CN110355622A - 一种用于超声加工的复合振动砂轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超声加工的复合振动砂轮，具有内外两层磨环，且由连接法兰连接，在超声振动作用下，内外环可同时实现超声振动，充分发挥了超声辅助磨削的加工能力，可以提高生产效率；连接法兰形状及安装位置可根据外层磨环模态确定，以减少连接法兰在节圆、节径处的摩擦；连接法兰内侧与内层磨环锥面连接，减少了超声在界面间传递的损失，保证了超声传递的效率，同时提高了定位精度；内层磨环的轴向高度可调，通过调整内层磨环轴向的高度，可以改变内外层磨环的端面高度差，进而控制内层磨环的磨削深度，从而实现在一道工序中进行粗加工与精加工，提高生产效率；改变内外环的开槽形式，可以得到不同形式的超声振动，以满足不同的加工要求。

Description

一种用于超声加工的复合振动砂轮

技术领域

本发明涉及超声加工领域，具体地说是一种用于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等零件体现出较好的工艺优势，被认为是加工硬脆材料的有效途径。

砂轮是超声辅助磨削的重要工具，现有技术采用的砂轮通常为杯型砂轮。为了保证磨削时磨粒的线速度，杯型砂轮仅在最外圈有磨粒，中间部分的基体被去除，形成单层杯状结构，单层的杯型结构不能充分发挥砂轮在超声辅助磨削条件下的磨削能力，并且其振动形式比较单一，不利于加工质量的提升。在不改变现有砂轮结构形式的情况下，当砂轮直径较大时，砂轮内部的有效磨削区域比例变小。虽然加上超声辅助作用后能一定程度上改变磨削效果，但不能从根本上解决砂轮磨削效率和质量的进一步提升问题。此外，纵扭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纵扭复合振动。申请号为201621455642.1的专利公开了一种纵扭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。

发明内容

本发明的目的在于在加工硬脆性材料的过程中，提供一种用于超声加工的复合振动砂轮。本发明具有内外两层磨环，采用附件化的连接法兰连接，充分发挥了超声辅助磨削的加工能力，可以提高生产效率；连接法兰形状及安装位置可根据外层磨环模态更换，以减少在节圆、节点处的摩擦；从而实现在砂轮外径上获得不同振幅和振动模态的超声振动，同时抑制砂轮连接等其他位置的超声振动。连接法兰内侧与内层磨环锥面连接，减少了超声在界面间传递的损失，保证了超声传递的效率，同时提高了定位精度；内层磨环的轴向高度可调，通过调整内层磨环轴向的高度，可以改变内外层磨环的端面高度差，进而控制内层磨环的磨削深度，从而实现在一道工序中进行粗加工与精加工，提高生产效率；改变内外层磨环的开槽形式，可以得到不同形式的超声振动，以满足不同的加工要求，进一步提高加工质量。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于超声加工的复合振动砂轮，包括：

外层磨环，其上端具有中心锥孔和多个位于中心锥孔周向外侧的外层磨环通水孔，其下端具有与中心锥孔和外层磨环通水孔连通且下端敞开的外层磨环腔，与外层磨环腔所对应的外层磨环外壁具有多个与外层磨环腔连通的外层磨环斜槽，其中，外层磨环斜槽的槽口位于外层磨环下端面；

连接锥柄，其下端具有由中心锥孔伸入至外层磨环腔且与中心锥孔锥面配合的锥柄部，所述锥柄部位于外层磨环腔内的锥段外壁螺纹连接有锥形或圆螺母，所述螺母上端面与外层磨环腔上端内壁贴合；

外层磨环的中心为锥孔，在与连接锥柄的锥面配合时定心准确方便，能够使外层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；并且锥面连接在超声振动过程中具有自锁性，加工更安全。

