CN113843459B - 一种用于高效精密超声磨削加工扬矿管螺纹的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高效精密超声磨削加工扬矿管螺纹的装置及其使用方法，本发明主要由特殊结构超声振动变幅杆，压电激励器，超声电源，特殊结构的支撑件，特殊结构的砂轮，驱动装置，阻尼器，垫片组成。本发明能够实现精密加工成深海扬矿管的螺纹表面的高性能形貌，提高扬矿管螺纹的连接性能。

Description

一种用于高效精密超声磨削加工扬矿管螺纹的装置及其使用 方法

技术领域

本发明属于机械佳通领域，尤其涉及一种用于高效精密超声磨削加工扬矿管螺纹的装置。

背景技术

扬矿管是深海采矿系统必不可少的部件，其中扬矿管螺纹的连接性能在深海采矿系统可靠性与使用成本中占着至关重要的地位。螺纹连接性能与其的表面形貌与精度密切相关。为满足深海工况中高压高频冲击下高连接性能的要求，连接外螺纹通常采用变槽宽与深螺纹结构，其几何结构复杂。磨削作为现有常用的精加工工艺，其加工效率与表面形貌精度均难以满足深海扬矿螺纹的需求。而超声振动辅助加工能够降低切削过程中的切削力及与热，提高切削加工材料去除效率。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种用于高效精密超声磨削加工扬矿管螺纹的装置。本发明主要由特殊结构超声振动变幅杆，压电激励器，超声电源，支撑件，砂轮，驱动装置，阻尼器，垫片组成。本发明专利能够实现精密创成深海扬矿管的螺纹表面的高性能形貌，提高扬矿管螺纹的连接性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种用于高效精密超声磨削加工扬矿管螺纹的装置，包括超声变幅杆6，超声变幅杆6底端两侧均向外突起成形成连接部；连接部通过第一连接件7连接有机床工作台4，连接部上均安装有压电致动器5；超声变幅杆6外周安装有固定在机床工作台4上的圆柱体支撑装置3，圆柱体支撑装置3连接有第一支撑装置8，第一支撑装置8与超声变幅杆6的顶端固定连接，第一支撑装置8连接有高速电机9，高速电机9通过传动轴11连接有偏心盘12，偏心盘12的偏心处安装有偏心轴件14，偏心轴件14连接有砂轮13。

进一步的改进，所述第一连接件7 包括连接件主体71，连接件主体71为T形，且中部成形有正八边形的通孔72，所述连接部为正八边形，且插入通孔72内；所述连接件主体71与机床工作台4之间安装有第一垫圈73，连接件主体71通过第一螺栓74与机床工作台4相连；连接件主体71与第一螺栓74之间安装有第二垫圈75；连接部与通孔72之间安装有第三垫圈76。

进一步的改进，所述第一支撑装置8外侧面位为八面体状，内侧为六面体状；第一支撑装置8内侧面通过第二连接件10与高速电机9相连。

进一步的改进，所述第二连接件10为高锰钢垫圈，高锰钢垫圈的内外侧均安装由玻璃纤维与橡胶复合而成的复合垫圈。

进一步的改进，所述第一支撑装置8通过第三连接件15与偏心盘12轴接连接；所述第三连接件15外侧通过螺栓卡槽与第一支撑装置8相连，内侧通过轴承与偏心盘12轴接。

进一步的改进，所述超声变幅杆6包括圆柱状主体64，圆柱状主体64顶端通过振幅扩大段63连接有圆柱形的输出段62，输出段62顶端形成振幅输出端61；振幅扩大段63沿顶端方向逐渐变细，且其轴向截面为高斯曲线状；振幅输出端61的直径为D，输出段62的长度为0.25－0.3D；振幅输出端61与输出段62通过圆弧过渡，圆弧半径为0.２ｍｍ；振幅输出端61的长度即超声变幅杆端部的直径；圆柱状主体64的长度为２-３D，直径D１为1.2－1.5D；圆柱状主体64与振幅扩大段63通过圆弧过渡，圆弧半径为0.３－0.4ｍｍ，且圆柱状主体64直径大于 振幅扩大段63直径 ；所述连接部包括端部的连接段66，连接段66内侧为用于安装压电致动器5的圆环状凹槽67；连接段660.2－0.4D，圆环状凹槽67距离圆柱状主体64的长度为0.3－0.4倍振幅输出端61的长度。

