CN113319316A - 一种复合振动钻床 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合振动钻床，包括低频轴向振动装置以及超声扭转振动装置；低频轴向振动装置包括气泵、振动壳体、轴套、低频振子和电动机，低频振子与电动机连接，气泵通过振动壳体外壳上的进气口将压力气体通入轴套上的进气槽，再由进气槽上的进气孔将压力气体通入低频振子上的上移槽或下移槽，推动低频振子产生轴向移动，实现工件的低频轴向振动。超声扭转振动装置包括超声振动控制器、超声扭转振动刀柄和夹心扭转振动换能器以及变幅杆，夹心扭转振动换能器将超声振动控制器产生的电振荡信号转化为超声扭转振动，经变幅杆放大后传递给钻头，实现钻头的超声扭转振动。本发明的复合振动钻床，可以加工难切削材料和脆硬性材料以及叠层材料。

Description

一种复合振动钻床

技术领域

本发明属于复合振动钻削设备技术领域，涉及一种复合振动钻床，特别涉及一种超声扭转与低频轴向复合振动的钻床。

背景技术

70年代中期，在人们发现了振动钻削具有的一些优良工艺效果之后，为寻求科学的支持，国内外一些学者开始从理论上对振动钻削的机理与特性进行探索，主要对振动钻削的动态角度理论、振动短屑理论、脉冲能量和应力集中理论等进行了分析研究。

振动钻削是建立在振动理论和切削理论等理论基础上的新颖的钻削加工方法，与普通钻削的根本区别是钻孔的过程中通过振动装置使钻头与工件之间产生可控的相对运动。振动方式有三种，即轴向振动(振动方向与钻头轴线方向相同)、扭转振动(振动方向与钻头旋转方向相同)和复合振动(轴向振动与扭转振动叠加)。其中轴向振动易于实现，工艺效果明显，是在振动钻削中占重要位置的振动方式。振动的激励方法主要有超声波振动、机械振动、液压振动和电磁振动，其中超声波振动通常在16Hz以上，所以也称为高频率振动钻削，低频振动钻削的振动频率一般在数百赫兹左右。

振动钻削改变了传统钻削的机理，在振动钻削过程中，当主切屑刃与工件不分离，切削速度和方向等参数产生周期性变化，当主切削刃与工件时切时离，切削过程变成了脉冲式的断续切削。当振动参数、进给量和主轴转速等选择合理时，能够明显提高钻入定位精度、孔的表面粗糙度、尺寸精度、降低出口毛刺和延长钻头寿命。

加工材料通常包括高温合金、高强钢、陶瓷材料等。这些材料一般都具有相同的特征，大多数都是硬度很高，强度高，很难受到磨损，抗氧化能力强，以及能够很好的耐腐蚀，耐热性高。正是由于这些优点，这些材料被广泛地应用到机械、国防、航空或者工业等各种领域。但也正因为其较高的硬度和自身的脆性，这些材料在加工过程中在很大程度上会损害原材料的价值，不能发挥其自身的最大效益。有研究表明，超声加工技术可以降低切削与加工带来的损伤，从而减少刀具的磨损量，也能在一定程度上降低脆性材料的破损程度，此外对于材料表面微裂纹的产生也有一定的减少作用，并且超声波加工技术，能够提升加工质量和效率。

难加工材料如碳纤维、不锈钢、钛合金等，这些材料的特点是抗腐蚀性好、热导率高、热强度高、弹性模量小的特点，广泛用于航空航天、船舶舰艇、冶金、医疗等领域。难加工材料在加工过程中尤其是钻孔等加工时，切削温度高，冷硬现象严重，单位面积切削力大，刀具磨损严重。如何有效地对钛合金等难加工材料钻孔一直是需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种复合振动钻床。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种复合振动钻床，包括机体、主轴、钻头、底座、支撑板和位于支撑板上方的工作台，还包括设置在支撑板和工作台之间的低频轴向振动装置以及与主轴相连的超声扭转振动装置，超声扭转振动装置用于控制钻头扭转振动。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种复合振动钻床，所述低频轴向振动装置包括气泵、振动壳体、轴套、低频振子和电动机；所述振动壳体由上端盖、筒状的振动壳体外壳和下端盖组成，振动壳体外壳上开有进气口和排气口，所述轴套为筒状结构，装在所述振动壳体外壳内，轴套外表面上设置有环形进气槽和环形排气槽，进气槽与排气槽在轴套外表面上下布置，进气槽在上，排气槽在下，进气槽上设有三个进气孔，排气槽上设有三个排气孔，进气孔和排气孔沿圆周方向交替均匀布置；所述低频振子装在所述轴套内，所述低频振子上竖直设置有三个上移槽和三个下移槽，上移槽和下移槽在低频振子外壁上沿圆周方向均匀分布，且上移槽和下移槽交替布置；低频振子与电动机连接，电动机带动低频振子发生旋转，气泵通过振动壳体外壳上的进气口将压力气体通入轴套上的进气槽，压力气体通过进气槽上的进气孔进入上移槽或者下移槽，压力气体推动低频振子发生上移或下移，产生轴向低频振动。低频振子继续旋转，当低频振子的上移槽或下移槽与轴套的排气孔连通时，上移槽或下移槽内的压力气体排到轴套的排气槽，排气槽内的气体通过振动壳体外壳上的排气口排出。

