CN114952442A - 多维超声振动磨削加工球形工件装置 - Google Patents

多维超声振动磨削加工球形工件装置 Download PDF

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Abstract

多维超声振动磨削加工球形工件装置，包括工件超声旋转机构和刀具超声旋转磨削机构；工件超声旋转机构包括第一转台、第一滑台、第一主轴箱、第一套筒、第一超声振动传输组件、顶尖装置和球形工件夹具；刀具超声旋转磨削机构包括第二转台、第二滑台、第二主轴箱、第二套筒、第二超声振动传输组件和杯型砂轮。本发明原理科学，结构简单，各部件采用组装的方式进行连接，方便安装和拆卸，可靠性强，采用多维超声振动加工方式，大大提高球形工件的加工效率和磨削精度。

Description

多维超声振动磨削加工球形工件装置
技术领域
本发明属于磨削加工技术领域，具体涉及一种多维超声振动磨削加工球形工件装置。
背景技术
随着科技的发展，硬脆材料和难加工材料的使用日益广泛，就需要在传统加工的工艺和设备上进行改造升级来加工这些材料。传统的磨削方法在对工件进行加工时，易导致表面烧伤，表面质量恶化，缩短砂轮的使用寿命，尤其是对球形工件进行加工时效率难以提升。
在超声振动辅助磨削中，由于超声振动的引入，微分切削轨迹、细化加工表面，降低表面粗糙度值，改善工件表面质量；超声产生的高频振动能有效解决砂轮堵塞问题，改善砂轮的切削性能。在普通磨削过程中产生振动，使加工表面质量降低。而施加高频振动后，改变了工艺系统的动态稳定性，使工艺系统的不良振动现象得到消除和减弱，因此可得到独特的超声磨削加工效果。
施加超声振动后改变摩擦力方向，减小外摩擦阻抗，同时以其特有的脉冲特性，使砂轮与工件处于非完全接触的加工状态，形成了独特的摩擦特性，产生的摩擦力明显降低，减少磨削热的产生。在超声磨削过程中，超声振动的空化作用使切削液乳化为微粒，使切削液直接渗到砂轮与工件的接触表面，充分地起冷却和润滑作用，从而减轻或避免传统磨削过程中出现的工件表面烧伤问题。
空心陶瓷球体工件主要用于阀门的密封部件，提高了阀门产品的耐磨性、防腐性及密封性。空心陶瓷球体工件的外圆需要进行磨削才能达到密封要求。因此如何有效的将超声振动引入到空心陶瓷球体的加工是一项亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种可提高球形工件的加工效率和精度的多维超声振动磨削加工球形工件装置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：多维超声振动磨削加工球形工件装置，包括工件超声旋转机构和刀具超声旋转磨削机构；
工件超声旋转机构包括第一转台、第一滑台、第一主轴箱、第一套筒、第一超声振动传输组件、顶尖装置和球形工件夹具；第一滑台设在第一转台上，第一主轴箱底部滑动设在第一滑台上，第一主轴箱的主轴沿前后方向水平设置，第一主轴箱的主轴同轴与第一套筒后端传动连接，第一套筒前端通过第一超声振动传输组件与球形工件夹具连接，球形工件夹具前端与顶尖装置的顶压转动连接；
刀具超声旋转磨削机构包括第二转台、第二滑台、第二主轴箱、第二套筒、第二超声振动传输组件和杯型砂轮；第二滑台设在第二转台上，第二主轴箱底部滑动设在第二滑台上，第二主轴箱的主轴沿左右方向水平设置，第二主轴箱的主轴同轴与第二套筒右端传动连接，第二套筒左端通过第二超声振动传输组件与杯型砂轮连接，杯型砂轮位于球形工件夹具右侧。