进一步的改进，所述偏心轴件（14）的偏心轴心处与偏心盘（12）的圆心距离为L；；其中，/>为最大磨削深度；/>为进给量。

一种用于高效精密超声磨削加工扬矿管螺纹的装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一、开启超声装置及高速电机，设定初始位置A（0，0，０），以径向，竖直方向预设的进给速度逐渐将砂轮（１３）靠近粗加工的螺纹的底部，当磨削发生时，记录位置为A１（ｘ１，ｙ１，ｚ１）；

步骤二、然后砂轮向前进给运动，直至砂轮侧面与螺纹侧面接触，记录位置A２（ｘ２，ｙ２，ｚ２），砂轮向后（进给运动，直至砂轮侧面与螺纹侧面接触，记录位置A３（ｘ３，ｙ３，ｚ３）；

步骤三、床卡紧扬矿管旋转运动速度为N，则在精密高效磨削加工时，其轴向的进给量为，砂轮的直径为ｄ，磨削速度为ｖ；/>，n为砂轮的转速 ，则高效精密加工螺纹的轴向的进给量/>参数为 /> ；确定以上参数后，开始正式加工；其中，/>为理想的需要精加工完成的螺纹点的切向角度，/>为粗加工后的螺纹点的切向角度；r1为杨宽管螺纹截面的半径；

步骤四、对刀，开启超声装置，加工左侧螺纹，将砂轮移动到A２位置，机床卡紧扬矿管旋转运动速度为N，轴向的进给量参数为 />，则以不发生磨削烧伤，无明显振动的准则确定转速，这个转速通过试验测试获得；

步骤五、加工右侧螺纹，将砂轮移动到A３位置，机床卡紧扬矿管旋转运动速度为N，轴向的进给量为： />，转速ｎ则以不发生磨削烧伤，无明显振动的准则确定转速。

进一步的改进，所述预设的进给速度为1ｍｍ／ｍｉｎ；n通过以下方法得到：通过试验确定临界磨削速度 ，再求的ｎ为：/> 。

附图说明

图1为超声磨削加工装置示意图；

图2为超声变幅杆的结构示意图；

图3为第一连接件的结构示意图；

图4为扬矿管螺纹的粗加工界面与精加工界面示意图。

实施方式

以下通过具体实施方式并且结合附图对本发明的技术方案作具体说明。

1为杨矿管接头，其连接处已有粗加工的螺纹。其固定在机床工作台上，通过大型机床卡盘卡紧在机床上，可实现旋转运动。

2为支撑件，其与第一支撑装置8和圆柱体支撑装置3连接，支撑件2通过卡槽与圆柱体支撑装置3以及第一支撑装置8连接，支撑件2与第一支撑装置8连接处为高速电机9振动中的振型节点处，避免振动传递到支撑件2。降低能量耗散效率。且支撑件2与第一支撑装置8连接卡槽处，有橡胶与玻璃纤维复合而成的垫圈，具有耐磨润滑降振的功能。支撑件2圆柱体，内部为八边形孔，外部为圆形。八边形能够限制第一支撑装置8的转动，外部圆形能够最大化其与圆柱体支撑装置3的接触面积，提高稳定性。

3为圆柱体支撑装置，其内部为圆孔，外部为等六变形，其余支撑装置通过卡槽与螺栓连接。限制支撑装置3的旋转运动。

4为机床工作台，能够左右上下移动。

5为压电致动器，其与超声电源连接，激励超声变幅杆产生超声振动，在超声变幅杆有上安装了2个。

6为超声变幅杆，其结构如图2所示，后面详细介绍。

7为第一连接件，其通过垫圈，螺栓将超声变幅杆固定在机床移动工作台上，如图3所示。其中特殊结构连接件与超声变幅杆连接位置为超声变幅杆的振型节点处。

8为第一支撑装置，为凹状，其中外侧为八面体状，内侧为六面体状。支撑装置与超声变幅杆顶端固定连接。

9为高速电机，用于驱动砂轮及传动装置旋转，其与第一支撑装置8底端通过支撑垫圈与连接件10卡紧，支撑垫圈与连接件隔振，降低传动给高速电机的振动。

10为第二连接件，第二连接件为圆环状，外侧为六面体，内侧为圆弧状，其中连接件的内外侧均安装由玻璃纤维与橡胶复合而成的复合垫圈。连接件10为高锰钢垫圈。

11为传动轴，将高速旋转运动传递给偏心盘12。

12为偏心盘，其为圆柱体，距离其轴心L处有一个节点，用于安装偏心轴件14。

13为砂轮，其为圆盘状，其外侧边缘结构为与扬矿管外螺纹结构一致，实现仿形加工，其通过偏心件14与偏心盘连接。

14为偏心件，通过螺栓、卡槽与砂轮13，偏心盘12连接固定。实现超声轴向（水平）与径向（竖直）振动，及高速旋转运动。

15为第三连接件，将第一支撑装置8的超声振动传递给偏心盘，连接件15外侧与第一支撑装置8 通过螺栓卡槽连接固定，内侧通过轴承与偏心盘连接，偏心盘的旋转不会对连接件15造成干涉，连接件15的超声轴向（水平）与径向（竖直）振动可传递给偏心盘12。

