CN1788892A - 弯曲振动车削刀杆节点压块自动调整装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弯曲振动车削刀杆节点压块自动调整装置。它具有刀架体，在刀架体上设有四个可移动压块，第一可移动压块和第三可移动压块通过方形槽分别装在第二可移动压块和第四可移动压块中，在第三可移动压块右侧面和下方装有第四齿轮、第五齿轮、第六齿轮和左伺服电机；在第四可移动压块右侧面和下方装有第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮和右伺服电机；在第三可移动压块、第四可移动压块右侧分别装有左位移传感器和右位移传感器；左位移传感器与第三丝杠、第六齿轮相连接；右位移传感器与第四丝杠、第二齿轮相连接。本发明调整迅速；调整准确；根除了工人的麻烦，有效地解决了弯曲振动超声车削实用化的问题；实现了节点测量自动化。

Description

弯曲振动车削刀杆节点压块自动调整装置

技术领域

本发明涉及车削，尤其涉及一种弯曲振动车削刀杆节点压块自动调整装置。

背景技术

超声车削方法在切削加工中取得了优异的效果，例如，加工精度显著提高，表面粗糙度大幅度降低，刀具寿命可提高6～20倍，切削温度可降低至接近室温，切削力只有普通车削的

因此，国内外对超声车削进行了大量的理论分析和试验研究。

根据刀尖的振动方向，超声车削装置可分为纵向振动超声车削装置、弯曲振动超声车削装置和扭转振动超声车削装置三种形式。其中，弯曲振动超声车削装置加工范围大，便于操作者观察，因而一直受到研究和开发人员的重视。

弯曲振动车削刀杆是弯曲振动超声车削装置的刀体。由于弯曲振动车削刀杆节点在生产中测定耗时耗力、压块调节麻烦、车刀磨损和重新刃磨后节点发生变化、辅助时间长、频率漂移等问题，工厂急需解决这些问题。

弯曲振动超声车削方法是在传统的车削过程中给刀具施加超声波振动而形成的一种新型加工方法。

弯曲振动超声车削装置由超声波发生器、换能器、变幅杆、弯曲振动车削刀杆、硬质合金刀头、节点压块和工艺装置构成。超声波发生器将220V(380V)、50Hz的交流电转换成超声频的正弦波电振荡信号，换能器将电振荡信号转换成超声频机械振动，变幅杆将换能器的纵向振动放大后传递给弯曲振动刀杆，从而推动超声车刀沿主切削力方向进行超声振动。

超声车削装置的作用是使车刀获得一定振幅的超声频机械振动，将超声振动系统和车刀固定在刀架上即可实现超声车削加工。

超声车削装置使用的换能器通常分为镍片磁致伸缩和压电换能器二种。表1列出了两种换能器的特性。

                      表1  换能器的特性

超声车刀包括机类可转位硬质合金刀片、一振型车刀至五振型车刀。其中，纵向振动超声车削装置使用机夹可转位硬质合金刀片和一振型车刀，弯曲振动超声车削装置使用二振型车刀至五振型车刀。

超声车刀设计、制造质量对超声车削效率有重要影响。因此，对超声车刀提出下述基本要求：

(1)结构简单，通用性好，便于在各种车床上使用；

(2)声能损耗小，长时间工作不发热，不发出吱吱的响声；

(3)要有足够的机械强度和刚度，采用合适的截面过渡圆弧，不允许出现虚焊和裂纹，避免在切削中产生断裂现象。

(4)综合考虑声学性能和刀杆的机械性能(韧性、强度等)及成本、可加工性等因素，一般选用45号钢或优质合金钢制造弯曲振动刀杆，有条件时，要经表面渗氮。弯曲振动刀杆一端焊接硬质合金刀头或超硬材料刀头，焊接后的刀杆不允许有裂纹和缺陷。弯曲振动刀杆应进行调质处理。

