CN110871370A - 一种超声振动辅助砂带磨削设备 - Google Patents

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袁吕杰
段练
黄云
吕冲
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Abstract

本发明公开了一种超声振动辅助砂带磨削设备，包括砂带、砂带驱动装置以及磨削加工装置，砂带驱动装置包括用以带动砂带移动的驱动机构和用以张紧砂带的辅助轮系，磨削加工装置包括用以支撑砂带与工件相接触的磨头和与磨头相连、用以驱动磨头沿进行纵向振动和横向振动的振动机构。超声振动辅助砂带磨削设备在进行磨削加工时，振动机构能够带动磨头进行纵向和横向的振动，横向振动和纵向振动使砂带上的磨粒在垂直砂带移动方向的平面内移动，配合砂带的移动使磨粒相对工件形成三维的加工轨迹，进而使得单颗磨粒刻划沟槽较宽，可大大增加材料去除率，同时提高砂带的使用效率，延长砂带的使用寿命。

Description

一种超声振动辅助砂带磨削设备
技术领域
本发明涉及技术领域，特别涉及一种超声振动辅助砂带磨削设备。
背景技术
钛合金、高温合金、复合材料、工程陶瓷等材料具有比重小、强度高、耐蚀性好、耐热性高等优点而被广泛用于航空航天、舰船、精密仪器等领域。同时，这类材料的性质使得其难以行加，而且加工后工件的质量也难以保证。而航空航天、舰船、精密仪器等领域对工件的精度、表面完整性及产品一致性等均要求极高。
砂带磨削是以砂带为磨具对工件表面进行加工的一种弹性磨削的加工方式。相比砂轮磨削砂带磨削的材料去除率更高、加工后工件的表面质量更好。除此之外，砂带磨削的显著优点是其却有冷态切削的性质，在加工钛合金等难加工材料时，能够及时传递磨削热，防止烧伤零件或使材料在高温下发生反应等不良影响。另外，在硬脆材料精密加工方面，国内外研究报道证明了砂带磨削的优良性能。
超声振动辅助加工技术因具有切削力小、切削热低、加工稳定且加工质量高，同时生产效率高等一系列优点，能很好地解决难加工材料及对表面质量要求高的零件的加工问题，受到国内外专家和学者的广泛关注。但传统的超声振动辅助加工较多采用单一振动形式，其在磨削工件时仍存在材料去除率低、砂带使用寿命短等问题。
因此，如何提高磨削过程中的材料去除率、延长砂带的使用寿命是本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种超声振动辅助砂带磨削设备，其振动机构能够带动磨头进行纵向和横向振动，从而提高了材料去除率、延长了砂带的使用寿命。
为实现上述目的，本发明提供一种超声振动辅助砂带磨削设备，包括：
砂带；
砂带驱动装置，所述砂带驱动装置包括用以带动所述砂带移动的驱动机构和用以张紧所述砂带的辅助轮系；
磨削加工装置，所述磨削加工装置包括用以支撑所述砂带与工件相接触的磨头和与所述磨头相连、用以驱动所述磨头进行纵向振动和横向振动的振动机构。
优选地，所述磨削加工装置包括用以固定所述振动机构的支架，所述振动机构包括沿轴向设置在所述磨头上方的纵向换能器和横向换能器，所述纵向换能器和所述横向换能器与所述支架的下端相连。
优选地，所述振动机构包括与所述磨头相连的变幅杆，与所述变幅杆相连的前端盖、中端盖以及后端盖，所述纵向换能器位于所述前端盖和所述中端盖之间，所述横向换能器位于所述中端盖和所述后端盖之间。