6为超声振动变幅杆，其结构如图2所示。

61为超声变幅杆的振幅输出端，其直径为D。

6２为与6１截面连接6，其截面为圆形，其长度为6１直径D的0.25－0.3，6１与6２通过圆弧过渡，其圆弧半径为0.２ｍｍ。

6３为超声振动变幅杆的振幅扩大6，其截面为高斯曲线，横截面为圆形，6３与6２通过圆弧过渡，其圆弧半径为0.5ｍｍ。

6４为圆柱状，其长度为２－３倍的直径D，其直径D１为1.2－1.5倍的D。6３与6４通过圆弧过渡，其圆弧半径为0.３－0.4ｍｍ。

6５为八面体状棱柱，其长度为6１直径D的1.1－1.2倍。

6６安装连接件７，连接件７安装在超声振动振型节点处，6６长度为0.2－0.4倍的直径D。

6７为圆环状凹槽，用于安装压电致动器。其距离6４的长度约为0.3－0.4倍的6１长度。

超声变幅杆以段１中心截面对称。

偏心盘的偏心旋转运动会改变磨削深度，即在一个偏心盘旋转周期内，其磨削深度会变化，其变化过程如下：

，其中/> 为圆周率，ｎ为转速，L为偏心盘轴线与偏心轴轴线的距离，ｆｚ为进给量。

最大磨削深度 及对应磨削速度/> 可以依据离散法求得的切削加工稳定区域确定。

则

偏心盘的偏心旋转运动，超声的轴向与径向振动造成了磨削深度的变化，磨削角度的变化。由于超声磨削力较小，不超过５０N，难以对超声振动幅值造成明显抑制，可以不考虑磨削力对幅值的影响。

一、精密磨削加工杨矿管螺纹，则按照以下步骤进行

１.开启超声装置及高速电机，设定初始位置A（0，0，０），以1ｍｍ／ｍｉｎ的进给速度（径向，竖直方向）逐渐将砂轮１３靠近粗加工的螺纹的底部，当磨削发生时，记录位置为A１（ｘ１，ｙ１，ｚ１）。

2.然后砂轮向前（左边）进给运动，直至砂轮侧面与螺纹侧面接触，记录位置A２（ｘ２，ｙ２，ｚ２），砂轮向后（右边）进给运动，直至砂轮侧面与螺纹侧面接触，记录位置A３（ｘ３，ｙ３，ｚ３）。

3.粗加工螺纹与精加工螺纹界面如４所示。机床卡紧扬矿管旋转运动速度为N，则在精密高效磨削加工时，其轴向（水平方向）的进给量为ｆｄ，砂轮的直径为ｄ，磨削速度为ｖ。

，则高效精密加工螺纹的轴向（水平方向）的进给量ｆｄ参数（每分钟的轴向位移）为 /> 确定以上参数后，开始正式加工。

４.对刀，开启超声装置，加工左侧螺纹，将砂轮移动到A２位置，机床卡紧扬矿管旋转运动速度为N，轴向（水平方向）的进给量ｆｄ参数（每分钟的轴向位移）为。转速ｎ则以不发生磨削烧伤，无明显振动的准则确定转速，可通过试验确定临界磨削速度/> ，再求的ｎ为：

５.加工右侧螺纹，将砂轮移动到A３位置，机床卡紧扬矿管旋转运动速度为N，轴向（水平方向）的进给量ｆｄ参数（每分钟的轴向位移）为 。转速ｎ则以不发生磨削烧伤，无明显振动的准则确定转速，可通过试验确定临界磨削速度/>，再求的ｎ为：

尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。

Claims (1)

