一種三維超聲振動elid內(nèi)圓磨削實驗裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于硬脆材料精密超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維超聲振動ELID內(nèi)圓磨削實驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]工程陶瓷、光學(xué)玻璃等硬脆材料具有高硬度、高強(qiáng)度、高脆性、耐磨損、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點，廣泛應(yīng)用于光學(xué)儀器、半導(dǎo)體、汽車、航空航天、機(jī)械等領(lǐng)域。但到目前為止，硬脆材料的加工仍然是一個難題。因為硬脆材料一個最突出的特點就是脆性高，斷裂韌性低，彈性極限與強(qiáng)度非常接近。加工時，當(dāng)材料承受的載荷超過彈性極限，就會發(fā)生斷裂破壞，在已加工表面形成裂紋和凹坑，嚴(yán)重影響其表面質(zhì)量和性能。針對硬脆材料的難加工特性，硬脆材料超聲磨削技術(shù)、ELID磨削技術(shù)、磁性拋光技術(shù)、彈性發(fā)射加工技術(shù)等復(fù)合加工技術(shù)研宄應(yīng)運(yùn)而生，目前技術(shù)成熟度、效率較高和應(yīng)用較多的公認(rèn)為ELID磨削技術(shù)和超聲磨削技術(shù)。ELID磨削技術(shù)的主要優(yōu)點是可以采用細(xì)、微磨粒獲得粗糙度極低的納米加工表面，但ELID磨削技術(shù)的缺點是砂輪易堵塞、加工效率低、成本較高及金剛石砂輪上剝落的非導(dǎo)電氧化物容易擦傷工件等，因此如何能減少砂輪堵塞、減少脫落的氧化膜對磨削表面的損傷、獲得更高的效率等問題一直是該領(lǐng)域研宄的主要問題，也成為ELID磨削技術(shù)進(jìn)一步提尚的瓶頸。
[0003]近年來興起的超聲磨削技術(shù)，它可以減小加工過程中的磨削力，增加臨界磨削深度，從而提高生產(chǎn)效率，是一種很有發(fā)展前途的新方法。如一維軸向超聲振動磨削可以實現(xiàn)加工表面質(zhì)量的顯著提高；一維徑向超聲輔助磨削可以實現(xiàn)材料去除率的大幅度提高，但是會導(dǎo)致砂輪磨損的增加和表面粗糙度的輕微增加。在此基礎(chǔ)上，為了充分發(fā)揮超聲振動磨削的優(yōu)點，各國學(xué)者先后提出了不同類型的二維超聲振動磨削技術(shù)。但盡管二維超聲振動磨削技術(shù)具有優(yōu)越的綜合加工性能，但是目前其仍存在一定的技術(shù)難題。例如存在著當(dāng)負(fù)載、溫度切削條件等變化時振速不穩(wěn)定，以及材料加工效率顯著提高而表面粗糙度沒有明顯變化，加工過程中磨削速度較低等現(xiàn)象。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]本實用新型為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種超聲磨削加工技術(shù)與ELID磨削技術(shù)復(fù)合、加工效率高、砂輪不易堵塞且可以實現(xiàn)砂輪在線修整的鏡面磨削的三維超聲振動ELID內(nèi)圓磨削實驗裝置。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用如下技術(shù)方案:一種三維超聲振動ELID內(nèi)圓磨削實驗裝置，包括機(jī)架8，機(jī)架8上設(shè)有工作臺9，工作臺9上設(shè)有三維超聲振動刀具系統(tǒng)和ELID在線修整裝系統(tǒng)10，三維超聲振動刀具系統(tǒng)正上方設(shè)有機(jī)床主軸系統(tǒng)。
[0006]所述三維超聲振動刀具系統(tǒng)包括多通道超聲波發(fā)生器7、圓形夾具12、X向超聲振動機(jī)構(gòu)5、Y向超聲振動機(jī)構(gòu)6和Z向超聲振動機(jī)構(gòu)40，圓形夾具12、X向超聲振動機(jī)構(gòu)5和Y向超聲振動機(jī)構(gòu)6設(shè)在工作臺9上，Z向超聲振動機(jī)構(gòu)40設(shè)在工作臺9下方，圓形夾具12頂部用于夾緊工件3的卡盤4 ；
[0007]X向超聲振動機(jī)構(gòu)5包括同軸向設(shè)置的X向超聲振動換能器14和X向振動變幅桿15，X向振動變幅桿15通過X向變幅桿保持架16固定到工作臺9上；