如上所述的一种复合振动钻床，低频振子的振动频率为10～1000Hz。

如上所述的一种复合振动钻床，工作台轴向振动的振幅为1～10μm。低频振子产生频率为10～1000Hz的轴向振动，通过低频轴向振动装置使得工作台发生振幅为1～10μm的低频轴向振动。

如上所述的一种复合振动钻床，所述超声扭转振动装置包括超声振动控制器、超声扭转振动刀柄和夹心扭转振动换能器，夹心扭转振动换能器内具有压电陶瓷组(夹心扭转振动换能器为现有技术，其结构中的压电陶瓷组可将超声电振荡信号转换为超声扭转振动)；夹心扭转振动换能器安装在超声扭转振动刀柄内部，超声扭转振动刀柄通过超声电缆与超声振动控制器连接，接受超声振动控制器产生的超声电振荡信号并传递到夹心扭转振动换能器；超声扭转振动刀柄与主轴连接；超声扭转振动刀柄下段设有与夹心扭转振动换能器连接的变幅杆，变幅杆另一端与钻头连接。

如上所述的一种复合振动钻床，超声扭转振动刀柄与主轴通过拉钉连接。

如上所述的一种复合振动钻床，所述压电陶瓷组的振幅为4～10μm，所述变幅杆能够将压电陶瓷组的振动放大到10～100μm(满足该功能的变幅杆可以从市面上选择得到)，由变幅杆放大的扭转振动传递给钻头，实现钻头的超声扭转振动钻削。

如上所述的一种复合振动钻床，超声扭转振动装置还包括外壳和后端盖，外壳通过两个完全相同的轴承安装在超声扭转振动刀柄圆柱部分，后端盖通过螺栓与超声扭转振动刀柄圆柱部分连接。

本发明的原理如下：

振动钻削技术依旧存在着诸多问题，如在振动钻削机理方面并未完全形成成熟可用的理论分析方法；振动钻削过程中的能量和振幅并非完全作用于孔加工过程，而是存在一定程度的损失，使得试验与理论分析间的匹配出现较大差异，这些情况均限制了振动钻削技术的推广与应用。本发明的一种复合振动钻床，由超声振动控制器驱动超声振动控制装置实现钻头的扭转振动，由低频振动控制装置实现工件的轴向振动，实现超声扭转振动和低频轴向振动的复合振动。本发明通过超声与低频振动结合，可以加工难切削材料和脆硬性材料以及叠层材料，且超声扭转振动施加在钻头位置相较于传统的施加在工作台位置更容易实现。具体地，低频轴向振动钻削能明显降低材料的切削温度和残余应力，更好地进行断屑排屑，提高孔的表面质量、形状精度和尺寸精度，减少出入口毛刺，在钻削CFRP、不锈钢、钛合金等难切削材料方面有显著的效果；超声扭转振动钻削产生高频冲击，可以改善材料的切削性能，降低切削力，从而降低刀具磨损，提高钻头使用寿命，特别适合加工脆硬材料，特别是非金属脆硬性材料，如玻璃、陶瓷等。由于科技的不断发展，在生产中为了提高装配的精度，往往采用叠层结构钻孔，而叠层材料的性能和工艺参数差异大，使得钻孔质量差、刀具寿命短。本发明利用低频振动钻削碳纤维/碳合金叠层材料时，低频振动钻削对碳纤维孔壁的质量有明显改善。采用低频轴向振动和超声扭转振动复合钻削，可以加工难切削材料和脆硬性材料以及叠层材料，拓宽振动钻削的应用范围。

