超声加工的复合振动砂轮,包括:杯型超声磨环,其上端具有中心锥孔和位于中心锥孔周向外侧的集水槽,其下端具有与中心锥孔连通且下端敞开的砂轮腔,与砂轮腔所对应的杯型超声磨环外壁具有多个与砂轮腔连通的斜槽,其中,集水槽具有多个与砂轮腔连通的通水孔,斜槽的槽口位于杯型超声磨环下端面;超声传振杆,其下端具有由中心锥孔伸入至砂轮腔且与中心锥孔锥面配合的锥柄,锥柄位于砂轮腔内的锥段外壁螺纹连接有紧固螺母,紧固螺母上端面与砂轮腔上端内壁贴合;以及,超声振动盘,其位于砂轮腔内且上端面与锥柄下端面贴合连接。本发明便捷的实现了砂轮的复合振动,并且利用超声振动进行主动冷却,提高了磨削效率。
Description
技术领域
本发明涉及超声加工领域,具体地说是一种用于高效超声加工的复合振动砂轮。
背景技术
随着航空、航天工业的发展,陶瓷、碳化硅复材等硬度高、脆性强的材料得到越来越广泛的应用。这类材料通常具有优良的化学及物理性能,在制造精密零件或者恶劣的工作环境下能发挥出良好的效果。但是由于材料的硬脆特性,导致其加工难度较大,加工时材料易破碎,磨削区域温度高,刀具磨损严重。因此,为了保证加工质量和效率,需要一种合适的加工方法来满足生产的需求。
超声辅助磨削技术是将超声振动与普通砂轮磨削结合的一种新型特种加工技术。实践表明,超声辅助磨削可改变材料去除机理,使得加工过程具有切削力小、切削热低、刀具耐用度高、加工效率高、加工表面质量好等特点;对硬脆材料、形状复杂的型腔和型面以及薄壁、低刚度等零件体现出较好的工艺优势,被认为是加工高硬度硬脆材料的有效途径。
复合振动的超声辅助磨削技术在难加工或硬脆材料的加工上表现出更高的加工质量和加工效率,适用于更复杂的三维空间零件加工,表现出更好的加工工艺性。
现有的技术中,通常是采用特殊结构的变幅杆来实现复合振动。申请号为201621455642.1的专利公开了一种复合振动的超声变幅杆,所采用的技术方案为通过圆柱-圆锥-圆柱放大,再通过传振杆上开设的圆环斜槽转换成纵向振动波形和横向振动波形,最后变幅杆末端振动形式即为纵扭共振。但是变幅杆精度要求较高,加工特殊结构难度大,成本高,并不适合大范围推广。
磨削过程产生大量磨削热,散热效率的高低直接影响加工效率和加工质量。现有技术中,有采用隔膜的主动散热砂轮,申请号201510449586.4的专利公开了一种主动散热砂轮,所采用的技术方案是使用隔膜将砂轮内部分成两个腔体,依靠加工中产生的振动使两个腔体的气体流动,达到主动散热的效果。但是磨削过程中产生的振动频率低且能量小,不能有效的推动气体的流动;并且气体的散热的效果有限,不如冷却液的散热能力强。
发明内容
本发明的目的在于在加工硬脆性材料的过程中,提供一种用于高效超声加工的复合振动砂轮,在实现砂轮的复合振动的同时利用超声振动的特性进行主动冷却,提高了散热效率。基于上述目的,反复进行了用于解决上述技术问题的研讨,发现下述技术从而完成本发明:通过在砂轮上设置斜槽,使超声振动衍生出沿砂轮切向的超声振幅,使单一的纵向超声振动变为复合振动,使磨粒轨迹更复杂,提高加工效率和质量;
并且,还发现下述技术从而完成本发明:通过在砂轮腔内设置超声振动盘,使得磨削液从砂轮外流入砂轮腔后,一部分在超声雾化作用下雾化打散,另一部分因离心力作用流到砂轮腔内壁,使磨削液在砂轮内外均有分布,充分带走磨削产生的热量,降低磨削温度,提高加工效率。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种用于高效超声加工的复合振动砂轮,包括:
超声传振杆,杯型超声磨环,超声振动盘和紧固螺母,四部分共同组成本专利所述的高效超声加工的复合振动砂轮。
超声传振杆下端外壁具有的外锥面与杯型超声磨环上端具有的中心锥孔内锥面配合并传振,通过紧固螺母预紧,保证锥面配合紧密;
超声振动盘具有的外螺纹与超声传振杆下端具有的内螺纹连接,通过超声传振杆下端面传递超声振动。