优选地，所述纵向换能器包括两块圆形压电陶瓷和两片圆形铜片，两块所述圆盘形压电陶瓷沿轴向设置，两片所述圆形铜片分别位于两所述圆盘形压电陶瓷之间以及所述圆盘形压电陶瓷和所述前端盖之间。
优选地，所述横向换能器包括4块半圆形压电陶瓷和4片半圆形铜片，4块所述半圆形压电陶瓷拼合成两个、且沿轴向分布的圆形结构，4片所述半圆形铜片能够拼合成两片分别位于两所述圆形结构之间和所述圆形结构和所述中端盖之间的圆片结构，所述圆形结构和所述圆片结构的断面均平行所述砂带的移动方向。
优选地，所述变幅杆为圆锥形变幅杆，所述圆锥形变幅杆与所述前端盖为一体成型结构件。
优选地，所述磨头的端部设有用以支撑所述砂带的接触轮，所述接触轮为橡胶轮。
优选地，所述磨削加工装置还包括用以调节所述磨头和工件之间压紧力的浮动压力控制机构。
优选地，所述浮动压力控制机构包括固定设置的花键座，所述花键座具有沿竖直方向贯穿的通孔，所述通孔的上端设有螺母带轮，所述通孔中设有与所述螺母带轮螺纹配合的丝杠，所述通孔的下端设有与所述支架相连的花键轴，所述花键轴与所述丝杠通过拉簧相连，所述浮动压力控制机构还包括用以带动所述螺母带轮转动的浮动压力调节电机。
优选地，所述通孔中设有用以限制所述丝杠行程的限位块，所述丝杠设有用以与所述限位块相配合的限位槽。
本发明所提供的超声振动辅助砂带磨削设备，包括砂带、砂带驱动装置以及磨削加工装置，砂带驱动装置包括用以带动砂带移动的驱动机构和用以张紧砂带的辅助轮系，磨削加工装置包括用以支撑砂带与工件相接触的磨头和与磨头相连、用以驱动磨头沿进行纵向振动和横向振动的振动机构。
超声振动辅助砂带磨削设备在进行磨削加工时，振动机构能够带动磨头进行纵向和横向的振动，横向振动和纵向振动使砂带上的磨粒在垂直砂带移动方向的平面内移动，配合砂带的移动使磨粒相对工件形成三维的加工轨迹，进而使得单颗磨粒刻划沟槽较宽，可大大增加材料去除率，同时提高砂带的使用效率，延长砂带的使用寿命。
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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的超声振动辅助砂带磨削设备的结构示意图；
图2为浮动压力控制机构的结构示意图；
图3为振动机构与磨头相连的结构示意图；
图4为振动机构与磨头的剖视图；
图5为砂带驱动机构的结构示意图；
图6为张紧轮的结构示意图。
其中，图1至图6中的附图标记为：
浮动压力控制机构1、支架2、振动机构3、磨头4、砂带5、支撑板6、张紧轮7、驱动机构8、支撑座9、丝杠11、螺母带轮12、花键座13、拉簧14、花键轴15、浮动压力调节电机16、输出齿轮17、齿形带18、限位块19、前端盖31、中端盖32、后端盖33、变幅杆34、连接螺栓35、圆盘形压电陶瓷36～37、圆形铜片38～39、半圆形压电陶瓷310～313、半圆形铜片314～317、接触杆41、旋转轴42、接触轮43、定位槽71、定位壁72、固定螺栓73、固定螺母74、驱动轮81、轮毂82、连接套83、驱动电机84。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图6，图1为本发明所提供的超声振动辅助砂带磨削设备的结构示意图；图2为浮动压力控制机构的结构示意图；图3为振动机构与磨头相连的结构示意图；图4为振动机构与磨头的剖视图；图5为砂带驱动机构的结构示意图；图6为导向轮的结构示意图。