此外，现有技术实现低频轴向振动，通常用凸轮结构来实现，但是凸轮结构的缺点是点线接触易磨损且加工成本高，相比之下，本发明的结构采用气动装置，气动装置结构简单，安装维护方便，介质为空气，成本低，可靠性高，使用寿命长。

有益效果：

本发明采用由超声振动控制装置控制钻头的扭转振动，由低频振动控制装置控制工件的轴向振动，实现超声扭转振动和低频轴向振动的复合振动，可以加工难切削材料和脆硬性材料以及叠层材料。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为超声扭转振动刀柄结构图；

图3为低频轴向振动装置示意图；

图4为低频振子示意图；

图5为轴套的结构示意图；

1-主轴，2-超声扭转振动装置，3-变幅杆，4-钻头，5-工作台，6-低频轴向振动装置，7-机体，8-支撑板，9-底座，10-拉钉，11-超声扭转振动刀柄，12-轴承，13-外壳，14-夹心扭转振动换能器，15-压电陶瓷组，16-后端盖，17-螺栓，18-上端盖，19-进气孔，20-进气口，21-上移槽，22-振动壳体外壳，23-排气口，24-低频振子，25-进气槽，26-下移槽，27-轴套，28-排气孔，29-排气槽，30-下端盖。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

一种复合振动钻床，如图1～3所示，包括机体7、主轴1、钻头4、底座9、支撑板8、位于支撑板8上方的工作台5、设置在支撑板8和工作台5之间的低频轴向振动装置6以及与主轴1相连的超声扭转振动装置2；

低频轴向振动装置6包括气泵、振动壳体、轴套27、低频振子24和电动机；振动壳体由上端盖18、筒状的振动壳体外壳22和下端盖30组成；

振动壳体外壳22上开有进气口20和排气口23，轴套27为筒状结构，如图5所示，装在振动壳体外壳22内，外表面上设置有环形进气槽25和环形排气槽29，进气槽25与排气槽29在轴套27外表面上下布置，进气槽25在上，排气槽29在下，进气槽25上设有三个进气孔19，排气槽29上设有三个排气孔28，进气孔19和排气孔28沿圆周方向交替均匀布置；

如图4所示，低频振子24装在轴套27内，低频振子24上竖直设置有三个上移槽21和三个下移槽26，上移槽21和下移槽26在低频振子24外壳上沿圆周方向均匀分布，且上移槽21和下移槽26交替布置；低频振子24与电动机连接，电动机带动低频振子24发生旋转，气泵通过振动壳体外壳22上的进气口20将压力气体通入轴套27上的进气槽25；

低频振子24的振动频率为10～1000Hz，工作台5轴向振动的振幅为1～10μm(低频振子24产生频率为10～1000Hz的轴向振动，通过低频轴向振动装置使得工作台5发生振幅为1～10μm的低频轴向振动)；

超声扭转振动装置2包括超声振动控制器、超声扭转振动刀柄11、夹心扭转振动换能器14、外壳13和后端盖16；

夹心扭转振动换能器14安装在超声扭转振动刀柄11内部，超声扭转振动刀柄11通过超声电缆与超声振动控制器连接，接受超声振动控制器产生的超声电振荡信号并传递到夹心扭转振动换能器14；超声扭转振动刀柄11通过拉钉10与主轴1连接；超声扭转振动刀柄11下段设有与夹心扭转振动换能器14连接的变幅杆3，变幅杆3另一端与钻头4连接；

夹心扭转振动换能器14内具有压电陶瓷组15；压电陶瓷组15的振幅为4～10μm，变幅杆3能够将压电陶瓷组15的振动放大到10～100μm，由变幅杆3放大的扭转振动传递给钻头4，实现钻头4的超声扭转振动钻削；

