CN209272517U - 高低频复合振动钻削装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高低频复合振动钻削装置，它包括低频振动系统和高频振动系统。低频振动系统包括装置外壳、带锥柄端面凸轮、从动端面凸轮、固定盘和环状柔性铰链五个组成部分，通过机床主轴的转动使得带锥柄端面凸轮回转并产生激励，通过固定盘中的滑块、从动端面凸轮及环状柔性铰链的协调作用，实现变幅杆在高速旋转的同时产生轴向低频振动。高频振动系统包括超声波发生器、无线传输装置、换能器和变幅杆，通过超声波发生器、无线传输装置和换能器将电信号转化为高频机械振动信号，经变幅杆放大后传递给刀具，实现刀具的轴向高频振动。本实用新型直接安装在机床主轴上，针对不同材料改变高低频振动参数和高低频复合方法进行高精度的制孔加工。

Description

高低频复合振动钻削装置

技术领域：

本实用新型涉及一种机械加工中钻孔设备，特别是涉及一种高低频复合振动钻削装置。

背景技术：

随着现代科学技术的不断发展，在航空、航天、国防和交通等领域对材料的要求越来越高。碳纤维复合材料(CFRP)和钛合金基于各自优良的特性，在航空航天领域应用广泛，CFRP一般和钛合金部件是通过螺栓和铆钉连接装配，为了保证装配精度、提高生产效率，需要采用叠层结构加工连接孔。在CFRP/钛合金叠层结构制孔时，由于两种材料都属于难加工材料并且性能和加工工艺参数差异较大，使得制孔质量差、刀具寿命短。

国内外的专家学者已经对CFRP、钛合金和CFRP/钛合金叠层结构采用振动辅助钻削的方法进行了试验，研究表明：低频轴向振动钻削 CFRP时可以明显降低切削温度和切削力，但是分层缺陷没有得到改善；钻削钛合金时能够很好地断屑排屑，降低轴向力和切削温度，提高孔的表面质量、形状精度和尺寸精度，减少出入口毛刺。采用超声振动钻削CFRP时能够减少轴向力，减少分层缺陷，降低刀具磨损，但是温度有所上升；钻削钛合金时能够降低切削力和扭矩，减缓刀具磨损，但是温度高于普通钻削。在CFRP/钛合金叠层结构的制孔加工中，如果能够将低频振动和超声振动合理的结合起来，发挥各自的优势，弥补各自的不足，必将产生良好的效果。采用高低频振动复合钻削的加工方法应当是CFRP/钛合金叠层结构制孔研究的一个重要方向。

目前，已有学者提出了复合振动钻削装置，如专利“一种复合振动钻削装置”(申请号201610002983.1，公开号CN 105499626 A，公开日期：2016.04.20)实用新型的一种复合振动钻削装置，利用超声扭转振动系统驱动钻头实现所需的超声扭转振动，借助低频轴向振动系统驱动工件实现低频轴向振动，高频系统和低频系统需要分开进行安装调试，且其低频振幅较小，加负载后振幅不稳定，容易缺失。专利“一种复合振动钻削装置及加工方法”(申请号 201710502563.4，公开号CN 107262761 A，公开日期：2017.10.20) 实用新型的一种复合振动钻削装置，使用凸轮和低频振动执行机构来实现低频振动，通过弹簧来提供低频振动的恢复力，步进电机通过控制低频执行机构的位置来控制低频振动的振幅，工作时，低频振动执行机构与凸轮间为滑动摩擦，发热较大；超声振动系统中电流的传输通过电刷将电信号传递给压电陶瓷组，摩擦严重，导致温度过高，影响系统稳定性。

实用新型内容：

本实用新型所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种设计合理、能够针对不同材料改变高低频振动参数和高低频复合方法的高低频复合振动钻削装置。