连接法兰，其位于锥柄部外侧且固定在外层磨环腔上端内壁上，其具有中心锥形通孔；

以及，内层磨环，其上端具有中心孔和多个位于中心孔周向外侧的内层磨环通水孔，其下端具有与中心孔和内层磨环通水孔连通的内层磨环腔，所述内层磨环上侧外壁与中心锥形通孔锥面配合，传递振动并且定位，所述内层磨环下端面具有多个内层磨环排屑槽，所述中心孔上设有与所述锥柄部下端连接的螺钉，随着螺钉紧固力的增加，内层磨环上侧外壁对连接法兰的压力增加，连接法兰变形，中心锥形通孔向外扩张，内层磨环沿中心锥形通孔上滑，实现内层磨环的高度调节；锥面接触时，超声能量的传递效率高，解决了螺纹连接时内层磨环超声振动不良的问题。

所述外层磨环斜槽以所述外层磨环的轴线为轴均匀分布，且所述外层磨环斜槽的倾斜角度为0°～90°，宽度为1～10mm，槽深与槽宽的比值为1～10。外层磨环斜槽能够使变幅杆传递的纵向超声振动衍生出沿外层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，使磨粒轨迹更复杂，提高加工质量，并且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。

所述内层磨环排屑槽以所述内层磨环的轴线为轴均匀分布，方便散热与排屑；并且随着排屑槽形状的改变，内层磨环的超声振动形式也会改变。

所述外层磨环通水孔的位置与所述外层磨环节径模态时的节径位置重合。外层磨环在工作频率范围内有节圆式模态和节径式模态，节径环绕轴向均布。此时，外层磨环通水孔既能使磨削液进入内层磨环，同时起到减少无效振动引起的能量损失以及磨环减重的作用。

所述连接锥柄为由同轴的圆柱柄部和锥柄部构成的台阶轴，所述圆柱柄部位于所述锥柄部上端且用于与超声刀柄连接；

所述圆柱柄部外壁设有一段与退刀螺母连接的外螺纹；

所述锥柄部位于外层磨环腔内的锥段外壁具有工艺槽；

外层磨环与连接锥柄杆配合后，所述工艺槽上部位于中心锥孔内，所述工艺槽下部位于所述外层磨环腔内，所述工艺槽起到退刀槽的作用，并且当外层磨环与连接锥柄配合后，用锥形螺母将外层磨环紧固在锥面上，锥形螺母与外层磨环接触面所在平面恰好经过所述工艺槽，起到隔振和减少摩擦的作用。

所述连接法兰包括法兰端面和位于所述法兰端面下端的环形夹持部；

所述法兰端面具有与所述中心锥形通孔同轴的环槽，所述环槽沿所述连接法兰轴向延伸至所述夹持部且将所述法兰端面分隔成法兰内环端面和法兰外环端面，法兰内环端面比法兰外环端面低，保证锥面变形时内环端面有足够的运动空间。

所述环形夹持部具有延伸至法兰内环端面且构成所述中心锥形通孔的夹持部锥孔，所述环形夹持部周向均匀设置有多个直槽，所述直槽的延伸方向与所述连接法兰的轴向平行且槽口位于所述环形夹持部的下端面；

所述环槽和所述直槽的设置目的为减弱环形夹持部刚度，增加其变形能力。

所述夹持部锥孔的锥角为45°～90°。

当外层磨环在工作频率下的模态为节圆式时，采用上述连接法兰结构；当模态为节径式时，采用以下连接法兰结构：

所述法兰外环端面周向均匀设置有多个工艺隔离槽，且工艺隔离槽与所述外层磨环的节径位置对应；

所述工艺隔离槽呈扇形，深度为0.1mm～3mm，圆心角为0°～90°。

所述法兰外环端面与所述环形夹持部外壁之间设有圆角，所述圆角下端比所述环槽槽底低1mm以上，保证超声能量的传递。

所述退刀螺母具有与所述圆柱柄部间隙配合的导向孔和与所述外螺纹配合的内螺纹。安装时退刀螺母的内螺纹与连接锥柄上的外螺纹配合，导向孔与圆柱柄部间隙配合。退刀时旋转退刀螺母，即可将因锥面配合自锁的外层磨环顶开，方便磨环更换。

