CN112872402A - 超声振动复合钻削装置及其工作方法 - Google Patents

超声振动复合钻削装置及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超声振动复合钻削装置及其工作方法，包括安装在机床主体上的机床主轴和滑轨，所述滑轨上安装有工件夹具，还包括第一超声振动系统和第二超声振动系统，所述第一超声振动系统安装在机床主轴与刀具之间，用于对刀具提供轴向振动；所述第二超声振动系统与工件夹具相连接，用于对工件提供纵向振动，刀具产生的轴向振动与工件产生的纵向振动相耦合，形成复合的钻削轨迹。本发明设计合理，在原有的普通钻削的基础上，利用两个超声振动系统分别为刀具和工件提供振动，同时刀具和工件的振动方向相垂直，可耦合得到复合钻削轨迹；并通过控制振幅以及频率实现对振动轨迹的精确控制，进而改善钻孔的加工质量。

Description

超声振动复合钻削装置及其工作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声振动复合钻削装置及其工作方法。
背景技术：
自1954年日本宇都宫大学隈部淳一郎教授提出振动钻削理论以来，各国学者对振动钻削进行了大量理论研究和试验分析，已取得了许多有价值的研究成果并应用于加工领域。它的原理是：由于切削刃与工件的周期性分离，使切削力成为脉冲力，从而在钻削过程中出现钻头的位移并不随时间发生变化的静止化效果和脉冲切削力使钻头抵抗弯曲变形能力提高的刚性化效果。振动钻削能有效改善切削刃的加工情况，可以降低切削力、切削温度、减小刀具磨损、改变切屑形状，改善钻孔精度和表面粗糙度，有助于解决难加工材料的钻孔问题。
超声振动钻削技术属于振动钻削的一种。按振动性质的不同可以分为自激振动钻削和强迫振动钻削；按振动方向的不同可以分为轴向振动钻削、扭转振动钻削以及轴向扭转振动钻削；从振源的不同可以分为工件振动和刀具振动两种形式。
目前，随着各种合金材料、复合材料的广泛应用以及孔加工质量要求的提高，超声振动钻削的复合加工方式也得到了广泛的研究，同时超声振动钻削中轨迹对加工质量的影响也得到了重视。研究表明，复合超声振动钻削相比于单一的超声振动钻削（纵向振动、扭转振动钻削），对钻削性能改善的更为明显。但对于超声振动钻削的复合加工方式的研究中，主要是通过变幅杆的设计（如在变幅杆上开一个斜槽）来改变钻削的轨迹，这一方法的缺点在于生成的轨迹局限于所设计的变幅杆，不能精确控制生成的轨迹。
发明内容：
本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种超声振动复合钻削装置及其工作方法，设计合理，提高钻削轨迹的控制精度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种超声振动复合钻削装置，包括安装在机床主体上的机床主轴和滑轨，所述滑轨上安装有工件夹具，还包括第一超声振动系统和第二超声振动系统，所述第一超声振动系统安装在机床主轴与刀具之间，用于对刀具提供轴向振动；所述第二超声振动系统与工件夹具相连接，用于对工件提供纵向振动，刀具产生的轴向振动与工件产生的纵向振动相耦合，形成复合的钻削轨迹。
进一步的，还包括超声波发生组件，所述超声波发生组件用于为第一超声振动系统和第二超声振动系统输入频率相同且具有相位差的正弦激励信号。
进一步的，所述第一超声振动系统包括锥度刀柄、变幅杆、旋转供电滑环以及第一夹心式换能器，所述锥度刀柄的上端通过拉钉安装在机床主轴上；所述变幅杆的上端与锥度刀柄的下端固定连接，变幅杆的下端与刀具相螺接；所述第一夹心式换能器安装在锥度刀柄的内部；所述旋转供电滑环可转动的套设在锥度刀柄外侧并用于对第一夹心式换能器传输电信号。
进一步的，所述旋转供电滑环通过超声电缆与超声电控柜连接，所述超声电控柜与超声波发生组件相连接；所述旋转供电滑环的内侧设有固定套设在锥度刀柄外侧的绝缘套筒，所述绝缘套筒的外侧壁设有用于与旋转供电滑环的电刷相接触的集流环，所述集流环通过导线与第一夹心式换能器相连接。
进一步的，所述第二超声振动系统包括第二夹心式换能器和导波线，所述第二夹心式换能器与超声波发生组件相连接；所述导波线水平设置，导波线的一端与第二夹心式换能器相连接、另一端与工件夹具相连接。
