CN114734344A - 一种三维超声振动辅助砂带磨削装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维超声振动辅助砂带磨削装置，包括二维超声振动装置、水平运动装置、竖向运动装置、竖向超声振动砂带磨头和床身。床身与水平运动装置以及竖向运动装置相连接，水平运动装置为装置提供水平而为方向上的位置变换，竖向运动装置为装置提供竖直方向上的位置变换；二维超声辅助磨削装置与水平方向运动装置相连接，二维超声辅助磨削装置为工件提供两个维度上的超声振动；竖向超声振动砂带磨头与竖向运动装置相连接，竖向超声振动砂带磨头由驱动装置驱动砂带转动，并产生发法向超声振动对工件进行超声振动辅助磨削。本发明装置能够实现砂带磨削中材料去除与表面强化一体化加工同时具有加工表面纹理多样化的特点。

Description

一种三维超声振动辅助砂带磨削装置

技术领域

本发明涉及砂带磨床结构设计领域，具体涉及一种三维超声振动辅助砂带磨削装置。

背景技术

超声振动辅助加工由于其在减小切削力、延长刀具寿命、提高表面质量和改善微观组织性能、提升表面完整性方面的优异性能，在车削、铣削、砂轮磨削等众多机械加工领域得到了广泛的应用。砂带磨削和抛光加工作为航空发动机叶片等复杂曲面构件的最终处理工艺，能够消除之前工序的加工余量和加工纹理，直接决定了零部件的最终表面状态和表面性能。然而在砂带磨抛加工去除加工余量和加工纹理的同时，也会去除前期加工工艺引入的表面强化层。目前普遍采用的是在砂带磨抛加工后进行振动光饰或者喷丸处理再次进行表面强化，上述工艺组合不但增加了零件的生产周期，而且提升了生产成本，此外喷丸处理在引入表面残余拉应力的同时，会导致表面粗糙度增加以及较大的应力集中，不利于工件综合表面性能的提升。

目前对于超声振动辅助磨削装置的研究还多为一维或者二维超声振动装置，对于三维超声振动的设备研究方面还是空白期。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维超声振动辅助砂带磨削装置，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种三维超声振动辅助砂带磨削装置，包括安装在空间直角坐标系O-XYZ中的二维超声装置、竖向运动装置、竖向超声振动砂带磨头、床身和水平运动装置。

所述床身包括相互连接的水平板和竖直板，竖向运动装置固定在竖直板上，竖向超声振动砂带磨头与竖向运动装置连接，竖向运动装置的移动方向与Z轴平行。

所述水平运动装置安装在水平板上，水平运动装置为XY移动平台，二维超声装置安装在水平运动装置上，竖向超声振动砂带磨头位于二维超声装置上方。

所述二维超声装置包括两套超声振动系统Ⅰ、工作平台和支撑板，水平的支撑板固定在水平运动装置上，工作平台安装到支撑板上。

所述超声振动系统Ⅰ包括超声波发生器Ⅰ、换能器Ⅰ、变幅杆Ⅰ、轴承座Ⅰ和支撑架。

所述支撑架固定在支撑板上，轴线重合的两个轴承座Ⅰ间隔布置在支撑架上，超声波发生器Ⅰ与换能器Ⅰ连接，换能器Ⅰ穿过一个轴承座Ⅰ并与变幅杆Ⅰ相连，变幅杆Ⅰ穿过另一个轴承座Ⅰ并与工作平台相连。

所述竖向超声振动砂带磨头包括接触轮、超声振动系统Ⅱ、伺服电机、驱动轮、张紧轮、加速轮、导向轮、砂带和转接板。

所述转接板的板面与床身的竖直板平行，转接板固定在竖向运动装置上，伺服电机安装在转接板面向竖直板的板面上。

所述超声振动系统Ⅱ、驱动轮、导向轮、张紧杆和加速轮安装板均安装在转接板背离竖直板的板面上，驱动轮和导向轮靠近转接板的上边缘，加速轮安装板靠近转接板的下边缘，伺服电机的输出轴穿过转接板并与驱动轮连接。

