CN113601279A - 一种工件径向超声振动辅助磨削装置及其操作工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种工件径向超声振动辅助磨削装置及其操作工艺，该装置主要包括两个压电陶瓷超声换能器、两个超声变幅杆、方向转换器、两个法兰支撑结构、中间支撑座以及隔振底板，其中，方向转换器是三维空间中呈十字交叉对称分布的结构，其每个方向的横截面均为正方形。方向转换器的左右两侧分别与两个超声变幅杆的输出端相连接，前后两侧分别为振动节点，上侧表面用来固定工件，两个压电陶瓷超声换能器分别安装在超声变幅杆的输入端。方向转换器将超声变幅杆的水平超声振动转换为竖直方向的超声振动，进而带动工件沿着砂轮径向方向振动。本发明结构简单，便于控制，将水平振动方向转换为工件的径向振动，进而实现工件径向超声振动辅助磨削加工。

Description

一种工件径向超声振动辅助磨削装置及其操作工艺
技术领域
本发明属于磨削加工技术和复合加工技术领域，尤其涉及一种工件径向振动的超声振动辅助磨削装置。
技术背景
随着我国航空工业的发展需要，许多新型材料应运而生，其中就包含单晶高温合金、金属间化合物、以及各种复合材料等，这些材料具有轻质、高强、高模、高韧、耐高温等优异性能，但是也给材料的加工带来了巨大的挑战。
磨削加工是解决难加工材料加工难题的一种有效方法之一，其具有加工效率高、加工质量好以及工艺范围广等优点。为了提高磨削效率和磨削质量，高速磨削、缓进给磨削、高效深切磨削等磨削工艺虽然已被广泛应用，但是加工表面的热损伤、砂轮寿命短等问题仍然未被很好地解决。
超声振动辅助磨削加工是在传统磨削加工的基础上，通过对砂轮或工件施加一维或多维超声振动实现材料去除的一种复合加工技术。特别是径向超声振动磨削可以不受磨削速度的制约，可保证砂轮和工件的断续接触，从而有利于切削液进入磨削弧区，降低磨削温度，同时，超声振动的微冲击作用有利于砂轮实现微破碎，增强砂轮的使用寿命。
目前，超声磨削装置已得到了广泛的应用，而且大部分装置主要是针对砂轮施加超声振动。如发明专利（公开号：CN206286938U）公开了一种将砂轮固定在超声波刀柄末端从而实现磨削加工的装置，但是可用的砂轮直径较小，很难适用于高速重载的加工场合。发明专利（公开号：CN110899077A）公开了一种对工件施加切向振动的磨削装置，可实现大型零件的超声磨削加工，但是要满足特定的工艺参数范围才能达到断续切削的目的。基于工件径向振动的超声磨削工艺有很好的适用性，但是对工件施加径向振动的磨削装置却鲜有报道。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供了一种工件径向超声振动辅助磨削装置，可应用于高速重载的磨削加工场合。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种工件径向超声振动辅助磨削装置，包括两个压电陶瓷超声换能器、两个超声变幅杆、方向转换器、两个法兰支撑结构、中间支撑座以及隔振底板；方向转换器的左右两侧与两个超声变幅杆的输出端通过双头螺柱相连接，前后两侧通过螺栓固定在中间支撑座上，上侧表面固定磨削工件，超声变幅杆通过法兰与法兰支撑结构连接，两个压电陶瓷超声换能器通过双头螺柱与超声变幅杆的输入端连接，法兰支撑结构和中间支撑座通过螺栓均固定在隔振底板上。
方向转换器是三维空间中呈十字交叉对称分布的结构，每个方向的横截面均为正方形，左右两侧面中心位置有螺纹孔，前后两侧为振动节点位置并有竖直方向的通孔，上侧表面四个顶点位置处有螺纹孔。
超声变幅杆为输入端接圆柱的复合圆锥形变幅杆，输入端端面和输出端端面均设有螺纹孔，振动节点处有法兰，法兰圆周均布通孔。
法兰支撑结构主要包括支撑底座、移动套环和支撑盖组成，支撑底座和支撑盖通过螺栓可夹紧移动套环，移动套环可沿轴向方向移动，其一侧端面设有与超声变幅杆法兰对应的螺纹孔，超声变幅杆的法兰通过螺栓固定在移动套环上。