进一步的，所述超声波发生组件包括超声波发生器和功率放大器，所述超声波发生器的输出端与功率放大器相连接。
本发明采用的另一种技术方案是：一种超声振动复合钻削装置的工作方法，工作时：超声波发生器通过功率放大器放大信号给第一夹心式换能器和第二夹心式换能器输入频率相同且具有相位差的正弦激励信号，第一夹心式换能器将超声波发生器传输的电信号转换成轴向的机械振动并作用于刀具上，对刀具提供轴向振动；第二夹心式换能器将超声波发生器传输的电信号转换成振动并作用于导波线，导波线的轴向振动耦合到工件上，对工件提供纵向振动，刀具的轴向振动与工件的纵向振动相耦合，形成复合的钻削轨迹，通过调节正弦激励信号的相位差，实现高精度振动轨迹控制。
与现有技术相比，本发明具有以下效果：本发明设计合理，在原有的普通钻削的基础上，利用两个超声振动系统分别为刀具和工件提供振动，同时刀具和工件的振动方向相垂直，可耦合得到复合钻削轨迹；并通过控制振幅以及频率实现对振动轨迹的精确控制，进而改善钻孔的加工质量。
附图说明：
图1是本发明实施例的主视构造示意图；
图2是本发明实施例中第一超声振动系统的构造示意图。
图中：
1-机床主轴；2-超声电控柜；3-旋转供电滑环；4-刀具；5-工件夹具；6-滑轨；7-超声波发生器；8-导波线；9-拉钉；10-锥度刀柄；11-后盖板；12-旋转滑环外壳；13-电刷；14-集流环；15-绝缘套筒；16-电极片；17-压电陶瓷片；18-连接螺杆；19-前盖板；20-变幅杆；21-螺帽；22-第一超声振动系统；23-第二超声振动系统；24-第一夹心式换能器。
具体实施方式:
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“ 纵向”、“ 横向”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、“ 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1～2所示，本发明一种超声振动复合钻削装置，应用在原有的普通钻削机床，原有的普通钻削机床包括机床主体和安装在机床主体上的机床主轴1和滑轨3，机床主轴1竖设在滑轨6的上侧，所述滑轨6上安装有工件夹具5，工件夹具5可沿着滑轨水平移动，待钻削的工件安装在工件夹具5上。该超声振动复合钻削装置还包括第一超声振动系统22和第二超声振动系统23，所述第一超声振动系统22安装在机床主轴1与刀具4之间，用于对刀具提供轴向振动；所述第二超声振动系统23与工件夹具5相连接，第二超声振动系统23通过工件夹具5对工件提供水平面上的纵向振动，该纵向振动与滑轨6上工件夹具的移动方向相垂直，即刀具的轴向振动与工件水平面的纵向振动是相垂直的，利用相垂直的两种振动相耦合，可形成复合的钻削轨迹。
本实施例中，还包括超声波发生组件，所述超声波发生组件用于为第一超声振动系统22和第二超声振动系统23输入频率相同且具有一定相位差的正弦激励信号。优选的，超声波发生组件包括超声波发生器7和功率放大器，所述超声波发生器7的输出端与功率放大器相连接，功率放大器用于对超声波发生器输出的信号进行放大。在使用时，通过调节相位差可达到精确控制钻削轨迹，实现高精度振动轨迹控制。
本实施例中，所述第一超声振动系统22包括锥度刀柄10、变幅杆20、旋转供电滑环3以及第一夹心式换能器24，所述锥度刀柄10的上端通过拉钉9安装在机床主轴1上；所述变幅杆20的上端与锥度刀柄10的下端口接触面使用螺钉固定连接，变幅杆20的下端与刀具4相螺接；所述第一夹心式换能器24安装在锥度刀柄10的内部；所述旋转供电滑环3可转动的套设在锥度刀柄10外侧并用于对第一夹心式换能器24传输电信号。
本实施例中，所述旋转供电滑环3通过超声电缆与超声电控柜2连接，所述超声电控柜2与超声波发生组件相连接；所述旋转供电滑环3的内侧设有固定套设在锥度刀柄10外侧的绝缘套筒15，所述绝缘套筒15的外侧壁设有用于与旋转供电滑环3的电刷13相接触的集流环14，所述集流环14通过导线与第一夹心式换能器24相连接。超声电控柜的正弦信号依次通过、超声电缆、旋转供电滑环、集流环以及导线输送至第一夹心式换能器，第一夹心式换能器电能转换为机械能以实现纵向振动。