所述张紧轮连接在张紧杆上，相互间隔的两个加速轮安装在加速轮安装板上，两个加速轮的轴线位于同一水平面上。

所述超声振动系统Ⅱ包括超声波发生器Ⅱ、换能器Ⅱ和变幅杆Ⅱ，换能器Ⅱ固定在转接板上，超声波发生器Ⅱ与换能器Ⅱ连接，换能器Ⅱ的下端与变幅杆Ⅱ连接。

所述变幅杆Ⅱ的下端穿过两个加速轮间的间隙，接触轮活动连接在变幅杆Ⅱ的下端。

所述砂带依次与接触轮、驱动轮、导向轮和张紧轮接触连接，并形成封闭循环，砂带的外侧与两个加速轮抵紧。

工作时，将工件安装在所述工作平台上，通过竖向运动装置和水平运动装置调整接触轮与工件的相对位置，采用两套超声振动系统Ⅰ、超声振动系统Ⅱ以及砂带对工件进行三维超声振动辅助砂带磨削加工。

进一步，所述工作平台通过若干垫脚安装到支撑板上。

进一步，所述工作平台的主体为等边八边形的棱柱，主体的上表面中央处设置有供工件安装的固定台，两套超声振动系统Ⅰ的变幅杆Ⅰ分别固定在主体的两个侧壁上，两根变幅杆Ⅰ的夹角根据加工要求进行调整。

本发明的有益效果在于：

1.本发明装置可以在砂带抛磨加工的过程中引入表面残余压应力、改变表面纹理和细化的表面微观组织，实现了材料去除、性能改善和表面强化的一体化加工；

2.本发明装置的竖向超声振动砂带磨头为砂带磨头加超声振动一体化设计，可实现Z方向的超声振动辅助砂带磨削，对工件进行材料去除和表面强化；

3.本发明装置的二维超声振动装置的工作平台为八边形，所以X方向和Y方向的超声振动是角度可调的，并以45°为一个量级调整；

4.本发明装置在对小工件的加工中，该装置可以将超声振动施加于工件，实现工件在X方向和Y方向的超声振动，通过与Z方向超声的组合可以实现三维的超声振动，通过三者的不同组合可以探究多维超声振动砂带磨削对工件表面完整性的影响；

5.本发明装置加工的零件表面具有较小的表面粗糙度、较高的残余压应力和细化的微观组织结构，同时减小了磨削力，增强了砂带磨削过程中的冷却效果，避免了表面烧伤等不利缺陷；

6.本发明装置实现了表面精密加工与表面强化的融合，减少了复杂曲面构件的加工工序、提高了生产效率同时提升了表面综合性能。

附图说明

图1为本发明结构的示意图；

图2为超声振动磨头结构主视图；

图3为超声振动磨头结构侧视图；

图4为二维超声振动结构主视图。

图中：二维超声装置1、超声振动系统Ⅰ101、超声波发生器Ⅰ1011、换能器Ⅰ1012、变幅杆Ⅰ1013、轴承座Ⅰ1014、支撑架1015、工作平台102、垫脚103、支撑板104、工件2、竖向运动装置3、竖向超声振动砂带磨头4、接触轮401、超声振动系统Ⅱ402、换能器Ⅱ4022、变幅杆Ⅱ4023、伺服电机403、驱动轮404、张紧轮405、加速轮407、导向轮408、砂带409、转接板410、床身5和水平运动装置6。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1，本实施例公开了一种三维超声振动辅助砂带磨削装置，包括安装在空间直角坐标系O-XYZ中的二维超声装置1、竖向运动装置3、竖向超声振动砂带磨头4、床身5和水平运动装置6。

所述床身5包括相互连接的水平板和竖直板，竖向运动装置3固定在竖直板上，竖向超声振动砂带磨头4与竖向运动装置3连接，竖向运动装置3的移动方向与Z轴平行。所述竖向运动装置3可为步进电机带动丝杠转动进而带动滑块纵向移动的方式，竖向超声振动砂带磨头4与竖向运动装置3的连接体可时实现对加工深度的控制。

所述水平运动装置6安装在水平板上，水平运动装置6为XY移动平台，二维超声装置1安装在水平运动装置6上，竖向超声振动砂带磨头4位于二维超声装置1上方。所述水平运动装置6可实现在水平方向对加工位置的控制。