第一套筒和第二套筒的结构相同，均包括一端敞口、另一端封堵的筒体，筒体封堵端同轴固定连接有伸入到主轴中心孔内的阶梯连接轴，筒体内壁设有定位环，筒体上沿圆周方向开设有四个第一螺纹孔和两个穿线孔，筒体敞口端设有台阶槽和开设在台阶槽底部的若干第二螺纹孔。
第一超声振动传输组件包括无线传输定盘、无线传输动盘、第一换能器和第一纵扭变幅杆，第一主轴箱的箱体前端设有与主轴同中心线的内固定夹具，无线传输定盘后端内圆同轴固定在内固定夹具外圆，无线传输动盘同轴向套设在第一套筒外圆并通过第一螺钉与第一螺纹孔紧固连接，无线传输动盘后端与无线传输定盘前端具有平面间隙，第一换能器通过第一连接螺栓与第一纵扭变幅杆后端固定连接，第一纵扭变幅杆和第一换能器伸入到第一套筒内部，第一换能器后端定位装配在第一套筒内壁的定位环内，第一纵扭变幅杆上设有第一法兰盘，第一法兰盘安装在第一套筒后端的台阶槽内并通过第二螺钉与第二螺纹孔紧固连接，第一换能器通过穿过第一套筒上两个穿线孔的第一导线与无线传输动盘连接；第一纵扭变幅杆采用圆锥形变幅杆，第一纵扭变幅杆的圆锥面设有第一螺旋槽。
球形工件夹具包括芯轴、第一橡胶垫、第二橡胶垫、紧固螺母和锁紧螺母，第一纵扭变幅杆前端面开设有第三螺纹孔，芯轴为前细后粗的台阶轴，芯轴后端较粗段伸入并螺纹连接在第三螺纹孔内，锁紧螺母螺纹连接在芯轴上并与第一纵扭变幅杆前端面压接，第一橡胶垫、第二橡胶垫和球形工件均套设安装在芯轴的较细段，第一橡胶垫和第二橡胶垫分别设置在球形工件的前后端面，紧固螺母螺纹连接在芯轴前端部，紧固螺母通过第一橡胶垫压紧球形工件，球形工件通过第二橡胶垫压紧芯轴的台阶面，芯轴前端中心开设有定位小孔，顶尖装置的顶尖顶压在定位小孔内。
第二超声振动传输组件包括无线传输外盘、无线传输内盘、第二换能器和第二纵扭变幅杆，第二主轴箱的箱体左端设有与主轴同中心线的外固定夹具，无线传输外盘外圆同轴设在在外固定夹具内圆，无线传输内盘同轴向套设在第二套筒外圆并通过第三螺钉与第一螺纹孔紧固连接，无线传输内盘外圆与无线传输外盘内圆之间具有环形间隙，第二换能器通过第二连接螺栓与第二纵扭变幅杆右端固定连接，第二纵扭变幅杆右端和第二换能器伸入到第二套筒内部，第二换能器右端定位装配在第二套筒内壁的定位环内，第二纵扭变幅杆上设有第二法兰盘，第二法兰盘安装在第二套筒左端的台阶槽内并通过第四螺钉与第二螺纹孔紧固连接，第二换能器通过穿过第二套筒上两个穿线孔的第二导线与无线传输内盘连接。
第二纵扭变幅杆左端中心开设有第四螺纹孔，杯型砂轮右端同轴设有刀杆，刀杆右端伸入并螺纹连接在第四螺纹孔内；第二纵扭变幅杆采用圆锥形变幅杆，第二纵扭变幅杆的圆锥面设有第二螺旋槽。
第一转台、顶尖装置和第二转台均设置在同一个工作台上。
采用上述技术方案，本发明中的第一转台的旋转动力机构、第一主轴箱的主轴旋转动力机构、第二转台的旋转动力机构、第二主轴箱的主轴旋转动力机构、无线传输定盘所连接的第一超声波发生器以及无线传输外盘连接的第二超声波发生器均为现有技术，具体结构和工作原理不再赘述，在图中也没有示意出来。