[0008]Y向超聲振動機(jī)構(gòu)6包括安裝箱35和采用緊固螺栓32設(shè)在安裝箱35頂部的Y向變幅桿保持架31，Y向變幅桿保持架31上垂直設(shè)有Y向振動變幅桿33，Y向振動變幅桿33下端設(shè)有位于安裝箱35內(nèi)的Y向超聲振動換能器34 ；
[0009]Z向超聲振動機(jī)構(gòu)40包括同軸向設(shè)置的Z向超聲振動換能器18和Z向振動變幅桿19，Z向振動變幅桿19通過Z向變幅桿保持架17固定到工作臺9上；
[0010]X向振動變幅桿15、Y向振動變幅桿33和Z向振動變幅桿19的動力輸出端分別通過雙頭螺柱13與圓形夾具12連接；
[0011]多通道超聲波發(fā)生器7分別通過電纜與X向超聲振動換能器14、Y向超聲振動換能器34和Z向超聲振動換能器18連接。
[0012]所述X向振動變幅桿15、Y向振動變幅桿33和Z向振動變幅桿19中的任意兩個為縱彎復(fù)合振動變幅桿36，X向超聲振動換能器14、Y向超聲振動換能器34和Z向超聲振動換能器18中的任意兩個為縱向超聲振動換能器37，每個縱彎復(fù)合振動變幅桿36對應(yīng)與一個縱向超聲振動換能器37連接。
[0013]機(jī)床主軸系統(tǒng)包括垂直設(shè)置的機(jī)床主軸I和設(shè)在機(jī)床主軸I下端的砂輪2，機(jī)床主軸I的中心線與卡盤4的中心線重合。
[0014]所述的ELID在線修整裝系統(tǒng)包括ELID電源11、磁力吸盤25、固定套筒27和支撐軸28，磁力吸盤25吸附在工作臺9上，固定套筒27下端與磁力吸盤25頂部連接，磁力吸盤25側(cè)部設(shè)有用于移動磁力吸盤25的手柄26，支撐軸28插設(shè)在固定套筒27內(nèi)并通過徑向設(shè)置的銷釘24連接，支撐軸28上設(shè)有陰極支撐架29和陽極固定板20，陰極支撐架29通過螺紋與支撐軸28配合，陰極支撐架29端部通過橡膠隔離套22設(shè)置有半銅環(huán)電極23，半銅環(huán)電極23與ELID電源11的陰極連接；陽極固定板20通過兩個設(shè)置有內(nèi)螺紋的絕緣夾板30固定在支撐軸28上，陽極固定板20的端部設(shè)置有與ELID電源11的陽極連接的陽極碳刷21，在進(jìn)行砂輪2在線修整時，陽極碳刷21與機(jī)床主軸I上的導(dǎo)電零件壓接，半銅環(huán)電極23的軸心線與砂輪2的軸心線平行。
[0015]采用上述技術(shù)方案，多通道超聲波發(fā)生器同時向X向超聲振動換能器、Y向超聲振動換能器和Z向超聲振動換能器發(fā)出具有一定相位差的同頻超聲激勵信號。
[0016]X向振動變幅桿、Y向振動變幅桿和Z向振動變幅桿在各自變幅桿的節(jié)點處與保持架連接。
[0017]X向振動變幅桿、Y向振動變幅桿和Z向振動變幅桿分別發(fā)出徑向、軸向和切向振動，促使工件做三維超聲振動。三維超聲振動軌跡為空間橢圓。
[0018]本實用新型的機(jī)床主軸下端與砂輪相連接，并帶動砂輪做上下、左右進(jìn)給運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。ELID在線修整裝系統(tǒng)設(shè)在工作臺左側(cè)，當(dāng)砂輪需要進(jìn)行ELID在線修整時，可通過上下移動手柄，使ELID在線修整裝系統(tǒng)移動至機(jī)床主軸處，進(jìn)行砂輪的ELID在線修整。三維超聲振動刀具系統(tǒng)設(shè)在工作臺上，三維超聲振動刀具系統(tǒng)通過雙頭螺柱與圓形夾具相連接，另一端通過X向變幅桿保持架、Z向變幅桿保持架和Y向變幅桿保持架與工作臺固定連接，以實現(xiàn)工件的三維超聲振動磨削。
[0019]當(dāng)機(jī)床主軸帶動砂輪對工件做內(nèi)圓磨削時，X向超聲振動換能器、Y向超聲振動換能器和Z向超聲振動換能器分別與X向振動變幅桿、Y向振動變幅桿和Z向振動變幅桿將多通道超聲波發(fā)生器傳輸?shù)挠幸欢ㄏ辔徊畹耐l三激勵超聲信號分別轉(zhuǎn)換為三個同頻頻機(jī)械振蕩。由于X向振動變幅桿、Y向振動變幅桿和Z向振動變幅桿分別分布在砂輪的徑向、軸向和切向，當(dāng)三個同頻機(jī)械振蕩通過X向振動變幅桿、Y向振動變幅桿和Z向振動變幅桿施加到圓形夾具上時，圓形夾具帶動工件做三個不同方向的機(jī)械振動，最終疊加為三維超聲振動。圓形夾具通過卡盤夾緊工件。X向振動變幅桿、Y向振動變幅桿和Z向振動變幅桿中的任意兩個可以用一個縱彎復(fù)合振動變幅桿代替?？v彎復(fù)合振動變幅桿開有斜槽，其端部設(shè)有縱向超聲振動換能器，使其能夠在單激勵下形成縱彎復(fù)合振動，從而實現(xiàn)二維超聲橢圓振動。同時另外一個X向振動變幅桿(Y向振動變幅桿或Z向振動變幅桿)在一定相位差的同頻超聲激勵信號激勵下產(chǎn)生縱向振動。這樣最終促使工件做三維超聲振動。