本发明所提供的超声振动辅助砂带磨削设备，结构如图1所示，包括砂带5、砂带驱动装置以及磨削加工装置。砂带5通常为环形、并围绕在砂带驱动装置和磨削加工装置的磨头4外周，磨削加工装置用于支撑砂带5，使其与待加工的工件相接触，砂带驱动装置包括用于带动砂带5移动的驱动机构8和用于张紧砂带5的辅助轮系。加工过程中，砂带5受磨头4的支撑与工件贴合，同时驱动机构8带动砂带5移动，使砂带5对待加工的工件进行磨削。并且辅助轮系将砂带5张紧，保证驱动机构8能够带动砂带5移动。其中，磨头4支撑砂带5与工件接触，磨头4的运动轨迹直接影响砂带5磨削的轨迹，而砂带5磨削的轨迹对磨削效果具有较大的影响。因而，磨削加工装置用于带动磨头4进行纵向振动和横向振动的振动机构3。
具体的，纵向振动是指磨头4沿垂直砂带5的方向移动。磨削过程中进行纵向振动能够使砂带5与工件之间形成高能交互，磨粒对工件同时进行锤击与磨削加工，可有效增加磨削深度，使得工件表面形成残余压应力，从而提高工件的承载能力和疲劳强度。另外，砂带5对工件产生的高频冲击作用使得磨削深度增加，同时材料产生微塑性变形，进而在工件的加工表面上形成大量鳞状微裂纹，配合砂带5平行加工表面的移动，使加工表面上的材料便于去除提高砂带5的磨削力。
进一步的，在加工硬脆材料时，纵向振动使得磨削过程中部分磨粒与工件材料发生分离，分离过程的存在一方面可以减小磨粒与工件材料的接触时间，改善粘结现象，另一方面方便冷却液进入加工区域，降低加工区温度和磨粒与工件材料间的摩擦强度，可以更好的改善加工表面局部破碎的状况以及抑制材料内部微观裂纹的产生，有效提高磨削表面质量。
横向振动是指磨头4沿平行加工表面且垂直砂带5移动方向的方向振动。纵向振动和横向振动相结合可使磨头4在垂直砂带5移动方向的平面内移动，磨头4的振动配合砂带5的移动使得单颗磨粒形成三维移动轨迹，进而使得单颗磨粒的移动路径延长，使其刻划的沟槽较宽，同时参与加工的磨粒数大幅增加，可大大增加材料去除率，提高砂带5的利用率。
另外，磨头4的下端通过接触轮43支撑砂带5，接触轮43的旋转轴42沿横向设置，砂带5移动过程中接触轮43会产生轴向的窜动。而磨头4的横向振动能够对接触轮43轴向窜动起到很好的抑制作用，从而使加工过程更为稳定，使加工效果更为优良。振动机构3可参考现有技术中的伸缩气缸和摆动气缸等结构。
本实施例中，超声振动辅助砂带磨削设备设置了振动机构3，振动机构3能够带动磨头4进行横向振动和纵向振动，磨削加工后的表面是由众多磨粒周期性相互交织干涉所得，磨粒对工件已加工表面具有反复熨压、研磨作用，可以减少加工表面的凸峰与凹谷，有效降低表面粗糙度，提高硬度，减少裂纹。同时，振动加工使得切削液能够更好进入加工区域，有利于磨削热量的散发，磨削温度、摩擦系数大幅度降低，摩擦力减小，粘结现象有效减少。另外，加工过程中切向磨削力对材料的去除起主要作用，材料大部分以塑性剪切方式去除，平均切削力比普通磨削和一维超声振动更小，在很大程度上改善工件材料的可磨削性。
可选的，如图1所示，超声振动辅助砂带磨削设备包括支撑座9和支撑板6，支撑座9固定在地面上，支撑板6沿竖直方向设置、且与支撑座9的上端固定连接。驱动机构8设有驱动轮81，驱动机构8与支撑板6固定连接，驱动轮81的轴线垂直支撑板6、且在平行支撑板6的平面内转动，通常驱动轮81位于支撑板6的中心线上端，同时驱动轮81系和磨削加工装置也都按质量在支撑板6中线的两侧分布，保证支撑板6在驱动机构8运转时不会因平衡原因产生振动。磨削加工装置包括支架2，磨头4与振动机构3的下端相连，振动机构3安装在支架2上。支架2呈板状且平行于支撑板6，支架2与支撑板6相连，进而固定振动机构3和磨头4。支架2还连有两个分别位于磨头4两侧的导向轮，导向轮和张紧轮7共同组成辅助轮系，保证砂带5能够与驱动轮81以及接触轮43的外周紧密贴合，使砂带5在驱动轮81的带动下移动。