弯曲振动刀杆谐振频率f的计算公式为

$f=\frac{A_{n}C}{2\mathrm{\π}{l}^2}\sqrt{\frac{J}{A}}---\left(1\right)$

式中：A——刀杆截面积(mm²)；

      l——刀杆长度(mm)；

      C——声波在弹性材料中传播的速度(mm/s)；

      J——截面惯性矩(mm⁴)；

A_n——振型系数，随不同振型而不同，见图1。

弯曲振动车削刀杆的作用有三个；一是传递超声振动能量；二是变换振动方向；三是作为刀头的支撑体，要有足够的强度和刚度。

要保证超声车刀的强度和刚度，第一是选择声损耗小，强度要高的材料，刀杆厚度和宽度要足够大，保证有足够的抗弯强度，这些都容易做到。第二是要在节点处固定节点压块，将弯曲振动刀杆安装在刀架上，从而提高超声车削工艺系统刚度。

何谓节点？节点就是位移为零的点。对于弯曲振动刀杆来说，节点就是一条宽度为零的直线，又称为节线。

从理论上来看，节点压紧凸台宽度d′＝0。

但是，从工程角度来看，宽度为零的节点压块是不存在的，是不能保证和提高超声车削工艺系统刚度的。

因此，准确确定弯曲振动刀杆的节点就变得既非常重要，又非常迫切了，否则，采用一振型以上刀杆的超声车削就无法在生产中使用，操作工人也没有调整压块位置及两个节点之间距离的耐心和时间。

下面举例说明弯曲振动刀杆的设计计算、节点确定和固定方法：

设计一个五振型刀杆，材质为45号钢，共振频率为20kHz，取厚度h＝18mm。

解                    A₅＝298

c＝5.1×10⁶mm/s

$\mathrm{\λ}=\frac{c}{f}=\frac{5.1{\×10}^6}{2{\×10}^4}=255\mathrm{mm}$

将这些数据代入式(1)得

$l=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{298\×18}{\sqrt{3}\mathrm{\π}}\×255}=250.69\mathrm{mm}$

各节点位置为：

0.06l＝15.04mm         0.277l＝69.44mm

0.409l＝102.53mm       0.591l＝148.16mm

0.773l＝193.78mm       0.94l＝235.65mm

其刀杆形状如图2所示，其中点画线位置为位移节点位置。可在位移节点处用节点压块进行紧固。图3所示为可用于该五振型车刀的压块长度不可调节的节点压块，实用中，压块长度还可做成可调节的，便于调整和使用。

根据实际使用经验可知，二振型以上刀杆因在节点坚固，故刚性好，而且由于声振系统放在车刀后面，可以扩大加工范围。当然，二振型以上刀杆要求计算准确，调整比一振型刀杆困难。

弯曲振动刀杆设计时应注意以下几个问题：

(1)垂直度、平行度误差应符合要求

矩形刀杆的四面之间的垂直度、平行度误差均应小于0.01mm。

(2)选取合适的振型系数

振型系数A_n的选取应根据振型而定。不同的振型，A_n值也不同。

(3)刀杆宽度必须适当

从理论上来说，刀杆宽度虽与共振频率无关，但也不可选得太宽。在满足弯曲振动刀杆强度、刚度的情况下越窄越好。这样有利于超声能量的集中，便于把能量传递给刀头。

(4)刀头的厚度不能过薄

弯曲振动刀杆刀头部分的厚度一般应比整个刀杆薄一半左右。这样，既有利于焊接刀头，又有利于超声能量的集中，从而提高刀头部分的振幅。但由于这部分变薄，也会影响刀杆的共振频率，一般使共振频率降低，在设计中应注意这一点。

(5)超声车刀的刀具角度

超声车削一般采用硬质合金刀具和超硬材料刀具。从理论上讲，超声车削时工件的加工精度对刀具角度(后角除外)没有特殊要求，尤其与前角无关，为使用负前角刀具切削创造了条件。超声车削要求刀具后角不宜过小。