所述内层磨环下侧外壁设有环形凸起，所述环形凸起的上端面与所述圆柱形腔下端位于同一平面内，所述环形凸起的周向设有与内层磨环排屑槽连通的竖直槽；

所述内层磨环上侧外壁与所述环形凸起上端面之间设有退刀槽。

本发明所述砂轮在工作时超声能量经连接锥柄输入，一部分通过连接锥柄与外层磨环的配合锥面传递给外层磨环，并在外层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外层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连接法兰，经由连接法兰与内层磨环的连接锥面传递给内层磨环，使内层磨环也产生超声振动。

本发明既解决了复合振动砂轮超声能量传递问题，充分考虑了节圆、节径、节点处的摩擦，又解决了内外层磨环的轴向调整问题。可实现在一道工序中进行粗加工与精加工，提高生产效率，改变内外层磨环的开槽形式，可以得到不同形式的超声振动，以满足不同的加工要求，进一步提高加工质量。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是外层磨环的模态分析图(a.节圆模态，b.二节径模态)

图2是本发明的具体实施方式中用于超声加工的复合振动砂轮的整体结构示意图。

图3是本发明的具体实施方式中用于超声加工的复合振动砂轮的爆炸图。

图4是本发明的具体实施方式中用于超声加工的复合振动砂轮的主视图。

图5是图4中A-A向的剖视图。

图6是本发明的具体实施方式中连接法兰的两种形式的整体图(a.节圆式连接法兰；b.二节径式连接法兰)。

图7是图6中B-B向的剖视图。

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。

一种用于超声加工的复合振动砂轮，该结构包括退刀螺母10、连接锥柄20、外层磨环30、螺母40、连接法兰50、法兰紧固螺钉60、内层磨环70以及用于紧固内层磨环的垫片80和螺钉90。外层磨环30通过中心锥孔31与连接锥柄20配合，并用螺母40锁紧；连接法兰50通过四个螺钉60固定在外层磨环腔34上端内壁上，连接法兰50中心孔是一个锥度较小的中心锥形通孔，内层磨环70的上侧外壁通过锥面与中心锥形通孔配合，传递振动并且定位；内层磨环的固定则通过垫片80与螺钉90实现，螺钉90穿过垫片80和内层磨环的中心孔，紧固到连接锥柄20上。

在外层磨环30周向开有等间隔的外层磨环斜槽32，倾斜角度为0°～90°，宽度为1～10mm，槽深与槽宽的比值为1～10；斜槽能够使变幅杆传递的纵向超声振动衍生出沿外层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，使磨粒轨迹更复杂，提高加工质量。并且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。在内层磨环70下端周向开有等间隔的内层磨环排屑槽73，方便散热与排屑。

外层磨环30上有四个均布的外层磨环通水孔33，其位置与外层磨环30二节径模态时的节径位置重合。图1为外层磨环的模态分析图，外层磨环在工作频率范围内有节圆式模态和二节径式模态，二节径环绕轴向均布。此时，外层磨环通水孔33既能使磨削液进入内层磨环，同时起到减少无效振动引起的能量损失以及砂轮减重的作用。

外层磨环30的中心锥孔31在与连接锥柄的锥面配合时定心准确方便，能够使外层磨环30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；并且锥面连接在超声振动过程中具有自锁性，加工更安全。

如图2～5，连接锥柄20为由同轴的圆柱柄部和锥柄部构成的台阶轴。圆柱柄部用于与超声刀柄连接；在圆柱柄部上有一段外螺纹，用以连接退刀螺母10。锥柄部有一段锥螺纹，锥螺纹上端有一个工艺槽22，槽宽为2mm，深度为1mm；工艺槽22既起到退刀槽的作用，并且当外层磨环与连接锥柄20配合后，用螺母40将外层磨环30紧固在锥面上，螺母40与外层磨环30接触面所在平面恰好经过所述工艺槽22，起到隔振和减少摩擦的作用，如图5；连接锥柄20上加工螺纹孔21，用以与螺钉90连接，紧固内层磨环70。