所述杯型超声磨环,其上端具有所述中心锥孔和位于所述中心锥孔周向外侧的集水槽,其下端具有与所述中心锥孔连通且下端敞开的砂轮腔,与砂轮腔所对应的杯型超声磨环外壁具有多个与砂轮腔连通的斜槽,其中,集水槽具有多个与砂轮腔连通的通水孔,斜槽的槽口位于杯型超声磨环下端面;
所述斜槽以所述杯型超声磨环的轴线为轴均匀分布,所述斜槽使超声振动衍生出沿所述杯型超声磨环切向的超声振幅,使单一的纵向超声振动变为复合振动,使磨粒轨迹更复杂,提高加工效率和质量;
且所述斜槽的倾斜角度为0°~90°,宽为1~10mm,槽深与槽宽的比值为1~10。斜槽比直槽面积更大,散热效果更好,更有利于降低磨削区域的温度,有利于磨屑的排出。
所述斜槽呈直线型、C型或S型。
所述超声传振杆为由同轴的圆柱柄和锥柄构成的台阶轴,所述圆柱柄位于所述锥柄上端且用于与超声刀柄连接;
所述锥柄外壁具有所述外锥面;
所述锥柄下端具有所述内螺纹;
所述超声传振杆,其下端具有由所述中心锥孔伸入至所述砂轮腔且与所述中心锥孔锥面配合的所述锥柄,所述锥柄位于所述砂轮腔内的锥段外壁螺纹连接有所述紧固螺母,所述紧固螺母上端面与所述砂轮腔上端内壁贴合;杯型超声磨环的中心为锥孔,在与超声传振杆配合时定心方便,能够使杯型超声磨环与主轴有较好的同轴度;锥面连接更为紧密,在传递超声振动时能减小能量的损失,从而减小热量的产生,提高加工的效率;锥面连接在超声振动过程中具有自锁性,保证加工的安全。当杯型超声磨环与锥柄配合后,用紧固螺母将杯型超声磨环紧固在锥面上;
所述紧固螺母紧固后,锥柄下端仍伸出紧固螺母端面,保证超声振动盘能够与锥柄下端紧密贴合。
所述锥柄位于砂轮腔内的锥段外壁具有退刀槽,超声杯型磨环与超声传振杆配合后,所述退刀槽上部位于中心锥孔内,所述退刀槽下部位于所述砂轮腔内,所述退刀槽既起到退刀的作用,并且当杯型超声磨环与锥柄配合后,用紧固螺母将杯型超声磨环紧固在锥面上,紧固螺母与杯型超声磨环接触面所在平面恰好经过退刀槽,退刀槽起到隔振和减少摩擦的作用。
所述锥柄下端具有与所述锥柄同轴的环形隔振槽,所述环形隔振槽宽为0.5~1mm,深度为10~15mm。环形隔振槽使超声的能量分成两部分,一部分传到杯型超声磨环上,另一部分传到超声振动盘。根据变截面杆纵振的波动方程,开隔振槽后超声传振杆与超声振动盘在端面接触的截面积变小,能量密度增加,超声振动得到加强。
所述超声传振杆有贯通轴线的中心孔,起到内冷孔的作用,方便磨削液从中心进入超声杯型磨环腔内。
所述超声振动盘,其位于砂轮腔内且上端面通过螺栓与所述锥柄下端面贴合连接,所述螺栓与所述超声振动盘为一体结构或分体结构;
所述螺栓具有所述外螺纹;
所述超声振动盘上端面具有与所述锥柄下端相匹配的安装槽和位于安装槽外侧的直槽、曲槽、螺旋槽,以及孔阵和筋板等结构,以改善超声振动并加强离心作用;
所述超声振动盘中有贯通轴线的内冷孔,与超声传振杆的中心孔相通,使磨削液能进入超声杯型磨环腔内,增强冷却润滑能力。
所述杯型超声磨环与所述超声传振杆的配合位置为超声振动的节点位置,能够减少能量传递过程中的损失。
所述中心锥孔具有外凸于所述杯型超声磨环上端的外凸孔壁,所述锥柄的上端高于所述外凸孔壁上端。
所述集水槽呈环形,用来收集磨削液;
所述通水孔位于所述集水槽的槽底且均匀分布,使所述集水槽中的磨削液流入砂轮腔内,被超声振动盘承接。
所述超声振动盘的直径大于所述集水槽的直径,当磨削液经由通水孔流到超声振动盘后,一方面超声雾化作用将一部分磨削液雾化打散,另一方面多余的磨削液因离心力作用流到砂轮腔内壁,使磨削液在杯型超声磨环内外均有分布,充分带走磨削产生的热量,降低磨削温度,提高加工效率。
本发明所述砂轮在工作时超声能量经超声传振杆输入,一部分通过超声传振杆与杯型超声磨环的配合锥面传递给杯型超声磨环,并在杯型超声磨环斜槽的作用下使变幅杆传递的纵向超声振动衍生出沿杯型超声磨环切向的超声振幅,使单一的纵向超声振动变为纵扭复合振动;另一部分超声能量则通过超声传振杆端面传递给超声振动盘,使超声振动盘也产生超声振动。