由于超声车削的切削力仅为普通车削的1/3～1/10，所以刀尖圆弧半径可以选得比普通车削稍大。刀具刃口要求平滑而锋利，在放大镜下观看刃口不应有锯齿形缺陷，这对降低表面粗糙度的R_a值很重要。普通车削中，要求刀具表面粗糙度R_a值低于工件要求的表面粗糙度R_a值，这一点对超声车削也是适用的。

下面归纳一下弯曲振动刀杆的特点：

1.弯曲振动刀杆采用焊接硬质合金刀头。氧焊容易造成裂纹，甚至刀头断裂。焊接还容易造成刀杆变形。这种刀具制造成本高。采用弯曲振动刀杆，变幅杆输出端面和刀杆端面之间的声能损耗较大，有时界面之间严重发热，温度高达60～70℃，况且刀杆热变形对保证尺寸精度也不利。为此，可对相互接触的两端面进行研磨，保证R_a＜0.1μm，平面度＜4μm，连接之前，界面之间涂敷硅油或蓖麻油。这样，有效地解决了界面之间的严重发热，将声能损耗降低到最低限度，减少了刀杆的热变形，保证了加工精度。

2.除一振型车刀外，二振型车刀至五振型车刀都存在位移节点确定的困难。要正确的将压块压在刀杆的位移节点上，往往需要花费30～60min，大大增加了辅助时间。更为严重的是，当刀具磨损到一定值、重新刃磨刀具后，节点发生变化，需重新测量节点，再调整压块上两压头距离，进一步增加辅助时间。

(1)用解析法推导的公式将弯曲振动刀杆设计好后，在节点处划线；

(2)弯曲振动刀杆装在变幅杆输出端后，放入水中，根据水中的波形修正节点，再重新划线；

(3)弯曲振动刀杆装在变幅杆输出端后，在弯曲振动刀杆上端面撒一层细粉笔灰，粉笔灰聚集处即为弯曲振动刀杆节点；

(4)用凑试法确定节点，即反复不断地用节点之间距离可调整的压块压紧刀杆，直到找出节点为止；

3.谐振质量大，增加了超声能量的损耗。

4.制造成本高，一般为硬质合金刀片的3～4倍。

为了节省测量位移节点和调整压块所需的辅助时间，本发明提出了研制速度快、智能化的节点测量仪和节点压块之间距离调整装置的设想。

弯曲振动刀杆在节点处采用压块固定法。

压块易于制造，调整方便，一般常被采用，其结构形式如图3所示。压块设计中主要是确定位移节点位置和计算任意两个位移节点之间的距离，可从弯曲振动刀杆设计中直接得到。当刀尖磨损、负载变化引起频率变化时，位移节点位置和两个位移节点之间的距离也会发生变化，因此最好采用可调式压块。压块厚度H在刀架结构尺寸允许的条件下尽可能大些，以提高压块的强度和刚度。压块宽度可与刀杆宽度相等。压紧凸台宽度d′应兼顾强度、刚度和声能损耗，一般取2～3mm。

根据图1中的公式计算值只是理论值，由于材料、热处理、谐振频率变化等多种因素的影响，实际节点位置将会发生变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种弯曲振动车削刀杆节点压块自动调整装置。

它具有刀架体，在刀架体上设有第一可移动压块、第二可移动压块、第三可移动压快、第四可移动压块，第一可移动压块和第三可移动压块通过连接板相连接，第二可移动压块和第四可移动压块通过连接板相连接，第一可移动压块和第三可移动压块通过方形槽分别装在第二可移动压块和第四可移动压块中，在第三可移动压块右侧面和下方装有第四齿轮、第五齿轮、第六齿轮和左伺服电机；在第四可移动压块右侧面和下方装有第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮和右伺服电机；在第三可移动压块、第四可移动压块右侧分别装有左位移传感器和右位移传感器；左位移传感器与第三丝杠、第六齿轮相连接，与第一可移动压块同步同向移动；右位移传感器与第四丝杠、第二齿轮相连接，与第二可移动压块同步同向移动。

