[发明专利]一种超声辅助磨削装置及其应用

说明书

本发明提供了一种超声辅助磨削装置及其应用，本发明由升降及旋转主轴系统、超声波电源换向系统、超声辅助磨削系统和零件夹持系统四个部分组成；所述升降及旋转主轴系统由立柱、主轴箱、电机、联轴器、主轴、刀柄和拉钉组成；所述超声波电源换向系统由超声波发生器、外绝缘导线、导电滑环、内绝缘导线和主轴法兰组成；所述超声辅助磨削系统由套筒、换能器、变幅杆和砂轮组成；所述零件夹持系统由床身、鞍座、工作台和机床夹具组成。本发明用于加工高硬度、高脆性材料零件，解决了硬脆材料由于其高硬度、高脆性的特殊性能，常规磨削工艺加工中易导致硬脆材料表面微裂纹、零件崩边等表面损伤的技术问题。

技术领域

本发明属于超声辅助加工技术领域，具体涉及一种超声辅助磨削装置及其应用。

背景技术

磨削是机械加工中一种重要的精加工方式，切削余量少、精度高。以工程陶瓷、光学玻璃、单晶硅等为代表的硬脆材料，由于具备高硬度、高强度、低密度、耐高温等一系列优异的物理和化学特性，在汽车、医疗、航空航天、国防等领域中得到了日益广泛的应用。然而，硬脆材料由于其高硬度、高脆性的特殊性能，常规磨削工艺加工硬脆材料往往会产生表面微裂纹、零件崩边等表面损伤，刀具磨损严重，加工复合材料时还容易发生纤维拔出、界面脱粘、基体破碎、毛刺、分层、撕裂等加工损伤。这些加工损伤严重地影响了硬脆材料的加工质量、加工效率和生产成本，从而限制了其推广应用，对以常规磨削工艺为代表的传统加工工艺提出了严峻的挑战。

超声辅助磨削加工是将超声加工技术与常规磨削工艺复合的加工技术，它将超声振动加载于磨具上，主轴驱动砂轮做高速旋转，同时砂轮在超声振动系统的激励下作超声频的微小纵向振动。超声磨削通过高频冲击将零件表面的材料锤击成微粒并从零件表面上脱落下来，然后利用砂轮的磨蚀和抛磨作用实现材料的去除。相比于常规磨削，其磨削力小，磨削温度低，材料去除率高，加工精度高，刀具寿命长。因此，超声辅助磨削加工被视为加工硬脆材料的有效方法之一，超声磨削设备的设计方法也成为研究人员们关注的热点。

超声波振动理论与机械加工学科之间的前沿技术的相互渗透，为超声辅助磨削加工技术提供了理论基础；大功率超声波发生器、换能器和变幅杆的成熟产品投向市场，为超声辅助磨削加工的实现提供了物质保障。韩青于2014年提出了一种超声磨削装置专利申请号：201420346057.2，该装置中的变幅杆从左往右一次串置有联轴器、集电环和压电陶瓷，集电环左侧、压电陶瓷左右两侧均设置有与变幅杆相配的轴承，变幅杆的外端设置有工具磨头，整体结构设计合理、紧凑，定位精度高，加工效率高，且降低了切削力。赵波于2017年提出了一种单激励使砂轮产生径扭复合振动的超声磨削方法及系统的发明专利申请号201710833832.5，该装置在变幅器上开螺旋槽，将单激励的纵向振动转换为纵-扭复合振动，利用曲线板与平行砂轮的组合结构将纵-扭复合振动转换为径-扭复合振动，通过优化对径向振幅和扭转振幅放大，大幅改善了硬脆材料的被加工表面、磨削稳定性。

以上专利虽然利用了超声辅助磨削技术对硬脆材料加工方法进行了改进，但是主轴回转装置径向尺寸大，磨具尺寸小，都未涉及到大负载砂轮超声辅助磨削加工工艺，通用性差。目前，超声波电源换向系统主要分为两类：1、非接触式：超声波发生器产生的正弦电信号通过主边线圈时在耦合器中产生电磁感应现象，使副边线圈产生感应电流并将其传递到换能器上，此类装置传递效率较低、功率小；2、接触式：将超声波发生器的电信号通过碳刷传送到导电环上，再经过钎焊在导电环上的导线传递到压电陶瓷换能器上，此类装置主轴转速低、稳定性差，限制了超声辅助磨削的广泛应用。因此将超声振动技术与大负载砂轮磨削工艺有机结合，研制一种针对硬脆难加工材料的超声加工设备，用于改进磨削工艺，进而提高零件加工效率和质量，延长刀具使用寿命，拓展超声振动技术应用范围，是有必要、有意义的。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种超声辅助磨削装置及其应用，将超声振动特种加工工艺与磨削工艺相结合，研制一种针对硬脆难加工材料的超声辅助磨削装置，用于改进磨削工艺，进而提高零件加工效率和质量，延长刀具使用寿命，拓展超声振动技术应用范围。