[0020]用銷釘連接固定套筒和支撐軸，操作者可通過銷釘調(diào)節(jié)支撐軸的高度。固定套筒27底部設(shè)有磁力吸盤，并設(shè)有手柄，通過手柄的上下移動可實現(xiàn)磁力吸盤與工作臺的相對移動與固定。支撐軸上設(shè)有陰極支撐架和陽極固定板。支撐軸設(shè)置有外螺紋，陰極支撐架通過螺紋與支撐軸配合，陰極支撐架端部設(shè)置有陰極電解裝置，使用者可通過轉(zhuǎn)動陰極支撐架來調(diào)節(jié)半銅環(huán)電極和橡膠隔離套的高度，橡膠隔離套可起到絕緣作用。陽極固定板通過兩個設(shè)置有內(nèi)螺紋的絕緣夾板固定在支撐軸上。陽極固定板和兩個絕緣夾板采用塑料材質(zhì)做成，可以保證陽極的絕緣性能。陽極固定板的一端設(shè)置有與ELID電源陽極連接的陽極碳刷，在進(jìn)行ELID砂輪在線修整時陽極碳刷可與機(jī)床主軸上的導(dǎo)電零件壓接，保證砂輪帶有正電，半銅環(huán)電極的軸心線與砂輪的軸心線平行。
[0021]在進(jìn)行砂輪的ELID在線修整時，ELID電源陽極通過陽極碳刷與機(jī)床主軸上的導(dǎo)電零件壓接，ELID電源陰極與半銅環(huán)電極連接。當(dāng)磨削液進(jìn)入半銅環(huán)電極與砂輪表面之間的間隙后，在電流的作用下，砂輪的金屬基體作為陽極被電解，使砂輪中的磨粒露出表面，形成一定的磨粒高度和容肩空間。同時，在砂輪表面逐漸形成一層鈍化膜，阻止電解過程的繼續(xù)進(jìn)行，使砂輪不會過快損耗。當(dāng)砂輪表面的磨粒磨損后，鈍化膜將會被工件材料刮擦去除，電解繼續(xù)進(jìn)行，可對砂輪表面進(jìn)一步修整。
[0022]綜上所述，本實用新型通過在機(jī)床工作臺左側(cè)的ELID在線修整裝系統(tǒng)和主軸下方的三維超聲振動刀具系統(tǒng)，從而在實現(xiàn)三維超聲振動磨削的同時，可根據(jù)需求進(jìn)行砂輪ELID在線修整，形成一種多工藝復(fù)合的高效鏡面加工技術(shù)，解決了硬脆材料的難加工特性，推進(jìn)了其在國防、航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0023]圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為三維超聲振動刀具系統(tǒng)的俯視圖；
[0025]圖3為Y向超聲振動機(jī)構(gòu)的剖視圖；
[0026]圖4為ELID在線修整裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖5為縱彎復(fù)合振動變幅桿和縱向超聲振動換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0028]如圖1-圖5所示，本實用新型的一種三維超聲振動ELID內(nèi)圓磨削實驗裝置，包括機(jī)架8，機(jī)架8上設(shè)有工作臺9，工作臺9上設(shè)有三維超聲振動刀具系統(tǒng)和ELID在線修整裝系統(tǒng)10，三維超聲振動刀具系統(tǒng)正上方設(shè)有機(jī)床主軸系統(tǒng)。
[0029]三維超聲振動刀具系統(tǒng)包括多通道超聲波發(fā)生器7、圓形夾具12、X向超聲振動機(jī)構(gòu)5、Y向超聲振動機(jī)構(gòu)6和Z向超聲振動機(jī)構(gòu)40，圓形夾具12、X向超聲振動機(jī)構(gòu)5和Y向超聲振動機(jī)構(gòu)6設(shè)在工作臺9上，Z向超聲振動機(jī)構(gòu)40設(shè)在工作臺9下方，圓形夾具12頂部用于夾緊工件3的卡盤4 ；
[0030]X向超聲振動機(jī)構(gòu)5包括同軸向設(shè)置的X向超聲振動換能器14和X向振動變幅桿15，X向振動變幅桿15通過X向變幅桿保持架16固定到工作臺9上；
[0031]Y向超聲振動機(jī)構(gòu)6包括安裝箱35和采用緊固螺栓32設(shè)在安裝箱35頂部的Y向變幅桿保持架31，Y向變幅桿保持架31上垂直設(shè)有Y向振動變幅桿33，Y向振動變幅桿33下端設(shè)有位于安裝箱35內(nèi)的Y向超聲振動換能器34 ；
[0032]Z向超聲振動機(jī)構(gòu)4