隔振底板是左右对称结构，在固定法兰支撑结构和中间支撑座之间的区域设有N列交错排列尺寸一致、等间距的通孔，该通孔的用途在于耗散超声变幅杆传递给固定法兰支撑结构的能量，防止中间支撑座因振动从而影响方向转换器振动的稳定性。
两个压电陶瓷超声换能器、两个超声变幅杆以及方向转换器有相同的谐振频率，两个压电陶瓷超声换能器通过同一个超声电源进行激励。
一种工件径向超声振动辅助磨削装置的操作工艺，步骤如下：
（1）、隔振底板固定于机床工作台，工件通过螺栓固定在方向转换器的上侧表面；
（2）、开启超声电源，两个压电超声换能器产生频率和振幅相同，振动方向相反的超声振动，经过超声变幅杆将振幅放大，进而驱动方向转换器沿水平方向振动；
（3）、方向转换器将水平方向的超声振动转换为竖直方向上侧表面的超声振动，进而带动工件沿着砂轮的径向方向振动，实现工件径向超声振动辅助磨削，其中所实现的径向振动的大小取决于压电超声换能器的功率、超声变幅杆的放大系数和方向转换器的转换系数。
有益效果：
（1）本发明通过方向转换器将超声变幅杆的水平超声振动转换为竖直方向的超声振动，进而带动工件沿着砂轮径向方向振动。本发明结构简单，便于控制，可实现工件径向超声振动辅助磨削加工。
（2）本发明实现的径向超声振动不受磨削速度的制约，可达到断续切削的目的，同时有利于切削液进入磨削弧区，降低磨削温度，减缓磨削烧伤，进而可采用更大的磨削工艺参数，提高加工效率。
附图说明
图1是本发明工件径向超声振动辅助磨削装置的整体结构示意图；
图2是图1中方向转换器结构示意图；
图3是图1中超声变幅杆结构示意图；
图4是图1中支撑底座结构示意图；
图5是图1中移动套环结构示意图；
图6是图1中支撑盖结构示意图；
图7是图1中中间支撑座结构示意图；
图8是图1中隔振底板结构示意图；
图9是方向转换器的振动转换方向矢量云图。
主要附图标记的说明：压电陶瓷超声换能器-1、1-1，超声变幅杆-2、2-1，方向转换器-3，移动套环-4、4-1，支撑盖-5、5-1，支撑底座-6、6-1，中间支撑座-7，隔振底板-8。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图具体说明本发明的技术方案。
实施例1
图1是本发明工件径向超声振动辅助磨削装置的整体结构示意图；如图1所示，一种工件径向超声振动辅助磨削装置，包括压电陶瓷超声换能器1和1-1、超声变幅杆2和2-1、方向转换器3、法兰支撑结构、中间支撑座7以及隔振底板8。压电陶瓷超声换能器1、1-1，超声变幅杆2、2-1，方向转换器3同轴对称布置。
方向转换器3的左右两侧9和15分别与两个超声变幅杆2和2-1的输出端通过双头螺柱相连接，前后两侧11、16通过螺栓固定在中间支撑座7上，上侧表面13固定磨削工件，超声变幅杆2通过法兰与法兰支撑结构连接，两个压电陶瓷超声换能器1、1-1通过双头螺柱分别与超声变幅杆2、2-1的输入端连接，法兰支撑结构和中间支撑座7通过螺栓固定在隔振底板8上。
图2是方向转换器3的结构示意图，所述的方向转换器3是三维空间中呈十字交叉对称分布的结构，每个方向的横截面均为正方形，左右两侧面9、15中心位置有螺纹孔10，前后两侧11、12为振动节点位置并有竖直方向的通孔12，上侧表面13四个顶点位置处有螺纹孔14。
图3是图1中超声变幅杆结构示意图，如图3所示，超声变幅杆2、2-1为输入端17接圆柱的复合圆锥形变幅杆，输入端17端面和输出端19端面均设有螺纹孔，振动节点处有法兰18，法兰圆周均布4个通孔。
图4是图1中支撑底座结构示意图、图5是图1中移动套环结构示意图、图6是图1中支撑盖结构示意图，参照图4-6所示，法兰支撑结构主要包括支撑底座6（图4）、移动套环4（图5）和支撑盖5（图6），支撑底座6和支撑盖5通过螺栓可夹紧移动套环4，移动套环4可沿轴向方向移动，其一侧端面设有与超声变幅杆2法兰18对应的4个螺纹孔，超声变幅杆2的法兰18通过螺栓固定在移动套环4上。
隔振底板8是左右对称结构，在固定法兰支撑结构和中间支撑座7（图7）之间的区域设有3列相互交错排列的通孔20，如图8所示。