本发明在对球形工件进行外圆磨削作业的具体过程为：将球形工件套设安装在芯轴的较细段,然后安装上第一橡胶垫,拧上紧固螺母将球形工件夹持牢靠,然后将顶尖装置的顶尖顶到芯轴前端中心孔内。然后启动第一主轴箱、第二主轴箱、第一超声波发生器、第二超声波发生器，第一主轴箱带动第一套筒、无线传输动盘、第一换能器、第一纵扭变幅杆、球形工件夹具和球形工件旋转，无线传输动盘在旋转时将无线传输定盘的超声高频电能通过电磁感应原理，转换到高速旋转运动的第一换能器上，第一换能器将接收到的超声高频电能转化成超声高频机械振动，再通过第一纵扭变幅杆，将超声振动扩大和传递到球形工件上；同时
第二主轴箱带动第二套筒、无线传输内盘、第二换能器、第二纵扭变幅杆、刀杆和杯型砂轮旋转，无线传输内盘在旋转时将无线传输外盘的超声高频电能通过电磁感应原理，转换到高速旋转运动的第二换能器上，第二换能器将接收到的超声高频电能转化成超声高频机械振动，再通过第二纵扭变幅杆，将超声振动扩大和传递到杯型砂轮上，杯型砂轮和球形工件同时旋转且均被施加超声振动，在杯型砂轮对球形工件进行磨削时大大提高了磨削精度。
通过操控第二主轴箱沿第二滑台移动，第二转台的旋转动力机构驱动第二转台旋转，这样就可以控制杯型砂轮的进给和角度变化。机床的两个主轴箱都被安置在具有转台与滑台的工作台上可以根据具体加工要求控制机床进行加工作业，转台与滑台的存在让机床调节更加灵敏，对球型工件加工更加全面。
套筒用于传动连接主轴和纵扭变幅杆，并在内部安装换能器，外部通过螺钉分别连接无线传输内盘和无线传输动盘。
纵扭变幅杆采用圆锥形变幅杆，纵扭变幅杆的圆锥面设置螺旋槽，可大大提高超声振动的纵扭变幅效果。
第一超声振动传输组件采用轴向布置的无线传输定盘和无线传输动盘，两者之间具有平面间隙；第二超声振动传输组件采用径向布置的无线传输外盘和无线传输内盘，两者之间具有环形间隙。采用的这二种无线传输方式是基于主轴外部的外固定夹具或内固定夹具而进行的结构设计。外固定夹具和内固定夹具均为现有技术，具体结构和原理不再赘述。
综上所述，本发明原理科学，结构简单，各部件采用组装的方式进行连接，方便安装和拆卸，可靠性强，采用多维超声振动加工方式，大大提高球形工件的加工效率和磨削精度。本发明的整体结构除了在机床上卧式放置外，还可以立式放置，这种变换也在本发明的保护范围之内。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是本发明的俯视结构示意图；
图3是图2中工件超声旋转机构的放大图；
图4是图2中刀具超声旋转磨削机构的放大图；
图5是第一套筒和第二套筒的结构示意图。
具体实施方式
如图1-图5所示，本发明的多维超声振动磨削加工球形工件装置，包括工件超声旋转机构和刀具超声旋转磨削机构；
工件超声旋转机构包括第一转台1、第一滑台2、第一主轴箱3、第一套筒4、第一超声振动传输组件5、顶尖装置6和球形工件夹具7；第一滑台2设在第一转台1上，第一主轴箱3底部滑动设在第一滑台2上，第一主轴箱3的主轴沿前后方向水平设置，第一主轴箱3的主轴同轴与第一套筒4后端传动连接，第一套筒4前端通过第一超声振动传输组件5与球形工件夹具7连接，球形工件夹具7前端与顶尖装置6的顶压转动连接；
刀具超声旋转磨削机构包括第二转台8、第二滑台9、第二主轴箱10、第二套筒11、第二超声振动传输组件12和杯型砂轮13；第二滑台9设在第二转台8上，第二主轴箱10底部滑动设在第二滑台9上，第二主轴箱10的主轴沿左右方向水平设置，第二主轴箱10的主轴同轴与第二套筒11右端传动连接，第二套筒11左端通过第二超声振动传输组件12与杯型砂轮13连接，杯型砂轮13位于球形工件夹具7右侧。