参见图4，所述二维超声装置1包括两套超声振动系统Ⅰ101、工作平台102和支撑板104，水平的支撑板104固定在水平运动装置6上，工作平台102通过若干垫脚103安装到支撑板104上。

所述超声振动系统Ⅰ101包括超声波发生器Ⅰ1011、换能器Ⅰ1012、变幅杆Ⅰ1013、轴承座Ⅰ1014和支撑架1015。

所述支撑架1015固定在支撑板104上，轴线重合的两个轴承座Ⅰ1014间隔布置在支撑架1015上，超声波发生器Ⅰ1011与换能器Ⅰ1012连接，超声波发生器Ⅰ1011可将电信号转化为超声波信号传输给换能器Ⅰ1012，换能器Ⅰ1012穿过一个轴承座Ⅰ1014并与变幅杆Ⅰ1013相连，变幅杆Ⅰ1013穿过另一个轴承座Ⅰ1014并与工作平台102相连。

所述工作平台102的主体为等边八边形的棱柱，主体的上表面中央处设置有供工件2安装的固定台，两套超声振动系统Ⅰ101的变幅杆Ⅰ1013分别固定在主体的两个侧壁上，两根变幅杆Ⅰ1013的夹角根据加工要求进行调整，夹角的调整以45°为一个量级。

参见图2或3，所述竖向超声振动砂带磨头4包括接触轮401、超声振动系统Ⅱ402、伺服电机403、驱动轮404、张紧轮405、加速轮407、导向轮408、砂带409和转接板410。

所述转接板410的板面与床身5的竖直板平行，转接板410固定在竖向运动装置3上，伺服电机403安装在转接板410面向竖直板的板面上。

所述超声振动系统Ⅱ402、驱动轮404、导向轮408、张紧杆和加速轮安装板均安装在转接板410背离竖直板的板面上，驱动轮404和导向轮408靠近转接板410的上边缘，加速轮安装板靠近转接板410的下边缘，伺服电机403的输出轴穿过转接板410并与驱动轮404连接。

所述张紧轮405连接在张紧杆上，相互间隔的两个加速轮407安装在加速轮安装板上，两个加速轮407的轴线位于同一水平面上。

所述超声振动系统Ⅱ402包括超声波发生器Ⅱ、换能器Ⅱ4022和变幅杆Ⅱ4023，换能器Ⅱ4022固定在转接板410上，超声波发生器Ⅱ与换能器Ⅱ4022连接，换能器Ⅱ4022的下端与变幅杆Ⅱ4023连接。

所述变幅杆Ⅱ4023的下端穿过两个加速轮407间的间隙，接触轮401活动连接在变幅杆Ⅱ4023的下端。

所述砂带409依次与接触轮401、驱动轮404、导向轮408和张紧轮405接触连接，并形成封闭循环，砂带409的外侧与两个加速轮407抵紧。

工作时，将工件2安装在所述工作平台102上，通过竖向运动装置3和水平运动装置6调整接触轮401与工件2的相对位置，采用两套超声振动系统Ⅰ101、超声振动系统Ⅱ402以及砂带409对工件2进行三维超声振动辅助砂带磨削加工。

此外，本实施例所述装置适用于较大工件和较小工件的加工，在加工较小工件时，所述二维超声装置1与竖向超声振动砂带磨头4对较小工件进行三维超声振动辅助砂带磨削加工，得到加工表面。在加工较大工件时，所述竖向超声振动砂带磨头4对较大工件进行一维超声振动辅助砂带磨削加工，得到加工表面。

值得说明的是，所述二维超声装置1能够实现工件2在X、Y方向上的超声振动，并可控制二维超声振动的形成椭圆轨迹，对工件进行表面纹理优化。所述竖向超声振动砂带磨头4能实现磨头在Z方向的超声振动，对工件进行表面强化加工。所述二维超声装置1带动工件2产生X、Y方向的超声振动配合竖向超声振动砂带磨头4带动磨头产生Z方向的超声振动，形成对于工件2的三维超声振动，对工件进行表面纹理的改变以及表面强化，可一定程度上改变工件表面的性能，实现不同材料经三维超声辅助磨削加工后具有相似的性能，减少材料特性对性能的影响。

