CN110948387B - 一种超声磨削主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声磨削主轴，包括主轴箱，所述主轴箱内设有超声变幅杆，所述超声变幅杆的后端端部固定有法兰Ⅰ，且所述法兰Ⅰ通过轴承Ⅰ与所述主轴箱转动连接，所述超声变幅杆的前端在所述主轴箱内的部分固定有法兰Ⅱ，且所述法兰Ⅱ通过轴承Ⅱ与所述主轴箱转动连接，所述磨削装置紧邻所述法兰Ⅱ，所述超声变幅杆在所述法兰Ⅰ与所述法兰Ⅱ之间的部分是超声波换能器发出波的波长的二分之一或整数倍。本发明在超声变幅杆节点位置利用轴承支撑，在超声变幅杆前端紧挨节点位置与砂轮直接相连，并通过超声振动在砂轮中的传播过程，使砂轮外圆面的振动最大，从而提高超声磨削主轴刚度和旋转精度，且连接处不发热。

Description

一种超声磨削主轴

技术领域

本发明涉及难加工材料精密磨削加工领域，特别是涉及一种超声磨削主轴。

背景技术

目前，超声辅助加工已被越来越多运用于高性能合金、硬脆材料和新型先进材料。超声辅助加工技术是在传统加工工具或工件上施加超声振动，以获得更好地加工性能的加工技术。超声辅助磨削是超声辅助加工技术中的重要技术之一，在传统的磨削加工中会产生较大的磨削力和磨削热，这会引起一系列问题，例如工件表面/亚表面的损坏和较低的砂轮寿命，这些加工缺陷的存在严重制约了零件的加工精度和加工质量。为了解决这些问题，在磨削过程中引入了超声波振动，由于超声振动的引入，改变了材料的去除机理，降低了工件与刀具之间的摩擦力，断续接触减小了刀具与工件的作用时间，减小了磨削力，降低了刀具磨损，提高了加工表面质量，满足高精度、高质量零件高效率加工的要求。在超声辅助磨削加工中，超声辅助磨削装备是实现超声辅助加工的关键，而超声磨削主轴的性能是超声辅助磨削装备工作性能好坏的重要决定因素之一

专利“一种超声磨削复合主轴结构(CN204430967U)”、专利“超声磨削装置(CN203875692U)”、专利“一种旋转超声主轴(CN102101179B)”和专利“一种高速旋转超声磨削主轴(CN107175543A)”公开的超声磨削主轴均是通过在超声变幅杆振动节点位置，即振幅为零处设置法兰，与轴承连接实现超声磨削主轴的支撑，在法兰前端悬出一段变幅杆，以实现砂轮处可获得较大振幅。

专利“(CN207255837U)单激励使砂轮产生径-扭复合振动的超声磨削系统”，是通过在变幅器上开螺旋槽的方式，将换能器的单激励纵向振动转变为纵-扭复合振动，利用变幅器外端的曲线板和平行砂轮的组合结构，将纵-扭复合振动转换为径-扭复合振动，以获得较好的加工质量和较长的砂轮寿命。同样，该超声磨削振动系统在变幅器后端设置法兰，用于和轴承连接，以实现超声磨削振动系统的支撑，在法兰前设置一段变幅器实现振动形式改变和振幅放大。

上述专利缺点在于超声磨削主轴前端支撑轴承到砂轮安装位置至少有一段四分之一波长的变幅杆，以实现砂轮可以获得较大的振幅，这就导致超声磨削主轴前端悬伸量较大，降低了主轴的支撑刚度，放大了主轴支撑误差，降低砂轮的旋转精度，同时超声磨削主轴变幅杆与砂轮连接处振幅较大，在连接处易产生超声振动能量损耗，产生发热现象。这些问题均会对超声磨削主轴的加工精度和加工质量产生较大影响。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种超声磨削主轴。本发明提出在超声变幅杆上的前端振动位移节点处和后端振动位移节点处分别限位固定，并且在超声变幅杆前端紧挨节点位置与砂轮直接相连，并通过超声振动在砂轮中的传播过程，使砂轮外圆面的振动最大，从而提高超声磨削主轴刚度和旋转精度，并实现超声振动在变幅杆和砂轮间高效率传递，连接处不发热。