第一套筒4和第二套筒11的结构相同，均包括一端敞口、另一端封堵的筒体14，筒体14封堵端同轴固定连接有伸入到主轴中心孔内的阶梯连接轴15，筒体14内壁设有定位环16，筒体14上沿圆周方向开设有四个第一螺纹孔17和两个穿线孔18，筒体14敞口端设有台阶槽19和开设在台阶槽19底部的若干第二螺纹孔20。
第一超声振动传输组件5包括无线传输定盘21、无线传输动盘22、第一换能器23和第一纵扭变幅杆24，第一主轴箱3的箱体前端设有与主轴同中心线的内固定夹具25，无线传输定盘21后端内圆同轴固定在内固定夹具25外圆，无线传输动盘22同轴向套设在第一套筒4外圆并通过第一螺钉26与第一螺纹孔17紧固连接，无线传输动盘22后端与无线传输定盘21前端具有平面间隙，第一换能器23通过第一连接螺栓与第一纵扭变幅杆24后端固定连接，第一纵扭变幅杆24和第一换能器23伸入到第一套筒4内部，第一换能器23后端定位装配在第一套筒4内壁的定位环16内，第一纵扭变幅杆24上设有第一法兰盘，第一法兰盘安装在第一套筒4后端的台阶槽19内并通过第二螺钉27与第二螺纹孔20紧固连接，第一换能器23通过穿过第一套筒4上两个穿线孔18的第一导线与无线传输动盘22连接；第一纵扭变幅杆24采用圆锥形变幅杆，第一纵扭变幅杆24的圆锥面设有第一螺旋槽28。
球形工件夹具7包括芯轴29、第一橡胶垫30、第二橡胶垫31、紧固螺母32和锁紧螺母33，第一纵扭变幅杆24前端面开设有第三螺纹孔，芯轴29为前细后粗的台阶轴，芯轴29后端较粗段伸入并螺纹连接在第三螺纹孔内，锁紧螺母33螺纹连接在芯轴29上并与第一纵扭变幅杆24前端面压接，第一橡胶垫30、第二橡胶垫31和球形工件34均套设安装在芯轴29的较细段，第一橡胶垫30和第二橡胶垫31分别设置在球形工件34的前后端面，紧固螺母32螺纹连接在芯轴29前端部，紧固螺母32通过第一橡胶垫30压紧球形工件34，球形工件34通过第二橡胶垫31压紧芯轴29的台阶面，芯轴29前端中心开设有定位小孔，顶尖装置6的顶尖顶压在定位小孔内。
第二超声振动传输组件12包括无线传输外盘35、无线传输内盘36、第二换能器37和第二纵扭变幅杆38，第二主轴箱10的箱体左端设有与主轴同中心线的外固定夹具39，无线传输外盘35外圆同轴设在在外固定夹具39内圆，无线传输内盘36同轴向套设在第二套筒11外圆并通过第三螺钉40与第一螺纹孔17紧固连接，无线传输内盘36外圆与无线传输外盘35内圆之间具有环形间隙，第二换能器37通过第二连接螺栓与第二纵扭变幅杆38右端固定连接，第二纵扭变幅杆38右端和第二换能器37伸入到第二套筒11内部，第二换能器37右端定位装配在第二套筒11内壁的定位环16内，第二纵扭变幅杆38上设有第二法兰盘，第二法兰盘安装在第二套筒11左端的台阶槽19内并通过第四螺钉41与第二螺纹孔20紧固连接，第二换能器37通过穿过第二套筒11上两个穿线孔18的第二导线与无线传输内盘36连接。
第二纵扭变幅杆38左端中心开设有第四螺纹孔，杯型砂轮13右端同轴设有刀杆42，刀杆42右端伸入并螺纹连接在第四螺纹孔内；第二纵扭变幅杆38采用圆锥形变幅杆，第二纵扭变幅杆38的圆锥面设有第二螺旋槽43。
第一转台1、顶尖装置6和第二转台8均设置在同一个工作台44上。