本发明便捷的实现了砂轮的复合振动,并且利用超声振动进行主动冷却,增强了散热能力,提高了磨削效率。
基于上述理由本发明可在超声加工等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的实施例1中一种用于高效超声加工的复合振动砂轮的整体结构示意图。
图2是图1中A-A处的半剖结构示意图。
图3是本发明的实施例1中一种用于高效超声加工的复合振动砂轮的爆炸示意图。
图4是本发明的实施例2中一种用于高效超声加工的复合振动砂轮的爆炸示意图。
图5是超声振动盘的其他结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-3所示,一种用于高效超声加工的复合振动砂轮,包括超声传振杆10、杯型超声磨环20、紧固螺母30以及超声振动盘40。杯型超声磨环20具有中心锥孔、集水槽21、通水孔22和周向布置的斜槽23;超声传振杆10由中心锥孔伸入至砂轮腔24内的锥柄外壁攻有锥螺纹,通过紧固螺母30与杯型超声磨环20连接,同时锥柄攻有内螺纹连接超声振动盘40;超声振动盘40紧固在超声传振杆10上,与超声传振杆10下端锥柄端面紧密贴合,能够很好的传递超声振动。
在杯型超声磨环20周向开有等间隔的斜槽23,斜槽23为直线型,斜槽23的槽口位于杯型超声磨环20下端面,能够使变幅杆传递的纵向超声振动衍生出沿杯型超声磨环20切向的超声振幅,使单一的纵向超声振动变为复合振动,使磨粒轨迹更复杂,提高加工质量。并且斜槽23比直槽面积更大,散热效果更好,更有利于降低磨削区域的温度。斜槽23倾斜角度为0°~90°,宽度为1~10mm,槽深与槽宽的比值为1~10。
杯型超声磨环20的中心为锥孔,在与超声传振杆10的连接锥面12配合时定心准确方便,能够使杯型超声磨环20与主轴有较好的同轴度;锥面连接更为紧密,在传递超声振动时能减小能量的损失,从而减小热量的产生,提高加工的效率;锥面连接在超声振动过程中具有自锁性,加工更安全。
如图1,在杯型超声磨环20上端面开有环形集水槽21,集水槽截面为梯形,用来收集磨削液;在集水槽21底部,等间距的打有4个通水孔22,通水孔22贯穿杯型超声磨环20与砂轮腔24连通,使集水槽21中的磨削液流入砂轮腔24内。
如图2,超声传振杆10由同轴的一段圆柱柄和一段锥柄构成的阶梯轴,圆柱柄用于连接超声刀柄。锥柄有一段锥螺纹,当砂杯型超声磨环20与超声传振杆10配合后,用紧固螺母30将杯型超声磨环20紧固在锥面上;
锥柄上加工了隔振槽11,隔振槽11为环形,宽度为0.5~1mm,深度为10~15mm,隔振槽11使超声的能量分成两部分,一部分传到杯型超声磨环20上,另一部分传到超声振动盘40,根据变截面杆纵振的波动方程,开隔振槽后超声传振杆与超声振动盘在端面接触的截面积变小,能量密度增加,超声振动得到加强;锥柄上打有内螺纹孔,用来连接超声振动盘40。超声传振杆有贯通轴线的中心孔15,起到内冷孔的作用,方便磨削液从中心进入超声杯型磨环腔内。
所述锥柄位于砂轮腔24内的锥段外壁具有退刀槽14,所述退刀槽14上部位于中心锥孔内,所述退刀槽14下部位于所述砂轮腔24内;退刀槽14既起到退刀的作用,并且当杯型超声磨环20与锥柄配合后,用紧固螺母30将杯型超声磨环20紧固在锥面上,紧固螺母30与杯型超声磨环20接触面所在平面恰好经过退刀槽14,起到隔振和减少摩擦的作用。
杯型超声磨环20与超声传振杆10配合后,其位置恰好是超声振动的节点,能够减少能量传递过程中的损失;紧固螺母30紧固后,超声传振杆10的端面仍伸出与紧固螺母30下端面,保证超声振动盘40能够与超声传振杆10端面紧密贴合。