本发明采用的技术手段如下：

一种超声磨削主轴，包括主轴箱，所述主轴箱内设有超声变幅杆，且所述超声变幅杆的后端紧密固定连接有穿出所述主轴箱的超声波换能器，所述超声波换能器与所述超声变幅杆同轴设置，所述超声变幅杆的前端穿出所述主轴箱与磨削装置连接，所述主轴箱外设有驱动所述超声变幅杆转动的驱动装置，

所述超声变幅杆的后端端部固定有法兰Ⅰ，且所述法兰Ⅰ通过轴承Ⅰ与所述主轴箱转动连接，所述超声变幅杆的前端在所述主轴箱内的部分固定有法兰Ⅱ，且所述法兰Ⅱ通过轴承Ⅱ与所述主轴箱转动连接，所述磨削装置紧邻所述法兰Ⅱ，所述超声变幅杆在所述法兰Ⅰ与所述法兰Ⅱ之间的部分是超声波换能器发出波的二分之一波长或二分之一波长的整数倍。

进一步地，所述超声波换能器包括换能器后盖板、两个压电陶瓷片、沉头螺柱、正极电极片和负极电极片，两个所述压电陶瓷片设置在所述换能器后盖板与所述超声变幅杆之间，所述正极电极片设置在两个所述压电陶瓷片之间，且所述压电陶瓷片与所述换能器后盖板之间和所述压电陶瓷片与所述超声变幅杆之间设有所述负极电极片，所述沉头螺柱将所述换能器后盖板、所述压电陶瓷片、所述正极电极片和所述负极电极片与所述超声变幅杆紧固；

所述换能器后盖板外套设有套筒，且所述套筒的前端与所述法兰Ⅰ固定连接，

所述主轴箱的前端和后端分别通过螺栓和调整垫片固定有前盖板和后盖板；

所述套筒的后端穿出所述后盖板，所述套筒的后端与所述导电滑环固定；所述套筒与所述驱动装置连接，所述负极电极片和所述正极电极片通过穿入所述导电滑环的所述导线与所述超声电源连接。

进一步地，所述驱动装置为转动带轮，且所述转动带轮套设在所述套筒的后端外部，并与所述套筒键连接；且所述转动带轮的后端通过螺栓固定有垫片，所述垫片与所述套筒固定连接。

进一步地，所述套筒与所述后盖板之间和所述超声变幅杆与所述前盖板之间均设有橡皮圈。

进一步地，所述压电陶瓷片与所述沉头螺柱之间具有绝缘套。

进一步地，所述磨削装置为砂轮，且所述砂轮与所述超声变幅杆通过螺帽固定连接。

所述超声变幅杆在所述法兰Ⅰ与所述法兰Ⅱ之间的部分是超声波换能器发出的波的二分之一波长或二分之一波长的整数倍的原理如下：

根据牛顿定律可得任意截面超声变幅杆纵向振动的动力学方程为

式中：S为超声变幅杆的任意一点横截面的横截面积，ξ为超声变幅杆上任意一点的位移，σ为超声变幅杆任意一点的应力，

E为超声变幅杆的杨氏模量，ρ为超声变幅杆的密度，x为超声变幅杆上任意一点的横坐标；

简化所述超声变幅杆纵振频率方程，得到简化超声变幅杆纵振频率方程：

因为所述超声变幅杆的纵振为简谐振动，所以所述超声变幅杆纵振频率方程可简化为简化超声变幅杆纵振频率方程：

式中：k是超声变幅杆的圆波数，k＝ω/c，ω是超声变幅杆的圆频率，c为纵波在超声变幅杆的传播速度，

求解所述简化超声变幅杆纵振频率方程，得到超声变幅杆振动位移函数：

式中：R为超声变幅杆任意一个横截面的半径，R＝R(x)为非分段函数，A、B为待求未知常数；

超声变幅杆具有法兰Ⅰ和法兰Ⅱ的一端纵向位移量为0，法兰Ⅰ和法兰Ⅱ之间的距离为L；

ξ|_x＝0＝0 (4)

