[发明专利]一种用于超声加工的组合砂轮及其设计方法

说明书

本发明公开了一种用于超声加工的组合砂轮及其设计方法，所述用于超声加工的组合砂轮，包括：外层磨环，其上端具有中心锥孔和多个位于中心锥孔周向外侧的外层磨环通水孔；连接锥柄，其下端具有由中心锥孔伸入至外层磨环腔且与中心锥孔锥面配合的锥柄部；连接法兰，其位于锥柄部外侧且固定在外层磨环腔上端内壁上，其具有中心锥形通孔；以及，内层振动单元，其具有与中心锥形通孔锥面配合的锥面和通过螺钉与连接锥柄连接的中心孔。所述的设计方法由外层磨环模态出发，依次确定各部分尺寸，最终得到组合砂轮。本发明实现了组合砂轮内外振动单元的复合振动，提高砂轮的振动性能，可实现材料的高效磨削加工。

技术领域

本发明涉及一种涉及超声加工领域，具体地说是一种用于超声加工的组合砂轮及其设计方法。

背景技术

随着航空、航天工业的发展，陶瓷、碳化硅复材等硬度高、脆性强的材料得到越来越广泛的应用。这类材料通常具有优良的化学及物理性能，在制造精密零件或者恶劣的工作环境下发挥出良好的效果。但是由于材料的硬脆特性，导致其加工难度较大，加工时材料易破碎，磨削区域温度高，刀具磨损严重。因此，为了保证加工质量和效率，需要一种合适的加工方法来满足生产的需求。

超声辅助磨削技术是将超声振动与普通砂轮磨削结合的一种新型特种加工技术。实践表明，超声辅助磨削可改变材料去除机理，使得加工过程具有切削力小、切削热低、刀具耐用度高、加工效率高、加工表面质量好等特点；对硬脆材料、形状复杂的型腔和型面以及薄壁等零件体现出较好的工艺优势，被认为是加工硬脆材料的有效途径。

砂轮是超声辅助磨削的重要工具，现有技术采用的砂轮通常为杯型砂轮。为了保证磨削时磨粒的线速度，杯型砂轮仅在最外圈有磨粒，中间部分的基体被去除，形成单层杯状结构，单层的杯型结构不能充分发挥砂轮在超声辅助磨削条件下的磨削能力，并且其振动形式比较单一，不利于加工质量的提升。在不改变现有砂轮结构形式的情况下，当砂轮直径较大时，砂轮内部的有效磨削区域比例变小。虽然加上超声辅助作用后能一定程度上改变磨削效果，但不能从根本上解决砂轮磨削效率和质量的进一步提升问题。

纵扭复合振动的超声辅助磨削技术在难加工或硬脆材料的加工上表现出更高的加工质量和加工效率，适用于更复杂的三维空间零件加工，表现出更好的加工工艺性。现有的技术中，通常是采用特殊结构的变幅杆来实现纵扭复合振动。申请号为201621455642.1的专利公开了一种纵扭复合振动的超声变幅杆，所采用的技术方案为通过圆柱-圆锥-圆柱放大，再通过传振杆上开设的圆环斜槽转换成纵向振动波形和横向振动波形，最后变幅杆末端振动形式即为纵扭共振。但是变幅杆精度要求较高，加工特殊结构难度大，成本高，并不适合大范围推广。

发明内容

本发明的目的在于在加工硬脆性材料的过程中，提供一种用于超声加工的组合砂轮及其设计方法。本发明的组合砂轮具有内外两层振动单元，采用附件化的内层振动单元与连接法兰连接，充分发挥了超声辅助磨削的加工能力，可以提高生产效率；内层振动单元有主动散热盘和辅助内层磨环两种类型，与外层磨环组合后可满足不同的加工需求；连接法兰形状及安装位置可根据外层磨环模态更换，以减少在节圆、节点处的摩擦；从而实现在砂轮外径上获得不同振幅和振动模态的超声振动，同时抑制砂轮连接等其他位置的超声振动。连接法兰内侧与内层振动单元锥面连接，减少了超声在界面间传递的损失，保证了超声传递的效率，同时提高了定位精度；连接法兰与内层振动单元锥面连接并有一定弹性，使内外层振动单元间轴向高度可调，能满足多种工况。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于超声加工的组合砂轮，包括：

外层磨环，其上端具有中心锥孔和多个位于中心锥孔周向外侧的外层磨环通水孔，其下端具有与中心锥孔和外层磨环通水孔连通且下端敞开的外层磨环腔，与外层磨环腔所对应的外层磨环外壁具有多个与外层磨环腔连通的外层磨环斜槽，其中，外层磨环斜槽的槽口位于外层磨环下端面；