如图6～7，连接法兰50有不同形式可选。如图1，分析外层磨环30在工作频率下的模态，当模态为节圆式时，采用图6中节圆式连接法兰；当模态为二节径式时，采用图6中二节径式连接法兰。

a.节圆式连接法兰的内环面是一个锥面51，即中心锥形通孔，锥角为45°～90°。所述节圆式连接法兰包括法兰端面和位于所述法兰端面下端的环形夹持部；所述法兰端面具有与所述中心锥形通孔同轴的环槽53，所述环槽53沿所述节圆式轴向延伸至所述夹持部且将所述法兰端面分隔成法兰内环端面54和法兰外环端面55，法兰内环端面54比法兰外环端面55低，保证锥面变形时法兰内环端面54有足够的运动空间。所述环形夹持部具有延伸至法兰内环端54面且构成所述中心锥形通孔的夹持部锥孔，所述环形夹持部周向均匀设置有多个直槽52，所述直槽52的延伸方向与所述节圆连接法兰的轴向平行且槽口位于所述环形夹持部的下端面；所述直槽52和所述环槽53，用以减弱所述节圆连接法兰刚度，增加其变形能力。

b.二节径式连接法兰比节圆式连接法兰多四个工艺隔离槽56，四个工艺隔离槽56绕轴向均布，与外层磨环30节径位置对应；工艺隔离槽56为扇形，深度为0.1mm～3mm，圆心角为0°～90°。

所述法兰外环端面55与所述环形夹持部外壁之间设有圆角57，所述圆角57下端比所述环槽53槽底低1mm以上，保证超声能量的传递。

所述内层磨环30上侧外壁与中心锥形通孔锥面配合，安装时将这两个面配合，即可对内层磨环70进行定位；用垫片80和螺钉90将内层磨环70紧固在连接锥柄20上；随着紧固力的增加，内层磨环70上侧外壁对连接法兰50的压力增加，连接法兰50变形，中心锥形通孔向外扩张，内层磨环70沿中心锥形通孔上滑，实现内层磨环70的高度调节；锥面接触时，超声能量的传递效率高，解决了螺纹连接时内层磨环70超声振动不良的问题。内层磨环70上开有4个通水孔72，使磨削液能进入内层磨环腔74，进而进入磨削区域；在内层磨环70下端面周向开有内层磨环排屑槽73，方便散热与排屑，并丰富内层磨环的振型。

所述内层磨环70下侧外壁设有环形凸起75，所述环形凸起75的上端面与所述圆柱形腔下端位于同一平面内，所述环形凸起75的周向设有与内层磨环排屑槽73连通的竖直槽；

所述内层磨环70上侧外壁与所述环形凸起75上端面之间设有退刀槽76。

如图5，退刀螺母10中间有一段导向孔11和一段内螺纹。安装时退刀螺母10的内螺纹与连接锥柄20上的外螺纹配合，导向孔11与连接锥柄20的圆柱柄部小间隙配合。退刀时旋转退刀螺母10，即可将因锥面配合自锁的外层磨环30顶开，方便砂轮更换。

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 (10)

1.一种用于超声加工的复合振动砂轮，其特征在于，包括：

外层磨环，其上端具有中心锥孔和多个位于中心锥孔周向外侧的外层磨环通水孔，其下端具有与中心锥孔和外层磨环通水孔连通且下端敞开的外层磨环腔，与外层磨环腔所对应的外层磨环外壁具有多个与外层磨环腔连通的外层磨环斜槽，其中，外层磨环斜槽的槽口位于外层磨环下端面；