ξ|_x＝L＝0 (5)

将式(4)和(5)分别带入式(3)中，可得超声变幅杆纵振频率方程为：

sinkL＝0 (6)

根据所述超声变幅杆频率方程求得L；经计算可得L为波长的二分之一或二分之一波长的整数倍。

本发明具有以下优点：

在超声变幅杆前端紧挨振动位移节点位置与砂轮直接相连，并通过超声振动在砂轮中的传播过程，使砂轮外圆面的振动最大，从而提高超声磨削主轴刚度和旋转精度，并实现超声振动在变幅杆和砂轮间高效率传递，且连接处不发热。

基于上述理由本发明可在超声磨削主轴等领域广泛推广。

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是本发明具体实施方式中一种超声磨削主轴结构示意图。

图中：1、转动带轮；2、垫片；3、螺栓Ⅰ；4、螺栓Ⅱ；5、导电滑环；6、螺栓Ⅲ；7、沉头螺柱；8、换能器后盖板；9、后盖板；10、调整垫片；11、橡皮圈；12、轴承Ⅰ；13、法兰Ⅰ；14、压电陶瓷片；15、法兰Ⅱ；16、主轴箱；17、前盖板；18、砂轮；19、超声变幅杆；20，超声电源；21、导线；22、套筒；23、螺栓Ⅳ；24、轴承Ⅱ；25、螺帽；26、键；27、绝缘套；28正极电极片；29、负极电极片。

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。

如图1所示，一种超声磨削主轴，包括主轴箱16，所述主轴箱16内设有超声变幅杆19，且所述超声变幅杆19的后端紧密固定连接有穿出所述主轴箱16的超声波换能器，所述超声波换能器与所述超声变幅杆19同轴设置，所述超声变幅杆19的前端穿出所述主轴箱16与磨削装置连接，所述主轴箱16外设有驱动所述超声变幅杆19转动的驱动装置，

所述超声变幅杆19的后端端部固定有法兰Ⅰ13，且所述法兰Ⅰ13通过轴承Ⅰ12与所述主轴箱16转动连接，所述超声变幅杆19的前端在所述主轴箱16内的部分固定有法兰Ⅱ15，且所述法兰Ⅱ15通过轴承Ⅱ24与所述主轴箱16转动连接，所述磨削装置紧邻所述法兰Ⅱ15，所述超声变幅杆19在所述法兰Ⅰ13与所述法兰Ⅱ15之间的部分是超声波换能器发出波的二分之一波长或二分之一波长的整数倍。

进一步地，所述超声波换能器包括换能器后盖板8、两个压电陶瓷片14、沉头螺柱7、正极电极片28和负极电极片29，两个所述压电陶瓷片14设置在所述换能器后盖板8与所述超声变幅杆19之间，所述正极电极片28设置在两个所述压电陶瓷片14之间，所述压电陶瓷片14与所述换能器后盖板8之间和所述压电陶瓷片14与所述超声变幅杆19设有负极电极片29，沉头螺柱7将所述换能器后盖板8、压电陶瓷片14、所述正极电极片28和所述负极电极片29与所述超声变幅杆19紧固；