外壳13通过两个完全相同的轴承12安装在超声扭转振动刀柄11圆柱部分，后端盖16通过螺栓17与超声扭转振动刀柄11圆柱部分连接。

具体的应用过程：钻床进行钻削时，机床主轴1转动，带动超声扭转振动装置2里的夹心扭转振动换能器14发生转动，超声振动控制器向夹心扭转振动换能器14提供电振荡信号，夹心扭转振动换能器14上的压电陶瓷组15将电振荡信号转化为超声扭转振动，由变幅杆3将产生的超声扭转振动放大并传递到钻头4，实现钻头4的超声扭转振动。同时，气泵连接振动壳体外壳22上的进气口20，压力气体通过进气口20进入轴套27上的环形进气槽25，电动机带动低频振子24旋转，当低频振子24的上移槽21或下移槽26旋转至轴套上的进气孔19位置时，压力气体通过进气孔19进入上移槽21或下移槽26，推动低频振子24向上或向下移动，当低频振子24的上移槽21或下移槽26与轴套27的排气孔28连通时，上移槽21或下移槽26内的压力气体通过排气孔28排到轴套27上的排气槽29，排气槽29内的气体通过振动壳体外壳22上的排气口23排出。低频振子24在旋转过程中，由于上移槽21和下移槽26不断地进气与排气，产生低频轴向振动，从而实现工作台5的低频轴向振动。

Claims (8)

1.一种复合振动钻床，包括机体(7)、主轴(1)、钻头(4)、底座(9)、支撑板(8)和位于支撑板(8)上方的工作台(5)，其特征在于：还包括设置在支撑板(8)和工作台(5)之间的低频轴向振动装置(6)以及与主轴(1)相连的超声扭转振动装置(2)，超声扭转振动装置(2)用于控制钻头(4)扭转振动。

2.根据权利要求1所述的一种复合振动钻床，其特征在于，所述低频轴向振动装置(6)包括气泵、振动壳体、轴套(27)、低频振子(24)和电动机；所述振动壳体由上端盖(18)、筒状的振动壳体外壳(22)和下端盖(30)组成，振动壳体外壳(22)上开有进气口(20)和排气口(23)，所述轴套(27)为筒状结构，装在所述振动壳体外壳(22)内，轴套(27)外表面上设置有环形进气槽(25)和环形排气槽(29)，进气槽(25)与排气槽(29)在轴套(27)外表面上下布置，进气槽(25)在上，排气槽(29)在下，进气槽(25)上设有三个进气孔(19)，排气槽(29)上设有三个排气孔(28)，进气孔(19)和排气孔(28)沿圆周方向交替均匀布置；所述低频振子(24)装在所述轴套(27)内，所述低频振子(24)上竖直设置有三个上移槽(21)和三个下移槽(26)，上移槽(21)和下移槽(26)在低频振子(24)外壁上沿圆周方向均匀分布，且上移槽(21)和下移槽(26)交替布置；低频振子(24)与电动机连接，气泵通过振动壳体外壳(22)上的进气口(20)将压力气体通入轴套(27)上的进气槽(25)。

3.根据权利要求2所述的一种复合振动钻床，其特征在于，低频振子(24)的振动频率为10～1000Hz。

4.根据权利要求3所述的一种复合振动钻床，其特征在于，工作台(5)轴向振动的振幅为1～10μm。

5.根据权利要求1所述的一种复合振动钻床，其特征在于，所述超声扭转振动装置(2)包括超声振动控制器、超声扭转振动刀柄(11)和夹心扭转振动换能器(14)，夹心扭转振动换能器(14)内具有压电陶瓷组(15)；夹心扭转振动换能器(14)安装在超声扭转振动刀柄(11)内部，超声扭转振动刀柄(11)通过超声电缆与超声振动控制器连接，接受超声振动控制器产生的超声电振荡信号并传递到夹心扭转振动换能器(14)；超声扭转振动刀柄(11)与主轴(1)连接；超声扭转振动刀柄(11)下段设有与夹心扭转振动换能器(14)连接的变幅杆(3)，变幅杆(3)另一端与钻头(4)连接。

6.根据权利要求5所述的一种复合振动钻床，其特征在于，超声扭转振动刀柄(11)与主轴(1)通过拉钉(10)连接。

7.根据权利要求6所述的一种复合振动钻床，其特征在于，所述压电陶瓷组(15)的振幅为4～10μm，所述变幅杆(3)能够将压电陶瓷组(15)的振动放大到10～100μm。

8.根据权利要求7所述的一种复合振动钻床，其特征在于，超声扭转振动装置还包括外壳(13)和后端盖(16)，外壳(13)通过两个完全相同的轴承(12)安装在超声扭转振动刀柄(11)圆柱部分，后端盖(16)通过螺栓(17)与超声扭转振动刀柄(11)圆柱部分连接。

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