本实用新型的技术方案是：

一种高低频复合振动钻削装置，包括低频振动系统和高频振动系统，其所述低频振动系统包含装置外壳和带锥柄端面凸轮，所述带锥柄端面凸轮的下端外表面与所述装置外壳的内腔上部转动式连接，所述带锥柄端面凸轮的内腔中设置有环状柔性铰链，所述环状柔性铰链的上部设置有从动端面凸轮，所述带锥柄端面凸轮的下端面和所述从动端面凸轮的上端面均为正弦直纹曲面且二者形状参数完全一样，所述装置外壳的内腔中部设置有固定盘，所述固定盘上沿圆周均布贯通孔，每一所述贯通孔内均设置有一个滑块，所述滑块与所述贯通孔为滑动式配合，每一所述滑块的上下两端分别设置有滚轮，两个所述滚轮分别与所述带锥柄端面凸轮的下端面和从动端面凸轮的上端面滚动式接触；所述高频振动系统包含超声波发生器、无线传输装置、换能器和变幅杆，所述无线传输装置的上感应盘放置于密封盖圈下端面的环形凹槽中，通过导线与装置外部超声波发生器相连接，所述密封盖圈通过螺钉与所述装置外壳的上端固定，下感应盘放置于所述带锥柄端面凸轮中部平面的环形凹槽中；所述变幅杆的法兰是低频系统的输出端，与所述环状柔性铰链通过定位销和螺钉联接，变幅杆和法兰之间开有两个相对的环形凹槽，所述变幅杆的上端安装有所述换能器，所述换能器置于所述环状柔性铰链下端内部的空心圆柱中，所述变幅杆的下端安装有用于装夹刀具的弹簧夹头和螺母，所述换能器通过导线与所述下感应盘连接。

所述从动端面凸轮(15)的下端面有一个环形凹槽，紧贴于所述环状柔性铰链(11)的圆环部分上端的环形凸起；从动端面凸轮(15) 的外圆面与调整螺母(17)的内圆面之间采用间隙配合并通过滑键(16) 联接；所述环状柔性铰链(11)上端通过螺纹联接和锥面配合与带锥柄端面凸轮(2)连接，下端内部为空心圆柱。所述固定盘(12)通过螺钉(13)与所述装置外壳(10)相连，所述环状柔性铰链顶部通过螺纹联接和锥面配合与带锥柄端面凸轮连接。

所述调整螺母为带锁定销的精密锁紧螺母，上部与从动端面凸轮间隙配合并通过滑键联接，下部与环状柔性铰链采用螺纹联接；所述滑键有两个，且对称安装在所述从动端面凸轮的两侧。

所述带锥柄端面凸轮的下端面和所述从动端面凸轮的上端面为包含三个或四个周期的正弦直纹曲面，正弦幅值为0.05-0.1mm。所述带锥柄端面凸轮的下端面和所述从动端面凸轮的上端面均要经过表面淬火或氮化处理或QPQ盐浴复合处理，表面硬度不低于55HRC。

所述环状柔性铰链为双排铰链，两排之间放置有两个支撑半圆盘，所述环状柔性铰链和支撑半圆盘通过螺钉和定位销联接。所述环状柔性铰链的截面可采用单边圆弧形或倒圆角直梁形结构；所述环状柔性铰链在铰链部分的圆周方向开出一些均匀分布的通孔或通槽。

所述固定盘包括固定盘外圈、固定盘内圈和滑块；所述固定盘内圈和固定盘外圈通过螺钉联接，所述滑块安装在所述固定盘内圈和固定盘外圈所围成的方形贯通孔内，且呈间隙配合，其数量与端面凸轮上正弦直纹曲面的正弦周期数相同。

所述滑块体材质为黄铜，所述固定盘内圈和固定盘外圈材质为轴承钢。所述滑块包含滑块体、上下两个支承滚轮轴承、卡环和支撑轴；所述支承滚轮轴承通过支撑轴安装在滑块体上。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型能够直接安装在机床主轴上，利用主轴的旋转实现振动输出杆在高速旋转的同时产生低频轴向振动，利用高频系统将电信号转化为高频机械振动信号，经变幅杆放大后传递给刀具，实现刀具的轴向高频振动，根据加工需要，改变高低频振动参数和高低频复合方法，实现钛合金、复合材料等难加工材料的精密高效钻削。

2、本实用新型采用基于端面凸轮和环状柔性铰链的振动装置，振幅大小精确，振动稳定可靠；振幅能连续无级调节，适应范围广。

3、本实用新型高频振动系统采用无线传输装置与装置整体结合紧凑，结构简单，发热较小；另外能够针对不同材料改变高低频振动参数和高低频复合方法进行高效、高质量和高精度的制孔加工。

4、本实用新型结构简单、紧凑，装卸方便；有效解决了难加工材料微小孔加工时的断屑排屑难题，改善切削液冷却润滑效果，延长刀具寿命和提高孔加工精度和质量，易于推广实施，具有良好的经济效益。