左位移传感器和右位移传感器分别与测振仪、双通道A/D转换器、计算机相接。左伺服电机和右伺服电机分别与计算机、双通道A/D转换器、测振仪相接。

本发明的优点如下：

(1)该方法调整迅速；

(2)调整准确；

(3)根除了工人的麻烦，有效的解决了弯曲振动超声车削实用化的问题；

(4)实现了节点测量自动化。

附图说明

图1(a)是弯曲振动刀杆一振型车刀的振型系数；

图1(b)是弯曲振动刀杆二振型车刀的振型系数；

图1(c)是弯曲振动刀杆三振型车刀的振型系数；

图1(d)是弯曲振动刀杆四振型车刀的振型系数；

图1(e)是弯曲振动刀杆五振型车刀的振型系数；

图2(a)是五振型刀杆的主视图；

图2(b)是五振型刀杆的俯视图；

图3(a)是五振型车刀用于压紧I、II两点的节点压块；

图3(b)是五振型车刀用于压紧I、IV两点的节点压块

图4是弯曲振动车削刀杆节点压块自动调整装置主视图；

图5是弯曲振动车削刀杆节点压块自动调整装置侧视图；

图6是弯曲振动车削刀杆节点压块自动调整装置俯视图；

图7是弯曲振动车削刀杆节点压块自动调整装置局部视图；

图中：弯曲振动车削刀杆1、第一可移动压块2、刀架体3、第二可移动压块4、压电换能器5、变幅杆6、硬质合金刀头7、第一螺钉8、第一丝杠9、第三可移动压快10、第一压紧螺钉11、第四可移动压块12、第二丝杠13、第二螺钉14、第一轴15、第三螺钉16、左位移传感器17、第二压紧螺钉18、右位移传感器19、第四螺钉20、第一导轨21、第三丝杠22、左伺服电机23、右伺服电机24、第四丝杠25、第二导轨26、第五螺钉27、连接板28、垫片29、第一齿轮30、第二齿轮31、第三齿轮32、第五螺钉33、第二轴34、第四齿轮35、第五齿轮36、第六齿轮37。

图8是弯曲振动车削刀杆节点压块自动调整装置的计算机控制系统；

图9是弯曲振动车削刀杆节点压块自动调整装置的软件流程图。

具体实施方式

弯曲振动刀杆节点压块制作成长度可调节式结构。

弯曲振动车削刀杆节点压块自动调整装置具有刀架体3，在刀架体3上设有第一可移动压块2、第二可移动压块4、第三可移动压快10、第四可移动压块12，第一可移动压块和第三可移动压块通过连接板28相连接，第二可移动压块和第四可移动压块通过连接板相连接，第一可移动压块和第三可移动压块通过方形槽分别装在第二可移动压块和第四可移动压块中，在第三可移动压块右侧面和下方装有第四齿轮35、第五齿轮36、第六齿轮37和左伺服电机23；在第四可移动压块右侧面和下方装有第一齿轮30、第二齿轮31、第三齿轮32和右伺服电机24；在第三可移动压块、第四可移动压块右侧分别装有左位移传感器17和右位移传感器19；左位移传感器与第三丝杠、第六齿轮相连接，与第一可移动压块同步同向移动；右位移传感器与第四丝杠、第二齿轮相连接，与第二可移动压块同步同向移动。