连接锥柄，其下端具有由中心锥孔伸入至外层磨环腔且与中心锥孔锥面配合的锥柄部，所述锥柄部位于外层磨环腔内的锥段外壁螺纹连接有锥形或圆螺母，所述螺母上端面与外层磨环腔上端内壁贴合；

连接法兰，其位于锥柄部外侧且固定在外层磨环腔上端内壁上，其具有中心锥形通孔；

以及，内层磨环，其上端具有中心孔和多个位于中心孔周向外侧的内层磨环通水孔，其下端具有与中心孔和内层磨环通水孔连通的内层磨环腔，所述内层磨环上侧外壁与中心锥形通孔锥面配合，所述内层磨环下端面具有多个内层磨环排屑槽，所述中心孔上设有与所述锥柄部下端连接的螺钉。

2.根据权利要求1所述的用于超声加工的复合振动砂轮，其特征在于，所述外层磨环斜槽以所述外层磨环的轴线为轴均匀分布，且所述外层磨环斜槽的倾斜角度为0°～90°，宽度为1～10mm，槽深与槽宽的比值为1～10。

3.根据权利要求1所述的用于超声加工的复合振动砂轮，其特征在于，所述内层磨环排屑槽以所述内层磨环的轴线为轴均匀分布。

4.根据权利要求1所述的用于超声加工的复合振动砂轮，其特征在于，所述外层磨环通水孔的位置与所述外层磨环节径模态时的节径位置重合。

5.根据权利要求1所述的用于超声加工的复合振动砂轮，其特征在于，所述连接锥柄为由同轴的圆柱柄部和锥柄部构成的台阶轴，所述圆柱柄部位于所述锥柄部上端且用于与超声刀柄连接；

所述圆柱柄部外壁设有一段与退刀螺母连接的外螺纹；

所述锥柄部位于外层磨环腔内的锥段外壁具有工艺槽；

外层磨环与连接锥柄杆配合后，所述工艺槽上部位于中心锥孔内，所述工艺槽下部位于所述外层磨环腔内。

6.根据权利要求1所述的用于超声加工的复合振动砂轮，其特征在于，所述连接法兰包括法兰端面和位于所述法兰端面下端的环形夹持部；

所述法兰端面具有与所述中心锥形通孔同轴的环槽，所述环槽沿所述连接法兰轴向延伸至所述夹持部且将所述法兰端面分隔成法兰内环端面和法兰外环端面，法兰内环端面比法兰外环端面低。

所述环形夹持部具有延伸至法兰内环端面且构成所述中心锥形通孔的夹持部锥孔，所述环形夹持部周向均匀设置有多个直槽，所述直槽的延伸方向与所述连接法兰的轴向平行且槽口位于所述环形夹持部的下端面；

所述夹持部锥孔的锥角为45°～90°。

7.根据权利要求6所述的用于超声加工的复合振动砂轮，其特征在于，所述法兰外环端面周向均匀设置有多个工艺隔离槽，且工艺隔离槽与所述外层磨环的节径位置对应；

所述工艺隔离槽呈扇形，深度为0.1mm～3mm，圆心角为0°～90°。

8.根据权利要求6或7所述的用于超声加工的复合振动砂轮，其特征在于，所述法兰外环端面与所述环形夹持部外壁之间设有圆角，所述圆角下端比所述环槽槽底低1mm以上。

9.根据权利要求5所述的用于超声加工的复合振动砂轮，其特征在于，所述退刀螺母具有与所述圆柱柄部间隙配合的导向孔和与所述外螺纹配合的内螺纹。

10.根据权利要求1所述的用于超声加工的复合振动砂轮，其特征在于，所述内层磨环下侧外壁设有环形凸起，所述环形凸起的上端面与所述圆柱形腔下端位于同一平面内，所述环形凸起的周向设有与内层磨环排屑槽连通的竖直槽；

所述内层磨环上侧外壁与所述环形凸起上端面之间设有退刀槽。