驱动机构8包括驱动电机84和驱动轮81，驱动电机84的机轴与连接套83通过销键连接，连接套83与轮毂82通过螺钉连接，驱动轮81套设在轮毂82的外周，从而实现驱动电机84带动驱动轮81转动。同时驱动电机84通过螺钉固定在支撑板6上端。
导向轮和张紧轮7的结构相似，如图6所示，导向轮包括轮体、固定螺栓73以及固定螺母74，轮体通过固定螺栓73和固定螺母74安装在支架2上，相应的张紧轮7安装在支撑板6上。为防止砂带5发生跑带，导向轮和张紧轮7轮体的外侧壁设有定位槽71，砂带5位于定位槽71中，定位槽71两侧定位壁72能够对砂带5进行限位，防止砂带5从导向轮或张紧轮7上脱落。
可选的，振动机构3包括纵向换能器和横向换能器。纵向换能器、横向换能器以及磨头4同轴设置，且纵向换能器和横向换能器位于磨头4的上方。纵向换能器产生轴向振动，使磨头4产生纵向振动，横向换能器产生摆动，从而使磨头4产生横向振动。
具体的，如图3和图4所示，振动机构3包括变幅杆34、前端盖31、中端盖32以及后端盖33，纵向换能器位于前端盖31和中端盖32之间，横向换能器位于中端盖32和后端盖33之间。振动机构3具有从后端沿轴线延伸至前端盖31的安装孔，安装孔位于前端盖31上的部分设有内螺纹，连接螺栓35穿过安装孔与内螺纹相连，从而将前端盖31、中端盖32、后端盖33以及纵向换能器和横向换能器连接为一体式结构。连接螺栓35施加的预紧力能够防止纵向换能器和横向换能器在振动过程中松动，保证装置的使用寿命。
另外，为将纵向换能器和横向换能器产生的振动幅度放大，变幅杆34选用圆锥形变幅杆，圆锥形变幅杆与前端盖31为一体成型结构件。变幅杆34小端的末端为外螺纹，并与接触杆41的上端通过螺纹连接。同时为减小部件间配合间隙对加工造成影响，接触杆41的上端与变幅杆34通过焊接永久固定。
可选的，纵向换能器包括两块圆形压电陶瓷36、37和两片圆形铜片38、39，圆形铜片38设置在前端盖31上方，圆形压电陶瓷36设置在圆形铜片38上方，圆形铜片39设置在圆形压电陶瓷36上方，圆形压电陶瓷37设置在圆形铜片39上方。圆形铜片38和圆形铜片39分别连接的交流电压相位角相差180°，圆形压电陶瓷36与圆形压电陶瓷37的极化方向相反，在施加交流电压时，圆形压电陶瓷36与圆形压电陶瓷37会随着交流电压的电压值变化产生纵向振动，从而带动磨头4产生纵向振动。另外，圆形压电陶瓷37和中端盖32之间设有法兰，振动机构3通过法兰与支架2相连。
横向换能器包括4块半圆形压电陶瓷310、311、312、313和4片半圆形铜片314、315、316、317。其中，半圆形铜片314和半圆形铜片316位于中端盖32的上方，二者拼合成一个圆片结构。半圆形压电陶瓷310和半圆形压电陶瓷312分别位于半圆形铜片314和半圆形铜片316的上方，并拼合成一个圆形结构。半圆形铜片315和半圆形铜片317分别位于半圆形压电陶瓷310和半圆形压电陶瓷312的上方，并拼合成一个圆片结构。半圆形压电陶瓷311和半圆形压电陶瓷313分别位于半圆形铜片315和半圆形铜片317的上方，并拼合成一个圆形结构。圆形结构和圆片结构的断面均平行砂带5的移动方向，即圆形结构和圆片结构的断面均垂直于接触轮43的轴线。半圆形铜片315和半圆形铜片316连接相位角相同的交流电压，半圆形铜片314和半圆形铜片317连接相位角相同的交流电压，两种交流电压的相位角相差180°。