左位移传感器17和右位移传感器19分别与测振仪、双通道A/D转换器、计算机相接。

左伺服电机23和右伺服电机24分别与计算机、双通道A/D转换器、测振仪相接。

四个可移动压块2、4、10、12均装在事先设定的两个节点之间。调整节点压块之前，先将压紧螺钉18松开，开启超声波发生器，使压电换能器、变幅杆和弯曲振动车削刀杆1工作在谐振状态。当左伺服电机23带动第五齿轮36、第四齿轮35、第六齿轮37旋转，通过第一丝杠9带动第一可移动压块2左移时，左位移传感器17测出的第一可移动压块2、第三可移动压块10的位移不断减小；当左位移传感器17测出的第一可移动压块2、第三可移动压块10的位移为零时(或位移δ＜0.1μm时)，控制系统发出信号，使左伺服电机23停止转动，第一可移动压块2和第三可移动压块10停止在弯曲振动车削刀杆1的左侧节点上。同时，当右伺服电机24带动第三齿轮32、第一齿轮30、第二齿轮31旋转，通过第二丝杆13带动第二可移动压块4和第四可移动压块12右移时，右位移传感器19测出的第二可移动压块4、第四可移动压块12的位移为零时(或位移δ＜0.1μm时)，控制系统发出信号，使右伺服电机24停止转动，第二可移动压块4和第四可移动压块12停止在弯曲振动车削刀杆1的右侧节点上。此时，转动压紧螺钉18，通过垫片29将四个可移动压块2、4、10、12压紧在弯曲振动刀杆节点上。

本发明的工作过程

弯曲振动超声车削装置由超声波发生器、压电换能器、变幅杆、弯曲振动刀杆、硬质合金刀头、节点压块和工艺装置构成。超声波发生器将220V(380V)、50Hz的交流电转换成超声频的正弦波电振荡信号，压电换能器将电振荡信号转换成超声频机械振动，变幅杆将压电换能器的纵向振动放大后传递给弯曲振动刀杆，从而推动超声车刀沿主切削力方向进行超声振动。

第一可移动压块2和第三可移动压块10通过连接板装配在一起，可同时移动和停止在某一个位置上。第二可移动压块4和第四可移动压块12通过连接板装配在一起，可同时移动和停止在某一个位置上。第一可移动压块2和第三可移动压块10通过方形槽分别装在第二可移动压块4和第四可移动压块12中，且可相互进行直线运动。在第三可移动压块2右侧面和下方装有第四齿轮35、第五齿轮36、第六齿轮37和左伺服电机23；在第四可移动压块12右侧面和下方装有第一齿轮30、第二齿轮31、第三齿轮32和右伺服电机24。在第三可移动压块10、第四可移动压块12右侧分别装有左位移传感器17和右位移传感器19。左位移传感器17与第三丝杠22、第六齿轮37相连接，与第一可移动压块2同步同向移动；右位移传感器19与第四丝杠25、第二齿轮31相连接，与第二可移动压块2同步同向移动。

四个可移动压块2、4、10、12均装在事先设定的两个节点之间。调整节点压块之前，先将压紧螺钉18松开，开启超声波发生器，使压电换能器、变幅杆和弯曲振动车削刀杆1工作在谐振状态。当左伺服电机23带动第五齿轮36、第四齿轮35、第六齿轮37旋转，通过第一丝杠9带动第一可移动压块2左移时，左位移传感器17测出的第一可移动压块2、第三可移动压块10的位移不断减小；当左位移传感器17测出的第一可移动压块2、第三可移动压块10的位移为零时(或位移δ＜0.1μm时)，控制系统发出信号，使左伺服电机23停止转动，第一可移动压块2和第三可移动压块10停止在弯曲振动车削刀杆1的左侧节点上。同时，当右伺服电机24带动第三齿轮32、第一齿轮30、第二齿轮31旋转，通过第二丝杆13带动第二可移动压块4和第四可移动压块12右移时，右位移传感器19测出的第二可移动压块4、第四可移动压块12的位移为零时(或位移δ＜0.1μm时)，控制系统发出信号，使右伺服电机24停止转动，第二可移动压块4和第四可移动压块12停止在弯曲振动车削刀杆1的右侧节点上。此时，转动压紧螺钉18，通过垫片29将四个可移动压块2、4、10、12压紧在弯曲振动刀杆节点上。