附图说明：

图1为高低频复合振动钻削装置的剖视结构示意图；

图2为图1中A-A剖面结构图；

图3为图1中固定盘的结构示意图；

图4为图3中B-B剖面结构图。

具体实施方式：

实施例：参见图1-图4，图中，1-拉钉，2-带锥柄端面凸轮，3- 上感应盘，4-密封盖圈，5-下感应盘，6-压紧螺母，7-螺钉，8-角接触球轴承，9-隔套，10-装置外壳，11-环状柔性铰链，12-固定盘，13-螺钉，14-换能器，15-从动端面凸轮，16-滑键，17-调整螺母， 18-支撑半圆盘，19-密封环，20-螺钉，21-弹垫，22-螺钉，23-变幅杆，24-弹簧夹头，25-螺母，26-钻头，27-外壳固定柄，28-外壳固定杆，29-盖帽，30-定位销，121-固定盘外圈，122-固定盘内圈，123- 螺钉，124-滑块，1241-滑块体，1242-支撑滚轮轴承，1243-卡环， 1244-支撑轴。

高低频复合振动钻削装置包含低频振动系统和高频振动系统。低频振动系统包含装置外壳10、带锥柄端面凸轮2、从动端面凸轮15、固定盘12和环状柔性铰链11等五个组成部分；高频振动系统包含超声波发生器、无线传输装置3和5、换能器14和变幅杆23等四个组成部分。

装置外壳通过外壳固定柄和外壳固定杆与机床主轴外套(未给出) 相联，保证在装置工作时装置外壳不发生旋转。

带锥柄端面凸轮2的顶部为锥柄结构，可以做成BT、HSK、SK、 ISO等不同的锥柄型式，用于与不同类型的机床主轴联接。如图1所示为BT40锥柄，锥度为7:24，其具体规格尺寸可依照相关刀柄标准确定。带锥柄端面凸轮2的中部平面上开有环形凹槽，底部为正弦直纹曲面，根据加工对象的不同，可以选用具有不同正弦周期和振幅的正弦直纹面，一般可取3个或4个正弦周期、0.05-0.1mm的正弦幅值。正弦直纹面的正弦周期数和机床的主轴转速共同决定了低频振动的振动频率。

从动端面凸轮15的上端面也为正弦直纹曲面，且和带锥柄端面凸轮2的下端面的正弦直纹曲面形状参数完全一样，两个端面均要经过表面淬火或氮化处理或QPQ盐浴复合处理，表面硬度不低于55HRC。从动端面凸轮15的下端面有一个环形凹槽，紧贴于环状柔性铰链11 的圆环部分上端的环形凸起，从动端面凸轮15的外圆面与调整螺母 17的上部内圆面之间采用间隙配合并通过对称安装在从动端面凸轮 15两侧的滑键16联接。调整螺母17的下部与环状柔性铰链11采用螺纹联接。调整螺母17为带锁定销的精密锁紧螺母，可以在调整螺母调整到一定位置后通过锁定销锁紧，结构更为紧凑。

通过转动调整螺母17可以使得从动端面凸轮15跟着做相应的旋转，从而调整从动端面凸轮15与带锥柄端面凸轮2上两个正弦直纹曲面之间的相对位置或相位差，实现变幅杆23低频振幅的连续调整。具体地，设正弦直纹曲面的幅值为A₀，所产生低频振动的圆频率为ω，从动端面凸轮15与带锥柄端面凸轮2的相位差为则变幅杆23 的低频振动位移A可由下式给出：

其中ψ为所产生低频振动的相位角，

即当相位差为0时，变幅杆23的低频振幅为0，不产生振动；当相位差逐渐增大，变幅杆23的低频振幅也逐渐增大；当相位差为π时，变幅杆23的低频振幅达到最大2A₀，即通过转动调整螺母17可以变幅杆23的低频振幅从0到2A₀的连续调整。

如图1和图2所示，无线传输装置的上感应盘3放置于密封盖圈 4下端面的环形凹槽中，通过导线与外部超声波发生器相连接，密封盖圈4通过螺钉7与装置外壳10联接固定，下感应盘5放置于带锥柄端面凸轮2中部平面的环形凹槽中；变幅杆23的法兰与环状柔性铰链11通过定位销30和螺钉22联接，变幅杆23上端安装有换能器 14，换能器14置于环状柔性铰链11下端内部的空心圆柱中，通过导线与下感应盘5相连，下端安装有用于装夹刀具的弹簧夹头24和螺母25。