因而，半圆形压电陶瓷313和半圆形压电陶瓷312的极化方向相反，半圆形压电陶瓷311和半圆形压电陶瓷310的极化方向相反。在半圆形压电陶瓷310、311、312、313施加交流电压时，由于半圆形压电陶瓷313和半圆形压电陶瓷312产生的纵向振动与半圆形压电陶瓷311和半圆形压电陶瓷310产生的纵向振动恰好相反，两者叠加后形成横向振动。纵向振动为一阶机械振动，横向振动为三阶机械振动；在接触轮43处纵向振动与横向振动的振幅达到最大，并且此处的纵向振动与横向振动的相位角相差90°。两者叠加后为椭圆振动，在法兰下端处为节点位置。
进一步的，纵向换能器和横向换能器中各零件使用环氧树脂粘接在一起，并且通过控制连接螺栓35预紧力的大小而控制施加在各个压电陶瓷上的压力，保证振动的稳定性以及压电陶瓷的使用寿命。
可选的，磨头4的端部设有用以支撑砂带5的接触轮43，接触杆41的末端设有安装腔，旋转轴42安装在安装腔中，接触轮43安装在旋转轴42外周，并能够绕旋转轴42转动。为对接触轮43进行限位，避免接触轮43产生轴向窜动，安装腔中设有位于接触轮43轴向两端的第一套筒，接触轮43与旋转轴42之间还设有两个深沟球轴承，深沟球轴承能够限制接触轮43的径向移动，只保留接触轮43绕轴向的转动，从而保证接触轮43能够进行椭圆振动。可选的，接触轮43为橡胶轮，橡胶轮具有一定的吸振性能，而纵向超声振动可降低接触轮43与工件之间的弹性回让，使加工过程更加稳定。
本实施例中，振动机构3包括纵向换能器和横向换能器，二者能够带动磨头4产生高频振动，辅助砂带5抛光磨削，改善磨削硬脆性材料的加工条件，提高整个加工表面的质量，并延长砂带5的使用寿命。
另外，加工不同材质的工件是所需的压力不同，因此，磨削加工装置还包括用于调节磨头4和工件之间压紧力的浮动压力控制机构1。如图2所示，浮动压力控制机构1包括花键座13，花键座13通过螺栓与支撑板6固定连接。花键座13具有沿竖直方向贯穿的通孔，通孔的上端通过轴承与螺母带轮12相连，通孔中设有与螺母带轮12螺纹配合的丝杠11，通孔的下端设有花键轴15，花键轴15与支架2通过抱箍相连，花键轴15与通孔之间还设有限位套，从而减小花键轴15的径向移动。花键轴15与丝杠11通过拉簧14相连。浮动压力控制机构1还包括浮动压力调节电机16，浮动压力调节电机16的机轴连有输出齿轮17，输出齿轮17通过齿形带18带动螺母带轮12转动，螺母带轮12转动的过程中丝杠11产生轴向移动，进而通过花键轴15向支架2传递轴向的作用力，该作用力通过磨头4向工件施加压紧力。当丝杠11的轴向位置改变时，磨头4与工件之间的压紧力也随之改变，从而控制接触轮43与工件间压紧力的大小。
进一步的，为避免压紧力过大或过小，通孔中设有用以限制丝杠11行程的限位块19，丝杠11设有用以与限位块19相配合的限位槽。丝杠11移动过程中，限位槽与限位块19相配合，能够限制丝杠11在轴向上的移动范围，进而限制压紧力的大小。
本实施例中，超声振动辅助砂带磨削设备还设置了浮动压力控制机构1，通过其控制接触轮43与工件间压紧力的大小与稳定，使加工过程能够稳定进行，从而保证加工表面的一致性。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明所提供的超声振动辅助砂带磨削设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超声振动辅助砂带(5)磨削设备，其特征在于，包括：