实施例2：

参见图1，本实施例公开了一种三维超声振动辅助砂带磨削装置，包括安装在空间直角坐标系O-XYZ中的二维超声装置1、竖向运动装置3、竖向超声振动砂带磨头4、床身5和水平运动装置6。

所述床身5包括相互连接的水平板和竖直板，竖向运动装置3固定在竖直板上，竖向超声振动砂带磨头4与竖向运动装置3连接，竖向运动装置3的移动方向与Z轴平行。

所述水平运动装置6安装在水平板上，水平运动装置6为XY移动平台，二维超声装置1安装在水平运动装置6上，竖向超声振动砂带磨头4位于二维超声装置1上方。

参见图4，所述二维超声装置1包括两套超声振动系统Ⅰ101、工作平台102和支撑板104，水平的支撑板104固定在水平运动装置6上，工作平台102安装到支撑板104上。

所述超声振动系统Ⅰ101包括超声波发生器Ⅰ1011、换能器Ⅰ1012、变幅杆Ⅰ1013、轴承座Ⅰ1014和支撑架1015。

所述支撑架1015固定在支撑板104上，轴线重合的两个轴承座Ⅰ1014间隔布置在支撑架1015上，超声波发生器Ⅰ1011与换能器Ⅰ1012连接，换能器Ⅰ1012穿过一个轴承座Ⅰ1014并与变幅杆Ⅰ1013相连，变幅杆Ⅰ1013穿过另一个轴承座Ⅰ1014并与工作平台102相连。

参见图2或3，所述竖向超声振动砂带磨头4包括接触轮401、超声振动系统Ⅱ402、伺服电机403、驱动轮404、张紧轮405、加速轮407、导向轮408、砂带409和转接板410。

所述转接板410的板面与床身5的竖直板平行，转接板410固定在竖向运动装置3上，伺服电机403安装在转接板410面向竖直板的板面上。

所述超声振动系统Ⅱ402、驱动轮404、导向轮408、张紧杆和加速轮安装板均安装在转接板410背离竖直板的板面上，驱动轮404和导向轮408靠近转接板410的上边缘，加速轮安装板靠近转接板410的下边缘，伺服电机403的输出轴穿过转接板410并与驱动轮404连接。

所述张紧轮405连接在张紧杆上，相互间隔的两个加速轮407安装在加速轮安装板上，两个加速轮407的轴线位于同一水平面上。

所述超声振动系统Ⅱ402包括超声波发生器Ⅱ、换能器Ⅱ4022和变幅杆Ⅱ4023，换能器Ⅱ4022固定在转接板410上，超声波发生器Ⅱ与换能器Ⅱ4022连接，换能器Ⅱ4022的下端与变幅杆Ⅱ4023连接。

所述变幅杆Ⅱ4023的下端穿过两个加速轮407间的间隙，接触轮401活动连接在变幅杆Ⅱ4023的下端。

所述砂带409依次与接触轮401、驱动轮404、导向轮408和张紧轮405接触连接，并形成封闭循环，砂带409的外侧与两个加速轮407抵紧。

工作时，将工件2安装在所述工作平台102上，通过竖向运动装置3和水平运动装置6调整接触轮401与工件2的相对位置，采用两套超声振动系统Ⅰ101、超声振动系统Ⅱ402以及砂带409对工件2进行三维超声振动辅助砂带磨削加工。

实施例3：

本实施例主要结构同实施例2，进一步，所述工作平台102通过若干垫脚103安装到支撑板104上。

实施例4：

本实施例主要结构同实施例2，进一步，所述工作平台102的主体为等边八边形的棱柱，主体的上表面中央处设置有供工件2安装的固定台，两套超声振动系统Ⅰ101的变幅杆Ⅰ1013分别固定在主体的两个侧壁上，两根变幅杆Ⅰ1013的夹角根据加工要求进行调整。

Claims (3)

1.一种三维超声振动辅助砂带磨削装置，其特征在于：包括安装在空间直角坐标系O-XYZ中的所述二维超声装置(1)、竖向运动装置(3)、竖向超声振动砂带磨头(4)、床身(5)和水平运动装置(6)；