如图1所示，环状柔性铰链11顶部通过螺纹联接和锥面配合与带锥柄端面凸轮2连接，保证二者之间的同心配合；如图1和图2所示，变幅杆23的法兰与环状柔性铰链11通过定位销30和螺钉22联接，并通过止口配合，保证了变幅杆23和环状柔性铰链11的同轴度。通过以上几个零件之间的配合进一步保证了变幅杆23前端装卡的刀具的回转精度。

如图1所示，环状柔性铰链11内部为圆柱部分，顶端与带锥柄端面凸轮2连接，具有极大的轴向刚度；环状柔性铰链11外部为圆环部分；内、外部之间采用单边圆弧形或倒圆角直梁形结构(指环状柔性铰链的截面形状)过渡，使得外部圆环部分在轴向上具有一定的柔度。当带锥柄端面凸轮2通过滑块114推动从动端面凸轮15振动时，环状柔性铰链11能够提供精确的弹性回复作用。环状柔性铰链 11为双排铰链，两排之间放置有两个支撑半圆盘18，环状柔性铰链 11和支撑半圆盘18通过螺钉22和定位销30联接成一个整体，双排铰链可以有效提高振动装置的侧向刚度和轴向振动的精度。此外，环状柔性铰链11可在铰链部分的圆周方向开出一些均匀分布的通孔或通槽，以改变柔性铰链的刚度，满足振动加工时不同振动频率的要求。

如图1、3和4所示，固定盘12安装在在两个端面凸轮之间，通过螺钉13与装置外壳10相连，保证在装置工作时固定盘不发生旋转。固定盘12包括固定盘外圈121、固定盘内圈122和滑块123，固定盘外圈121和固定盘内圈122通过螺钉123联接，滑块124安装在固定盘外圈121和固定盘内圈122所围成的方形槽内，且呈间隙配合，可以上下滑动，其数量与正弦直纹曲面的周期数相同，且均匀分布。在振动装置工作时，滑块124相当于凸轮机构的从动件，随着带锥柄端面凸轮2的旋转，滑块124在方形槽内上下滑动，进而带动从动端面凸轮15以及柔性铰链11的圆环部分和变幅杆23的振动。滑块124 包含滑块体1241、上下两个支承滚轮轴承1242、卡环1243和支撑轴 1244；支承滚轮轴承1242通过支撑轴1244安装在滑块体1241上，一方面能够保证在工作中，承受较大的轴向力，同时也能够保证整个滑块与上下两个端面凸轮之间呈滚动摩擦接触，有效减少摩擦力。滑块体1241的材质为黄铜，固定盘外圈121和固定盘内圈122的材质为轴承钢，在脂润滑状态下，可以有效较小滑块体与固定盘内外圈之间的摩擦系数。

如图1所示，装置外壳10通过两个完全相同的角接触球轴承8 安装在带锥柄端面凸轮2外部；两个角接触球轴承之间用隔套9隔开；角接触球轴承8的内圈通过压紧螺母6来锁紧，压紧螺母6的上端面开有一个环形槽；密封盖圈4通过螺钉7安装在装置外壳10上端，同时顶住角接触球轴承8的外圈，密封盖圈4的下端面还有一个环形凸起，与压紧螺母6下端面的环形槽形成迷宫密封；密封环19通过螺钉20安装于装置外壳10下端。通过装置外壳10的上下两端安装的密封装置，保证了装置内部润滑脂的密封。外壳固定柄25通过螺钉固定在装置外壳8侧面；外壳固定杆28通过螺纹与外壳固定柄27 联接；盖帽29通过螺纹安装在外壳固定杆28上部。外壳固定柄27 和外壳固定杆28内部有润滑油脂通道，和装置内腔连通，用于润滑油脂的补充。