1.一种用于高效精密超声磨削加工扬矿管螺纹的装置，其特征在于，包括超声变幅杆（6），超声变幅杆（6）底端两侧均向外突起形成连接部；连接部通过第一连接件（7）连接有机床工作台（4），连接部上均安装有压电致动器（5）；超声变幅杆（6）外周安装有固定在机床工作台（4）上的圆柱体支撑装置（3），圆柱体支撑装置（3）连接有第一支撑装置（8），第一支撑装置（8）与超声变幅杆（6）的顶端固定连接，第一支撑装置（8）连接有高速电机（9），高速电机（9）通过传动轴（11）连接有偏心盘（12），偏心盘（12）的偏心处安装有偏心轴件（14），偏心轴件（14）连接有砂轮（13）；所述第一连接件（7）包括连接件主体（71），连接件主体（71）为T形，且中部成形有正八边形的通孔（72），所述连接部为正八边形，且插入通孔（72）内；所述连接件主体（71）与机床工作台（4）之间安装有第一垫圈（73），连接件主体（71）通过第一螺栓（74）与机床工作台（4）相连；连接件主体（71）与第一螺栓（74）之间安装有第二垫圈（75）；连接部与通孔（72）之间安装有第三垫圈（76）；所述第一支撑装置（8）外侧面位为八面体状，内侧为六面体状；第一支撑装置（8）内侧面通过第二连接件（10）与高速电机（9）相连；所述第二连接件（10）为高锰钢垫圈，高锰钢垫圈的内外侧均安装由玻璃纤维与橡胶复合而成的复合垫圈；所述第一支撑装置（8）通过第三连接件（15）与偏心盘（12）轴接连接；所述第三连接件（15）外侧通过螺栓卡槽与第一支撑装置（8）相连，内侧通过轴承与偏心盘（12）轴接；所述超声变幅杆（6）包括圆柱状主体（64），圆柱状主体（64）顶端通过振幅扩大段（63）连接有圆柱形的输出段（62），输出段（62）顶端形成振幅输出端（61）；振幅扩大段（63）沿顶端方向逐渐变细，且其轴向截面为高斯曲线状；振幅输出端（61）的直径为D，输出段（62）的长度为0.25－0.3D；振幅输出端（61）与输出段（62）通过圆弧过渡，圆弧半径为0.２ｍｍ；振幅输出端（61）的长度即超声变幅杆端部的直径；圆柱状主体（64）的长度为２-３D，直径D1为1.2－1.5D；圆柱状主体（64）与振幅扩大段（63）通过圆弧过渡，圆弧半径为0.３－0.4ｍｍ，且圆柱状主体（64）直径大于 振幅扩大段（63）直径 ；所述连接部包括端部的连接段（66），连接段（66）内侧为用于安装压电致动器（5）的圆环状凹槽（67）；连接段（66）长度为0.2－0.4D，圆环状凹槽（67）距离圆柱状主体（64）的长度为0.3－0.4倍振幅输出端（61）的长度；所述偏心轴件（14）的偏心轴心处与偏心盘（12）的圆心距离为L；；其中，/>为最大磨削深度；/>为进给量；所述用于高效精密超声磨削加工扬矿管螺纹的装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一、开启超声装置及高速电机，设定初始位置A（0，0，０），以径向、竖直方向预设的进给速度逐渐将砂轮（1３）靠近粗加工的螺纹的底部，当磨削发生时，记录位置为A1（ｘ1，ｙ1，ｚ1）；

步骤二、然后砂轮向前进给运动，直至砂轮侧面与螺纹侧面接触，记录位置A２（ｘ２，ｙ２，ｚ２），砂轮向后（进给运动，直至砂轮侧面与螺纹侧面接触，记录位置A３（ｘ３，ｙ３，ｚ３）；

步骤三、机床卡紧扬矿管旋转运动速度为N，则在精密高效磨削加工时，其轴向的进给量为，砂轮的直径为ｄ，磨削速度为ｖ；/>，n为砂轮的转速 ，则高效精密加工螺纹的轴向的进给量/>参数为 /> ；确定以上参数后，开始正式加工；其中，/>为理想的需要精加工完成的螺纹点的切向角度，/>为粗加工后的螺纹点的切向角度；r1为扬矿管螺纹截面的半径；

步骤四、对刀，开启超声装置，加工左侧螺纹，将砂轮移动到A２位置，机床卡紧扬矿管旋转运动速度为N，轴向的进给量参数为 />，则以不发生磨削烧伤，无明显振动的准则确定转速，这个转速通过试验测试获得；

步骤五、加工右侧螺纹，将砂轮移动到A３位置，机床卡紧扬矿管旋转运动速度为N，轴向的进给量为： />，转速ｎ则以不发生磨削烧伤，无明显振动的准则确定转速；所述预设的进给速度为1ｍｍ／ｍｉｎ；n通过以下方法得到：通过试验确定临界磨削速度/> ，再求的ｎ为：/> 。