本实施例中，所述第二超声振动系统23包括第二夹心式换能器（图中未画出）和导波线8，所述第二夹心式换能器与超声波发生组件相连接；所述导波线8水平设置，导波线8的一端与第二夹心式换能器相连接、另一端与工件夹具5相连接，并产生水平方向的振动。导波线8传递的水平方向的振动与滑轨6的移动方向相垂直，使得工件产生水平方向的纵向振动。所述导波线8为现有成熟产品，其轴向振动刚度远大于弯曲刚度特性，使得导波线的轴向振动耦合到工件上，而较弱的弯曲刚度又会产生极小的声阻抗，不影响工件夹具在滑轨中的水平移动，保证了钻削复合轨迹的输出，从而通过调节相位差可达到精确控制钻削轨迹，实现高精度振动轨迹控制。
本实施例中，所述第一夹心式换能器24和第二夹心式换能器结构相同，且均为现有成熟产品。由于旋转供电滑环3与第一夹心式换能器23相连接，以实现旋转供电，此处对第一夹心式换能器23的结构做简单陈述：如图2所示，第一夹心式换能器23包括压电陶瓷片17、电极片16、前盖板19以及后盖板11组成，并通过连接螺杆18将各部分相连，连接螺杆18连接前、后盖板，并为换能器提供预紧力。所述电极片16通过导线与集流环14相连。工作时，旋转供电滑环3通过超声电缆与超声电控柜2连接，接收由超声电控柜传递2的电信号，通过旋转供电滑环3的电刷13与集流环14接触，集流环14通过导线电极片16连接，电极片16将信号传递至压电陶瓷片17，压电陶瓷片其相邻两端面的极性相同，由于其逆压电效应，最终将超声波发生器的电信号转换为机械能。
本实施例中，旋转供电滑环3也是现有成熟产品，其主要用于旋转供电。旋转供电滑环3包括有环状结构的旋转滑环外壳12，旋转滑环外壳12的上端通过轴承、滑环端盖与锥度刀柄10轴向定位，旋转滑环外壳12的内壁安装电刷13，安装在绝缘套筒15上的集流环14通过导线与电极片16连接，以及集流环14与电刷13连接，从而保证了处于高速旋转状态的刀柄中的换能器能够连续不断的接收到外部供电，进而实现在机床主轴进给的过程中实现轴向振动。
本实施例中，工作时：超声波发生器7通过功率放大器放大信号给第一夹心式换能器24和第二夹心式换能器输入频率相同且具有一定相位差的正弦激励信号，第一夹心式换能器24将超声波发生器7传输的电信号转换成轴向的机械振动并作用于刀具4上，对刀具4提供轴向振动；第二夹心式换能器将超声波发生器7传输的电信号转换成振动并作用于水平设置的导波线8，导波线8的轴向振动耦合到工件上，对工件提供纵向振动，刀具4的轴向振动与工件的纵向振动相耦合，形成复合的钻削轨迹，通过调节正弦激励信号的相位差可达到精确控制钻削轨迹，实现高精度振动轨迹控制。
本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种超声振动复合钻削装置，包括安装在机床主体上的机床主轴和滑轨，所述滑轨上安装有工件夹具，其特征在于：还包括第一超声振动系统和第二超声振动系统，所述第一超声振动系统安装在机床主轴与刀具之间，用于对刀具提供轴向振动；所述第二超声振动系统与工件夹具相连接，用于对工件提供纵向振动，刀具产生的轴向振动与工件产生的纵向振动相耦合，形成复合的钻削轨迹。
2.根据权利要求1所述的超声振动复合钻削装置，其特征在于：还包括超声波发生组件，所述超声波发生组件用于为第一超声振动系统和第二超声振动系统输入频率相同且具有相位差的正弦激励信号。
3.根据权利要求2所述的超声振动复合钻削装置，其特征在于：所述第一超声振动系统包括锥度刀柄、变幅杆、旋转供电滑环以及第一夹心式换能器，所述锥度刀柄的上端通过拉钉安装在机床主轴上；所述变幅杆的上端与锥度刀柄的下端固定连接，变幅杆的下端与刀具相螺接；所述第一夹心式换能器安装在锥度刀柄的内部；所述旋转供电滑环可转动的套设在锥度刀柄外侧并用于对第一夹心式换能器传输电信号。
4.根据权利要求3所述的超声振动复合钻削装置，其特征在于：所述旋转供电滑环通过超声电缆与超声电控柜连接，所述超声电控柜与超声波发生组件相连接；所述旋转供电滑环的内侧设有固定套设在锥度刀柄外侧的绝缘套筒，所述绝缘套筒的外侧壁设有用于与旋转供电滑环的电刷相接触的集流环，所述集流环通过导线与第一夹心式换能器相连接。