计算机控制系统流程如下：

测试系统通过左位移传感器17测得第三可移动压块10的振幅|a_i|并控制第三可移动压块10向左移动ΔX，ΔX为第三可移动压块10的移动步长。然后测得第三可移动压块10的振幅为a_j，比较|a_i|和|a_j|的大小，若|a_j|＜|a_i|，赋值a_i＝a_j进入第一个子循环，使第三可移动压块10向左朝节点位置慢慢移动，直到|a_j|≥|a_i|，跳出第一个子循环，程序继续执行，测试系统控制第一可移动压块向左移动ΔX，然后测得到第三可移动压块10的振幅为a’_j，比较|a_i|和|a’_j|的大小，若|a’_j|＜|a_i|，进入第二个子循环并赋值a_i＝a’_j，使压块向左朝节点位置慢慢移动，直到|a’_j|≥|a_i|跳出第二个子循环，些时需要判定|a’_j|＜a₀是否成立，其中a₀为第三可移动压块10与第四可移动压块12振幅设定值，人们希望a₀越小越好，通常a₀为0.1μm。若|a’_j|＜a₀成立，则标志第三可移动压块10已经移动到节点位置上。若|a’_j|＜a₀不成立，则需减小第三可移动压块10移动的步长ΔX，继续以更小步长进行调节，直到满足|a’_j|＜a₀的条件为止，即第三可移动压块10移动到了节点位置。

同理，测试系统通过右位移传感器19测得第四可移动压块12的振幅b_i，并控制第四可移动压块12向右移动ΔY，ΔY为第四可移动压块12的移动步长。然后测得第四可移动压块12的振幅为b_j，比较|b_i|和|b_j|的大小，若|b_j|＜|b_i|，赋值b_i＝b_j进入第一个子循环，使第四可移动压块12向右朝节点位置慢慢移动，直到|b_j|≥|b_i|，跳出第一个子循环，程序继续执行，测试系统控制第四可移动压块12向右移动ΔY，然后测得到第四可移动压块12的振幅为b’_j，比较|b_i|和|b’_j|的大小，若|b’_j|＜|b_i|，进入第二个子循环并赋值b_i＝b’_j，使压块向右朝节点位置慢慢移动，直到|b’_j|≥|b_i|跳出第二个子循环，些时需要判定|b’_j|＜a₀是否成立。若|b’_j|＜a₀成立，则标志第四可移动压块12已经移动到节点位置上。若|b’_j|＜a₀不成立，则需减小第四可移动压块12移动的步长ΔY，继续以更小步长进行调节，直到满足|b’_j|＜a₀的条件为止，即第四可移动压块12移动到了节点位置。

Claims (3)

1.一种弯曲振动车削刀杆节点压块自动调整装置，其特征在于它具有刀架体(3)，在刀架体(3)上设有第一可移动压块(2)、第二可移动压块(4)、第三可移动压快(10)、第四可移动压块(12)，第一可移动压块和第三可移动压块通过连接板(28)相连接，第二可移动压块和第四可移动压块通过连接板相连接，第一可移动压块和第三可移动压块通过方形槽分别装在第二可移动压块和第四可移动压块中，在第三可移动压块右侧面和下方装有第四齿轮(35)、第五齿轮(36)、第六齿轮(37)和左伺服电机(23)；在第四可移动压块右侧面和下方装有第一齿轮(30)、第二齿轮(31)、第三齿轮(32)和右伺服电机(24)；在第三可移动压块、第四可移动压块右侧分别装有左位移传感器(17)和右位移传感器(19)；左位移传感器与第三丝杠、第六齿轮相连接，与第一可移动压块同步同向移动；右位移传感器与第四丝杠、第二齿轮相连接，与第二可移动压块同步同向移动。

2.根据权利要求1所述一种弯曲振动车削刀杆节点压块自动调整装置，其特征在于，所述左位移传感器(17)和右位移传感器(19)分别与测振仪、双通道A/D转换器、计算机相接。

3.根据权利要求1所述一种弯曲振动车削刀杆节点压块自动调整装置，其特征在于，所述左伺服电机(23)和右伺服电机(24)分别与计算机、双通道A/D转换器、测振仪相接。

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