所述换能器后盖板8外套设有套筒22，且所述套筒22的前端与所述法兰Ⅰ13通过螺栓Ⅳ23固定连接，

所述主轴箱16的前端和后端分别通过螺栓Ⅲ6和调整垫片10固定有前盖板17和后盖板9；

所述套筒22的后端穿出所述后盖板9，所述套筒22的后端通过所述螺栓Ⅱ4与所述导电滑环5固定；所述套筒22与所述驱动装置连接，所述负极电极片29和所述正极电极片28通过穿入所述导电滑环5的所述导线21与所述超声电源电20连接。

进一步地，所述驱动装置为转动带轮1，且所述转动带轮1套设在所述套筒22的后端外部，并与所述套筒22键26连接；且所述转动带轮1的后端通过螺栓Ⅰ3固定有垫片2，所述垫片2与所述套筒22固定连接。

进一步地，所述套筒22与所述后盖板9之间和所述超声变幅杆19与所述前盖板17之间均设有橡皮圈11。

进一步地，所述压电陶瓷片14与所述沉头螺柱7之间具有绝缘套27。

进一步地，所述磨削装置为砂轮18，且所述砂轮18与所述超声变幅杆19通过螺帽25固定连接。

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 (5)

1.一种超声磨削主轴，包括主轴箱，所述主轴箱内设有超声变幅杆，且所述超声变幅杆的后端紧密固定连接有穿出所述主轴箱的超声波换能器，所述超声波换能器与所述超声变幅杆同轴设置，所述超声变幅杆的前端穿出所述主轴箱与磨削装置连接，所述主轴箱外设有驱动所述超声变幅杆转动的驱动装置，其特征在于：

所述超声变幅杆的后端端部固定有法兰Ⅰ，且所述法兰Ⅰ通过轴承Ⅰ与所述主轴箱转动连接，所述超声变幅杆的前端在所述主轴箱内的部分固定有法兰Ⅱ，且所述法兰Ⅱ通过轴承Ⅱ与所述主轴箱转动连接，所述磨削装置紧邻所述法兰Ⅱ，所述超声变幅杆在所述法兰Ⅰ与所述法兰Ⅱ之间的部分是超声波换能器发出波的二分之一波长或二分之一波长的整数倍；所述磨削装置为砂轮，且所述砂轮与所述超声变幅杆通过螺帽固定连接；所述砂轮的外径大于所述主轴箱的外径。

2.根据权利要求1所述的一种超声磨削主轴，其特征在于：

所述超声波换能器包括换能器后盖板、两个压电陶瓷片、沉头螺柱、正极电极片和负极电极片，两个所述压电陶瓷片设置在所述换能器后盖板与所述超声变幅杆之间，所述正极电极片设置在两个所述压电陶瓷片之间，且所述压电陶瓷片与所述换能器后盖板之间和所述压电陶瓷片与所述超声变幅杆之间设有所述负极电极片，所述沉头螺柱将所述换能器后盖板、所述压电陶瓷片、所述正极电极片和所述负极电极片与所述超声变幅杆紧固；

所述换能器后盖板外套设有套筒，且所述套筒的前端与所述法兰Ⅰ固定连接；

所述主轴箱的前端和后端分别通过螺栓和调整垫片固定有前盖板和后盖板；

所述套筒的后端穿出所述后盖板，所述套筒的后端与导电滑环固定；所述套筒与所述驱动装置连接，所述负极电极片和所述正极电极片通过穿入所述导电滑环的导线与超声电源连接。

3.根据权利要求2所述的一种超声磨削主轴，其特征在于：所述驱动装置为转动带轮，且所述转动带轮套设在所述套筒的后端外部，并与所述套筒键连接；且所述转动带轮的后端通过螺栓固定有垫片，所述垫片与所述套筒固定连接。

4.根据权利要求2所述的一种超声磨削主轴，其特征在于：所述套筒与所述后盖板之间和所述超声变幅杆与所述前盖板之间均设有橡皮圈。

5.根据权利要求2所述的一种超声磨削主轴，其特征在于：所述压电陶瓷片与所述沉头螺柱之间具有绝缘套。

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