砂带(5)；
砂带驱动装置，所述砂带驱动装置包括用以带动所述砂带(5)移动的驱动机构(8)和用以张紧所述砂带(5)的辅助轮系；
磨削加工装置，所述磨削加工装置包括用以支撑所述砂带(5)与工件相接触的磨头(4)和与所述磨头(4)相连、用以驱动所述磨头(4)进行纵向振动和横向振动的振动机构(3)。
2.根据权利要求1所述的超声振动辅助砂带(5)磨削设备，其特征在于，所述磨削加工装置包括用以固定所述振动机构(3)的支架(2)，所述振动机构(3)包括沿轴向设置在所述磨头(4)上方的纵向换能器和横向换能器，所述纵向换能器和所述横向换能器与所述支架(2)的下端相连。
3.根据权利要求2所述的超声振动辅助砂带(5)磨削设备，其特征在于，所述振动机构(3)包括与所述磨头(4)相连的变幅杆(34)，与所述变幅杆(34)相连的前端盖(31)、中端盖(32)以及后端盖(33)，所述纵向换能器位于所述前端盖(31)和所述中端盖(32)之间，所述横向换能器位于所述中端盖(32)和所述后端盖(33)之间。
4.根据权利要求3所述的超声振动辅助砂带(5)磨削设备，其特征在于，所述纵向换能器包括两块圆盘形压电陶瓷(36、37)和两片圆形铜片(38、39)，两块所述圆盘形压电陶瓷(36、37)沿轴向设置，所述圆形铜片(39)分别位于两所述圆盘形压电陶瓷(36、37)之间，所述圆形铜片(38)所述圆盘形压电陶瓷(36)和所述前端盖(31)之间。
5.根据权利要求4所述的超声振动辅助砂带(5)磨削设备，其特征在于，所述横向换能器包括4块半圆形压电陶瓷(310、311、312、313)和4片半圆形铜片(314、315、316、317)，4块所述半圆形压电陶瓷(310、311、312、313)拼合成两个、且沿轴向分布的圆形结构，4片所述半圆形铜片(314、315、316、317)能够拼合成两片分别位于两所述圆形结构之间和所述圆形结构和所述中端盖(32)之间的圆片结构，所述圆形结构和所述圆片结构的断面均平行所述砂带(5)的移动方向。
6.根据权利要求3所述的超声振动辅助砂带(5)磨削设备，其特征在于，所述变幅杆(34)为圆锥形变幅杆，所述圆锥形变幅杆与所述前端盖(31)为一体成型结构件。
7.根据权利要求1所述的超声振动辅助砂带(5)磨削设备，其特征在于，所述磨头(4)的端部设有用以支撑所述砂带(5)的接触轮(43)，所述接触轮(43)为橡胶轮。
8.根据权利要求2至6任意一项所述的超声振动辅助砂带(5)磨削设备，其特征在于，所述磨削加工装置还包括用以调节所述磨头(4)和工件之间压紧力的浮动压力控制机构(1)。
9.根据权利要求8所述的超声振动辅助砂带(5)磨削设备，其特征在于，所述浮动压力控制机构(1)包括固定设置的花键座(13)，所述花键座(13)具有沿竖直方向贯穿的通孔，所述通孔的上端设有螺母带轮(12)，所述通孔中设有与所述螺母带轮(12)螺纹配合的丝杠(11)，所述通孔的下端设有与所述支架(2)相连的花键轴(15)，所述花键轴(15)与所述丝杠(11)通过拉簧(14)相连，所述浮动压力控制机构(1)还包括用以带动所述螺母带轮(12)转动的浮动压力调节电机(16)。
10.根据权利要求8所述的超声振动辅助砂带(5)磨削设备，其特征在于，所述通孔中设有用以限制所述丝杠(11)行程的限位块(19)，所述丝杠(11)设有用以与所述限位块(19)相配合的限位槽。
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