本发明中的第一转台1的旋转动力机构、第一主轴箱3的主轴旋转动力机构、第二转台8的旋转动力机构、第二主轴箱10的主轴旋转动力机构、无线传输定盘21所连接的第一超声波发生器以及无线传输外盘35连接的第二超声波发生器均为现有技术，具体结构和工作原理不再赘述，在图中也没有示意出来。
本发明在对球形工件34进行外圆磨削作业的具体过程为：将球形工件34套设安装在芯轴29的较细段,然后安装上第一橡胶垫30,拧上紧固螺母32将球形工件34夹持牢靠,然后将顶尖装置6的顶尖顶到芯轴29前端中心孔内。然后启动第一主轴箱3、第二主轴箱10、第一超声波发生器、第二超声波发生器，第一主轴箱3带动第一套筒4、无线传输动盘22、第一换能器23、第一纵扭变幅杆24、球形工件夹具7和球形工件34旋转，无线传输动盘22在旋转时将无线传输定盘21的超声高频电能通过电磁感应原理，转换到高速旋转运动的第一换能器23上，第一换能器23将接收到的超声高频电能转化成超声高频机械振动，再通过第一纵扭变幅杆24，将超声振动扩大和传递到球形工件34上；同时第二主轴箱10带动第二套筒11、无线传输内盘36、第二换能器37、第二纵扭变幅杆38、刀杆42和杯型砂轮13旋转，无线传输内盘36在旋转时将无线传输外盘35的超声高频电能通过电磁感应原理，转换到高速旋转运动的第二换能器37上，第二换能器37将接收到的超声高频电能转化成超声高频机械振动，再通过第二纵扭变幅杆38，将超声振动扩大和传递到杯型砂轮13上，杯型砂轮13和球形工件34同时旋转且均被施加超声振动，在杯型砂轮13对球形工件34进行磨削时大大提高了磨削精度。
通过操控第二主轴箱10沿第二滑台9移动，第二转台8的旋转动力机构驱动第二转台8旋转，这样就可以控制杯型砂轮13的进给和角度变化。机床的两个主轴箱都被安置在具有转台与滑台的工作台44上可以根据具体加工要求控制机床进行加工作业，转台与滑台的存在让机床调节更加灵敏，对球型工件加工更加全面。
套筒用于传动连接主轴和纵扭变幅杆，并在内部安装换能器，外部通过螺钉分别连接无线传输内盘36和无线传输动盘22。
纵扭变幅杆采用圆锥形变幅杆，纵扭变幅杆的圆锥面设置螺旋槽，可大大提高超声振动的纵扭变幅效果。
第一超声振动传输组件5采用轴向布置的无线传输定盘21和无线传输动盘22，两者之间具有平面间隙；第二超声振动传输组件12采用径向布置的无线传输外盘35和无线传输内盘36，两者之间具有环形间隙。采用的这二种无线传输方式是基于主轴外部的外固定夹具39或内固定夹具25而进行的结构设计。外固定夹具39和内固定夹具25均为现有技术，具体结构和原理不再赘述。
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 (7)

1.多维超声振动磨削加工球形工件装置，其特征在于：包括工件超声旋转机构和刀具超声旋转磨削机构；
工件超声旋转机构包括第一转台、第一滑台、第一主轴箱、第一套筒、第一超声振动传输组件、顶尖装置和球形工件夹具；第一滑台设在第一转台上，第一主轴箱底部滑动设在第一滑台上，第一主轴箱的主轴沿前后方向水平设置，第一主轴箱的主轴同轴与第一套筒后端传动连接，第一套筒前端通过第一超声振动传输组件与球形工件夹具连接，球形工件夹具前端与顶尖装置的顶压转动连接；
刀具超声旋转磨削机构包括第二转台、第二滑台、第二主轴箱、第二套筒、第二超声振动传输组件和杯型砂轮；第二滑台设在第二转台上，第二主轴箱底部滑动设在第二滑台上，第二主轴箱的主轴沿左右方向水平设置，第二主轴箱的主轴同轴与第二套筒右端传动连接，第二套筒左端通过第二超声振动传输组件与杯型砂轮连接，杯型砂轮位于球形工件夹具右侧。