所述床身(5)包括相互连接的水平板和竖直板，竖向运动装置(3)固定在竖直板上，竖向超声振动砂带磨头(4)与竖向运动装置(3)连接，竖向运动装置(3)的移动方向与Z轴平行；

所述水平运动装置(6)安装在水平板上，水平运动装置(6)为XY移动平台，二维超声装置(1)安装在水平运动装置(6)上，竖向超声振动砂带磨头(4)位于二维超声装置(1)上方；

所述二维超声装置(1)包括两套超声振动系统Ⅰ(101)、工作平台(102)和支撑板(104)，水平的支撑板(104)固定在水平运动装置(6)上，工作平台(102)安装到支撑板(104)上；

所述超声振动系统Ⅰ(101)包括超声波发生器Ⅰ(1011)、换能器Ⅰ(1012)、变幅杆Ⅰ(1013)、轴承座Ⅰ(1014)和支撑架(1015)；

所述支撑架(1015)固定在支撑板(104)上，轴线重合的两个轴承座Ⅰ(1014)间隔布置在支撑架(1015)上，超声波发生器Ⅰ(1011)与换能器Ⅰ(1012)连接，换能器Ⅰ(1012)穿过一个轴承座Ⅰ(1014)并与变幅杆Ⅰ(1013)相连，变幅杆Ⅰ(1013)穿过另一个轴承座Ⅰ(1014)并与工作平台(102)相连；

所述竖向超声振动砂带磨头(4)包括接触轮(401)、超声振动系统Ⅱ(402)、伺服电机(403)、驱动轮(404)、张紧轮(405)、加速轮(407)、导向轮(408)、砂带(409)和转接板(410)；

所述转接板(410)的板面与床身(5)的竖直板平行，转接板(410)固定在竖向运动装置(3)上，伺服电机(403)安装在转接板(410)面向竖直板的板面上；

所述超声振动系统Ⅱ(402)、驱动轮(404)、导向轮(408)、张紧杆和加速轮安装板均安装在转接板(410)背离竖直板的板面上，驱动轮(404)和导向轮(408)靠近转接板(410)的上边缘，加速轮安装板靠近转接板(410)的下边缘，伺服电机(403)的输出轴穿过转接板(410)并与驱动轮(404)连接；

所述张紧轮(405)连接在张紧杆上，相互间隔的两个加速轮(407)安装在加速轮安装板上，两个加速轮(407)的轴线位于同一水平面上；

所述超声振动系统Ⅱ(402)包括超声波发生器Ⅱ、换能器Ⅱ(4022)和变幅杆Ⅱ(4023)，换能器Ⅱ(4022)固定在转接板(410)上，超声波发生器Ⅱ与换能器Ⅱ(4022)连接，换能器Ⅱ(4022)的下端与变幅杆Ⅱ(4023)连接；

所述变幅杆Ⅱ(4023)的下端穿过两个加速轮(407)间的间隙，接触轮(401)活动连接在变幅杆Ⅱ(4023)的下端；

所述砂带(409)依次与接触轮(401)、驱动轮(404)、导向轮(408)和张紧轮(405)接触连接，并形成封闭循环，砂带(409)的外侧与两个加速轮(407)抵紧；

工作时，将工件(2)安装在所述工作平台(102)上，通过竖向运动装置(3)和水平运动装置(6)调整接触轮(401)与工件(2)的相对位置，采用两套超声振动系统Ⅰ(101)、超声振动系统Ⅱ(402)以及砂带(409)对工件(2)进行三维超声振动辅助砂带磨削加工。

2.根据权利要求1所述的一种三维超声振动辅助砂带磨削装置，其特征在于：所述工作平台(102)通过若干垫脚(103)安装到支撑板(104)上。

3.根据权利要求1所述的一种三维超声振动辅助砂带磨削装置，其特征在于：所述工作平台(102)的主体为等边八边形的棱柱，主体的上表面中央处设置有供工件(2)安装的固定台，两套超声振动系统Ⅰ(101)的变幅杆Ⅰ(1013)分别固定在主体的两个侧壁上，两根变幅杆Ⅰ(1013)的夹角根据加工要求进行调整。

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