超声振动盘40的直径大于集水槽21的直径,当磨削液经由通水孔22流到超声振动盘40后,一方面超声雾化作用将一部分磨削液雾化打散,另一方面多余的磨削液因离心力作用流到砂轮腔24内壁,使磨削液在杯型超声磨环20内外均有分布,充分带走磨削产生的热量,降低磨削温度,提高加工效率。
超声振动盘40上设有工艺孔41,方便其安装;超声振动盘40有贯通轴线的内冷孔42,与超声传振杆的中心孔15相通,使磨削液能进入超声杯型磨环腔内,增强冷却润滑能力。
实施例2
如图4所示,一种用于高效超声加工的复合振动砂轮,其与实施例1所公开的一种用于高效超声加工的复合振动砂轮的区别特征为,所述斜槽23为C型,所述超声振动盘40通过螺栓60与所述锥柄下端面贴合连接,所述螺栓60与所述超声振动盘40为分体结构,所述螺栓60的螺头与所述超声振动盘40之间设有垫片50,所述超声振动盘40上端面具有环形分布的槽。
所述超声振动盘40上端面也可加其他形式的槽、孔阵及筋板等结构以改变振动,如图5。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种用于高效超声加工的复合振动砂轮,其特征在于:包括:
超声传振杆,杯型超声磨环,超声振动盘和紧固螺母;
超声传振杆下端外壁具有的外锥面与杯型超声磨环上端具有的中心锥孔内锥面配合并传振,通过紧固螺母预紧,保证锥面配合紧密;
超声振动盘具有的外螺纹与超声传振杆下端具有的内螺纹连接,通过超声传振杆下端面传递超声振动;
所述杯型超声磨环,其上端具有所述中心锥孔和位于所述中心锥孔周向外侧的集水槽,其下端具有与所述中心锥孔连通且下端敞开的砂轮腔,与砂轮腔所对应的杯型超声磨环外壁具有多个与砂轮腔连通的斜槽,其中,集水槽具有多个与砂轮腔连通的通水孔,斜槽的槽口位于杯型超声磨环下端面;
斜槽以杯型超声磨环的轴线为轴均匀分布,且所述斜槽的倾斜角度为0°~90°,宽为1~10mm,槽深与槽宽的比值为1~10;
所述斜槽呈直线型、C型或S型。
2.根据权利要求1所述的用于高效超声加工的复合振动砂轮,其特征在于,
所述超声传振杆为由同轴的圆柱柄和锥柄构成的台阶轴,所述圆柱柄位于所述锥柄上端且用于与超声刀柄连接;
所述锥柄外壁具有所述外锥面;
所述锥柄下端具有所述内螺纹;
所述超声传振杆,其下端具有由所述中心锥孔伸入至所述砂轮腔且与所述中心锥孔锥面配合的锥柄,所述锥柄位于所述砂轮腔内的锥段外壁螺纹连接有所述紧固螺母,所述紧固螺母上端面与所述砂轮腔上端内壁贴合;
所述锥柄位于砂轮腔内的锥段外壁具有退刀槽,超声杯型磨环与超声传振杆配合后,所述退刀槽上部位于中心锥孔内,所述退刀槽下部位于所述砂轮腔内;
所述锥柄下端具有与所述锥柄同轴的环形隔振槽,所述环形隔振槽宽为0.5~1mm,深度为10~15mm;
所述超声传振杆有贯通轴线的中心孔。
3.根据权利要求2所述的用于高效超声加工的复合振动砂轮,其特征在于,所述超声振动盘,其位于砂轮腔内且上端面通过螺栓与所述锥柄下端面贴合连接,所述螺栓与所述超声振动盘为一体结构或分体结构;
所述螺栓具有所述外螺纹;
所述超声振动盘上端面具有与所述锥柄下端相匹配的安装槽和位于安装槽外侧的直槽、曲槽、螺旋槽,以及孔阵和筋板结构;
所述超声振动盘中有贯通轴线的内冷孔,与超声传振杆的中心孔相通。
4.根据权利要求1所述的用于高效超声加工的复合振动砂轮,其特征在于,所述杯型超声磨环与所述超声传振杆的配合位置为超声振动的节点位置。
5.根据权利要求2所述的用于高效超声加工的复合振动砂轮,其特征在于,所述中心锥孔具有外凸于所述杯型超声磨环上端的外凸孔壁,所述锥柄的上端高于所述外凸孔壁上端。
6.根据权利要求1所述的用于高效超声加工的复合振动砂轮,其特征在于,所述集水槽呈环形;
所述通水孔位于所述集水槽的槽底且均匀分布。
7.根据权利要求6所述的用于高效超声加工的复合振动砂轮,其特征在于,所述超声振动盘的直径大于所述集水槽的直径。
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