2.根据权利要求1所述的多维超声振动磨削加工球形工件装置，其特征在于：第一套筒和第二套筒的结构相同，均包括一端敞口、另一端封堵的筒体，筒体封堵端同轴固定连接有伸入到主轴中心孔内的阶梯连接轴，筒体内壁设有定位环，筒体上沿圆周方向开设有四个第一螺纹孔和两个穿线孔，筒体敞口端设有台阶槽和开设在台阶槽底部的若干第二螺纹孔。
3.根据权利要求2所述的多维超声振动磨削加工球形工件装置，其特征在于：第一超声振动传输组件包括无线传输定盘、无线传输动盘、第一换能器和第一纵扭变幅杆，第一主轴箱的箱体前端设有与主轴同中心线的内固定夹具，无线传输定盘后端内圆同轴固定在内固定夹具外圆，无线传输动盘同轴向套设在第一套筒外圆并通过第一螺钉与第一螺纹孔紧固连接，无线传输动盘后端与无线传输定盘前端具有平面间隙，第一换能器通过第一连接螺栓与第一纵扭变幅杆后端固定连接，第一纵扭变幅杆和第一换能器伸入到第一套筒内部，第一换能器后端定位装配在第一套筒内壁的定位环内，第一纵扭变幅杆上设有第一法兰盘，第一法兰盘安装在第一套筒后端的台阶槽内并通过第二螺钉与第二螺纹孔紧固连接，第一换能器通过穿过第一套筒上两个穿线孔的第一导线与无线传输动盘连接；第一纵扭变幅杆采用圆锥形变幅杆，第一纵扭变幅杆的圆锥面设有第一螺旋槽。
4.根据权利要求3所述的多维超声振动磨削加工球形工件装置，其特征在于：球形工件夹具包括芯轴、第一橡胶垫、第二橡胶垫、紧固螺母和锁紧螺母，第一纵扭变幅杆前端面开设有第三螺纹孔，芯轴为前细后粗的台阶轴，芯轴后端较粗段伸入并螺纹连接在第三螺纹孔内，锁紧螺母螺纹连接在芯轴上并与第一纵扭变幅杆前端面压接，第一橡胶垫、第二橡胶垫和球形工件均套设安装在芯轴的较细段，第一橡胶垫和第二橡胶垫分别设置在球形工件的前后端面，紧固螺母螺纹连接在芯轴前端部，紧固螺母通过第一橡胶垫压紧球形工件，球形工件通过第二橡胶垫压紧芯轴的台阶面，芯轴前端中心开设有定位小孔，顶尖装置的顶尖顶压在定位小孔内。
5.根据权利要求2所述的多维超声振动磨削加工球形工件装置，其特征在于：第二超声振动传输组件包括无线传输外盘、无线传输内盘、第二换能器和第二纵扭变幅杆，第二主轴箱的箱体左端设有与主轴同中心线的外固定夹具，无线传输外盘外圆同轴设在在外固定夹具内圆，无线传输内盘同轴向套设在第二套筒外圆并通过第三螺钉与第一螺纹孔紧固连接，无线传输内盘外圆与无线传输外盘内圆之间具有环形间隙，第二换能器通过第二连接螺栓与第二纵扭变幅杆右端固定连接，第二纵扭变幅杆右端和第二换能器伸入到第二套筒内部，第二换能器右端定位装配在第二套筒内壁的定位环内，第二纵扭变幅杆上设有第二法兰盘，第二法兰盘安装在第二套筒左端的台阶槽内并通过第四螺钉与第二螺纹孔紧固连接，第二换能器通过穿过第二套筒上两个穿线孔的第二导线与无线传输内盘连接。
6.根据权利要求5述的多维超声振动磨削加工球形工件装置，其特征在于：第二纵扭变幅杆左端中心开设有第四螺纹孔，杯型砂轮右端同轴设有刀杆，刀杆右端伸入并螺纹连接在第四螺纹孔内；第二纵扭变幅杆采用圆锥形变幅杆，第二纵扭变幅杆的圆锥面设有第二螺旋槽。
7.根据权利要求1或2述的多维超声振动磨削加工球形工件装置，其特征在于：第一转台、顶尖装置和第二转台均设置在同一个工作台上。
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