5.根据权利要求2所述的超声振动复合钻削装置，其特征在于：所述第二超声振动系统包括第二夹心式换能器和导波线，所述第二夹心式换能器与超声波发生组件相连接；所述导波线水平设置，导波线的一端与第二夹心式换能器相连接、另一端与工件夹具相连接。
6.根据权利要求2、4或5所述的超声振动复合钻削装置，其特征在于：所述超声波发生组件包括超声波发生器和功率放大器，所述超声波发生器的输出端与功率放大器相连接。
7.一种超声振动复合钻削装置的工作方法，其特征在于：包括采用如权利要求1～6中任意一项所述的超声振动复合钻削装置，工作时：超声波发生器通过功率放大器放大信号给第一夹心式换能器和第二夹心式换能器输入频率相同且具有相位差的正弦激励信号，第一夹心式换能器将超声波发生器传输的电信号转换成轴向的机械振动并作用于刀具上，对刀具提供轴向振动；第二夹心式换能器将超声波发生器传输的电信号转换成振动并作用于导波线，导波线的轴向振动耦合到工件上，对工件提供纵向振动，刀具的轴向振动与工件的纵向振动相耦合，形成复合的钻削轨迹，通过调节正弦激励信号的相位差，实现高精度振动轨迹控制。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113399696A (zh) * 2021-07-01 2021-09-17 西北工业大学 一种难加工dd6单晶高温合金的超声振动辅助钻削加工方法
CN114211023A (zh) * 2021-12-30 2022-03-22 杭州临安雄风机械有限公司 一种超声振动辅助钻削用设备
CN114770108A (zh) * 2022-04-07 2022-07-22 平顶山学院 一种超声刮削滚光一体化加工装置
CN114986266A (zh) * 2022-07-04 2022-09-02 湘潭大学 刃口钝化装置
CN116352147A (zh) * 2023-03-28 2023-06-30 东莞市腾信精密仪器有限公司 一种超声椭圆振动切削装置
WO2023180097A1 (de) * 2022-03-21 2023-09-28 Reishauer Ag Schwingungsunterstützte wälzbearbeitung
CN114986266B (zh) * 2022-07-04 2024-05-03 湘潭大学 刃口钝化装置

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113399696A (zh) * 2021-07-01 2021-09-17 西北工业大学 一种难加工dd6单晶高温合金的超声振动辅助钻削加工方法
CN114211023A (zh) * 2021-12-30 2022-03-22 杭州临安雄风机械有限公司 一种超声振动辅助钻削用设备
WO2023180097A1 (de) * 2022-03-21 2023-09-28 Reishauer Ag Schwingungsunterstützte wälzbearbeitung
CH719520A1 (de) * 2022-03-21 2023-09-29 Fraunhofer Ges Forschung Schwingungsunterstützte Wälzbearbeitung.
CN114770108A (zh) * 2022-04-07 2022-07-22 平顶山学院 一种超声刮削滚光一体化加工装置
CN114986266A (zh) * 2022-07-04 2022-09-02 湘潭大学 刃口钝化装置
CN114986266B (zh) * 2022-07-04 2024-05-03 湘潭大学 刃口钝化装置
CN116352147A (zh) * 2023-03-28 2023-06-30 东莞市腾信精密仪器有限公司 一种超声椭圆振动切削装置
CN116352147B (zh) * 2023-03-28 2023-12-05 东莞市腾信精密仪器有限公司 一种超声椭圆振动切削装置

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