两个压电陶瓷超声换能器1和1-1、两个超声变幅杆2和2-1以及方向转换器3有相同的谐振频率，两个压电陶瓷超声换能器1和1-1通过同一个超声电源进行激励。
上述的工件径向超声振动辅助磨削装置的操作工艺步骤如下：
（1）、隔振底板8固定于机床工作台，工件通过螺栓固定在方向转换器3的上侧表面13；
（2）、开启超声电源，两个压电超声换能器1和1-1产生频率和振幅相同，振动方向相反的超声振动，经过超声变幅杆2、2-1将振幅放大，进而驱动方向转换器3沿水平方向振动；
（3）、方向转换器3将水平方向的超声振动转换为竖直方向上侧表面13超声振动（图9），进而带动工件沿着砂轮径向方向振动，实现工件径向超声振动辅助磨削加工。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种工件径向超声振动辅助磨削装置，其特征在于，包括两个压电陶瓷超声换能器、两个超声变幅杆、方向转换器、两个法兰支撑结构、中间支撑座以及隔振底板；
两组压电陶瓷超声换能器、超声变幅杆以方向转换器为中心对称布置，且分别借助法兰支撑结构固定在隔振底板上，方向转换器同时连接两个超声变幅杆的小端，且经中间支撑座固定在隔振底板上；工件放置在方向转换器的顶部；
压电陶瓷超声换能器1、1-1，超声变幅杆2、2-1，方向转换器3的中心轴重合。
2.根据权利要求1所述工件径向超声振动辅助磨削装置，其特征在于，方向转换器的左右两侧与两个超声变幅杆的输出端通过双头螺柱相连接，前后两侧通过螺栓固定在中间支撑座上，上侧表面固定磨削工件，超声变幅杆通过法兰与法兰支撑结构连接，两个压电陶瓷超声换能器通过双头螺柱与超声变幅杆的输入端连接，法兰支撑结构和中间支撑座通过螺栓均固定在隔振底板上。
3.根据权利要求1或2所述的一种工件径向超声振动辅助磨削装置，其特征在于，方向转换器是三维空间中呈十字交叉对称分布的结构，每个方向的横截面均为正方形，左右两侧面中心位置有螺纹孔，前后两侧为振动节点位置并有竖直方向的通孔，上侧表面四个顶点位置处有螺纹孔。
4.根据权利要求1所述的一种工件径向超声振动辅助磨削装置，其特征在于，超声变幅杆为输入端接圆柱的复合圆锥形变幅杆，输入端端面和输出端端面均设有螺纹孔，振动节点处设有法兰，法兰圆周均布通孔。
5.根据权利要求1所述的一种工件径向超声振动辅助磨削装置，其特征在于，法兰支撑结构主要包括支撑底座、移动套环和支撑盖，支撑底座和支撑盖通过螺栓夹紧移动套环，移动套环可沿轴向水平移动，其一侧端面设有与超声变幅杆法兰对应的螺纹孔，超声变幅杆的法兰通过螺栓固定在移动套环上。
6.根据权利要求1所述的一种工件径向超声振动辅助磨削装置，其特征在于，隔振底板是左右对称结构，在两个法兰支撑结构和中间支撑座之间的区域设有N（N≥3）列交错排列尺寸一致的通孔。
7.根据权利要求6所述的一种工件径向超声振动辅助磨削装置，其特征在于，隔振底板上通孔的排布规律是在列方向上，奇数列通孔的数量为m，偶数列通孔的数量为m-1，奇偶列通孔的列间距相等；在行方向上，偶数列通孔的圆心位于奇数列相邻孔圆心连线的垂直平分线上，奇偶列通孔的行间距也相等。
8.根据权利要求1所述的一种工件径向超声振动辅助磨削装置，其特征在于，两个压电陶瓷超声换能器、两个超声变幅杆以及方向转换器有相同的谐振频率，两个压电陶瓷超声换能器通过同一个超声电源进行激励。
9.权利要求1所述的一种工件径向超声振动辅助磨削装置的操作工艺，其特征在于，步骤如下：
（1）、隔振底板固定于机床工作台，工件通过螺栓固定在方向转换器的上侧表面；
（2）、开启超声电源，两个压电超声换能器产生频率和振幅相同，振动方向相反的超声振动，经过超声变幅杆将振幅放大，进而驱动方向转换器沿水平方向振动；
（3）、方向转换器将水平方向的超声振动转换为竖直方向上侧表面超声振动，进而带动工件沿着砂轮径向方向振动，实现工件径向超声振动辅助磨削。
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