本实用新型的一种高低频复合振动钻削装置的工作原理为：低频系统是装置外壳10和固定盘12固定不转，机床主轴的转动使得带锥柄端面凸轮2转动，带锥柄端面凸轮2上具有正弦直纹面特征的端面对固定盘12中的滑块124产生激励作用，进一步通过滑块124、从动端面凸轮15及环状柔性铰链11的协调作用，实现变幅杆23在高速旋转的同时产生轴向低频振动。高频系统是通过超声波发生器、无线传输装置3、5和换能器14将电信号转化为高频机械振动信号，经变幅杆23放大后传递给刀具，实现刀具的轴向高频振动。根据加工需要，改变高低频振动参数和高低频复合方法，实现精密高效钻削。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型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，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种高低频复合振动钻削装置，包括低频振动系统和高频振动系统，其特征是：所述低频振动系统包含装置外壳和带锥柄端面凸轮，所述带锥柄端面凸轮的下端外表面与所述装置外壳的内腔上部转动式连接，所述带锥柄端面凸轮的内腔中设置有环状柔性铰链，所述环状柔性铰链的上部设置有从动端面凸轮，所述带锥柄端面凸轮的下端面和所述从动端面凸轮的上端面均为正弦直纹曲面且二者形状参数完全一样，所述装置外壳的内腔中部设置有固定盘，所述固定盘上沿圆周均布贯通孔，每一所述贯通孔内均设置有一个滑块，所述滑块与所述贯通孔为滑动式配合，每一所述滑块的上下两端分别设置有滚轮，两个所述滚轮分别与所述带锥柄端面凸轮的下端面和从动端面凸轮的上端面滚动式接触；所述高频振动系统包含超声波发生器、无线传输装置、换能器和变幅杆，所述无线传输装置的上感应盘放置于密封盖圈下端面的环形凹槽中，通过导线与装置外部超声波发生器相连接，所述密封盖圈通过螺钉与所述装置外壳的上端固定，下感应盘放置于所述带锥柄端面凸轮中部平面的环形凹槽中；所述变幅杆的法兰是低频系统的输出端，与所述环状柔性铰链通过定位销和螺钉联接，变幅杆和法兰之间开有两个相对的环形凹槽，所述变幅杆的上端安装有所述换能器，所述换能器置于所述环状柔性铰链下端内部的空心圆柱中，所述变幅杆的下端安装有用于装夹刀具的弹簧夹头和螺母，所述换能器通过导线与所述下感应盘连接。

2.根据权利要求1所述的高低频复合振动钻削装置，其特征是：所述从动端面凸轮（15）的下端面有一个环形凹槽，紧贴于所述环状柔性铰链（11）的圆环部分上端的环形凸起；从动端面凸轮（15）的外圆面与调整螺母（17）的内圆面之间采用间隙配合并通过滑键（16）联接；所述环状柔性铰链（11）上端通过螺纹联接和锥面配合与带锥柄端面凸轮（2）连接，下端内部为空心圆柱；

所述固定盘（12）通过螺钉（13）与所述装置外壳（10）相连，所述环状柔性铰链顶部通过螺纹联接和锥面配合与带锥柄端面凸轮连接。

3.根据权利要求2所述的高低频复合振动钻削装置，其特征是：所述调整螺母为带锁定销的精密锁紧螺母，上部与从动端面凸轮间隙配合并通过滑键联接，下部与环状柔性铰链采用螺纹联接；所述滑键有两个，且对称安装在所述从动端面凸轮的两侧。

4.根据权利要求1所述的高低频复合振动钻削装置，其特征是：所述带锥柄端面凸轮的下端面和所述从动端面凸轮的上端面为包含三个或四个周期的正弦直纹曲面，正弦幅值为0.05-0.1mm。

5.根据权利要求1所述的高低频复合振动钻削装置，其特征是：所述带锥柄端面凸轮的下端面和所述从动端面凸轮的上端面均要经过表面淬火或氮化处理或QPQ盐浴复合处理，表面硬度不低于55HRC。

6.根据权利要求1所述的高低频复合振动钻削装置，其特征是：所述环状柔性铰链为双排铰链，两排之间放置有两个支撑半圆盘，所述环状柔性铰链和支撑半圆盘通过螺钉和定位销联接。

7.根据权利要求1所述的高低频复合振动钻削装置，其特征是：所述环状柔性铰链的截面可采用单边圆弧形或倒圆角直梁形结构；所述环状柔性铰链在铰链部分的圆周方向开出一些均匀分布的通孔或通槽。

8.根据权利要求1所述的高低频复合振动钻削装置，其特征是：所述固定盘包括固定盘外圈、固定盘内圈和滑块；所述固定盘内圈和固定盘外圈通过螺钉联接，所述滑块安装在所述固定盘内圈和固定盘外圈所围成的方形贯通孔内，且呈间隙配合，其数量与端面凸轮上正弦直纹曲面的正弦周期数相同。

9.根据权利要求8所述的高低频复合振动钻削装置，其特征是：所述滑块体材质为黄铜，所述固定盘内圈和固定盘外圈材质为轴承钢。

10.根据权利要求1所述的高低频复合振动钻削装置，其特征是：所述滑块包含滑块体、上下两个支承滚轮轴承、卡环和支撑轴；所述支承滚轮轴承通过支撑轴安装在滑块体上。