一種超聲微磨削加工設備及工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超聲微磨削加工設備及工藝，包括隔振工作臺，隔振工作臺上固定有左右對稱設置的立柱，立柱之間通過橫梁連接，橫梁上設置有帶動磨削裝置高速旋轉(zhuǎn)的主軸組件，主軸組件的下方設置有超聲振動平臺，超聲振動平臺為由壓電疊層作動器驅(qū)動，以極坐標系為工作坐標系的二維超聲振動平臺。本發(fā)明提供的單驅(qū)動極坐標二維超聲微磨削加工設備，在加工過程中選用壓電疊層作動器替代現(xiàn)有常用的超聲變幅桿作為驅(qū)動源，振幅和頻率都可調(diào)的同時，大大簡化了超聲振動平臺的結(jié)構(gòu)；同時提供干、濕磨削，圓周磨削，端面磨削等多種磨削方式，加工效果更好；使用超聲微磨削加工設備進行工件加工，加工過程更加簡單多樣，加工出的工件精確度更高。
【專利說明】—種超聲微磨削加工設備及工藝
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及特種加工【技術(shù)領域】，更具體的涉及一種超聲磨削加工設備及工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]特種加工是指不屬于傳統(tǒng)加工工藝范疇的加工方法，他不同于使用道具、磨具等直接利用機械能切除多余材料的傳統(tǒng)加工方法，泛指使用電能、熱能、光能、化學能、電化學能、聲能及特殊機械能等能量達到去除或增加材料的加工方法，從而實現(xiàn)材料被去除、變形、改變性能或被鍍覆等。特種加工是近幾十年來發(fā)展起來的新工藝，是對傳統(tǒng)加工工藝方法的重要補充與發(fā)展，目前仍在繼續(xù)研究與發(fā)展中。
[0003]隨著科技與生產(chǎn)的發(fā)展，脆硬材料(如釹鐵硼永磁材料、工程陶瓷、光學玻璃等)在航空航天、國防工業(yè)、現(xiàn)代醫(yī)學及生物工程技術(shù)等領域中的應用日趨廣泛。由于脆硬材料的脆性較大，加工時在磨粒作用下易發(fā)生斷裂，因此其加工機理比金屬材料加工更為復雜。近幾十年來，眾多學者對脆性材料去除機理進行了研究結(jié)果表明，超聲振動塑性磨削與普通塑性磨削材料去除機理不同，超聲振動塑性磨削除了使材料剪切破壞外，還使材料在高頻振動下發(fā)生疲勞破壞，加速材料的去除，故比普通磨削效率更高。
[0004]實現(xiàn)超聲振動塑性磨削的條件不僅與磨削深度有關(guān)，還與振幅和頻率有關(guān)，超聲磨削加工能夠綜合超聲波加工和高速磨削加工的特點，有效改善工件的表面質(zhì)量。超聲磨削加工是近幾十年來逐步發(fā)展和應用的一種新型加工方法，不僅能加工硬質(zhì)合金、淬火鋼等硬脆金屬材料，而且更適合于半導體和不導電的非金屬硬脆性材料的加工和成型加工。在脆硬材料的加工中，超聲磨削加工具有普通加工方法無法比擬的工藝效果。
[0005]微細切削加工技術(shù)是傳統(tǒng)加工工藝向微觀尺度的延伸，該技術(shù)能夠加工出形狀非常復雜的微小零件，具有能耗小、加工精度高、材料的加工范圍廣、投資小等優(yōu)點，包括微銑肖IJ、微磨削等多種加工方法。微銑削能夠加工出具有復雜結(jié)構(gòu)的三維微零件，適用于加工延展性能較好的金屬材料，對脆硬材料的加工性能有限，且微細零件常存在表面缺陷、毛刺等缺陷。近年來，微磨削加工成為復雜微結(jié)構(gòu)零件的一種加工方式；研究表明與其他微機械加工工藝相比，微磨削加工零件的加工精度高，且可加工脆硬材料，在加工微傳感器、微執(zhí)行器等一些微細零件中，具有明顯的優(yōu)勢。
[0006]盡管國內(nèi)外學者已分別在超聲振動和微磨削及其相近領域取得一些研究成果，但由于超聲振動輔助切削加工與微磨削加工技術(shù)都較為復雜，仍存在一些關(guān)鍵問題尚未解決:
[0007]1、微磨削熱影響較大
[0008]與其他微加工方式相比，微磨削加工過程中產(chǎn)生的熱量較大，磨削熱不但易加劇砂輪氧化磨損，而且對表面質(zhì)量有一定的影響；
[0009]2、微砂輪易磨損且難以修整
[0010]由于微磨削中使用的砂輪直徑非常小，導致微砂輪極易磨損，并且微砂輪難以修整，使得微砂輪使用壽命降低，嚴重影響了微磨削加工效率，制約著微細磨削技術(shù)的進一步發(fā)展；
[0011]3、超聲振動磨削機理和尺度零件加工設備研究不夠完善
[0012]超聲振動輔助加工已經(jīng)在車削、鉆削、銼削等方面得到廣泛的應用，但由于磨削過程較為復雜，所以國內(nèi)外對超聲振動輔助磨削的研究(尤其是加工機理的研究)還不夠深入，對超聲振動輔助磨削加工平臺設計的研究工作還很少，特別是簡單、實用的二維超聲振動平臺設計，更為鮮見。
[0013]這些問題不僅嚴重制約著微細磨削加工技術(shù)的進步，而且也在很大程度上影響著我國的航空航天、國防工業(yè)、現(xiàn)代醫(yī)學及生物工程技術(shù)等領域的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的一個目的在于提出一種由壓電疊層作動器作為單一驅(qū)動源，在二位平面上以極坐標作為磨削標準坐標系進行磨削加工的單驅(qū)動極坐標二維超聲微磨削加工設備。
[0015]本發(fā)明的另一個目的在于提出一種具有干磨削、濕磨削、圓周磨削、端面磨削等多種磨削方式的超聲微磨削加工設備。
[0016]本發(fā)明的再一個目的在于提出一種使用單驅(qū)動極坐標二維超聲微磨削加工設備進行磨削加工的工藝過程。
[0017]為達此目的本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0018]一種超聲微磨削加工設備，包括隔振工作臺，所述隔振工作臺上固定有左右對稱設置的立柱，所述立柱之間通過橫梁連接，所述橫梁上設置有帶動磨削裝置高速旋轉(zhuǎn)的主軸組件，所述主軸組件的下方設置有超聲振動平臺，所述超聲振動平臺為由壓電疊層作動器驅(qū)動，以極坐標系為工作坐標系的二維超聲振動平臺。
[0019]進一步的，所述隔振工作臺上還設置有吸振臺，所述吸振臺設置于所述橫梁的下方，位于所述立柱之間；所述吸振臺的上表面設置有三向微進給系統(tǒng)，所述三向微進給系統(tǒng)通過承載板連接有檢測裝置；所述檢測裝置的上表面設置有超聲振動平臺。
[0020]進一步的，所述超聲振動平臺包括與所述檢測裝置相連接的振動平臺基體，所述振動平臺基體的內(nèi)部設置有振動板，所述振動板的下表面設置有對所述振動板進行導向的直線滾動單元，所述振動板的上表面固定有用于固定工件的夾具；所述振動板的一個側(cè)面上連接有壓電疊層作動器，相對的所述振動板的另一個側(cè)面上通過彈簧片連接有微調(diào)裝置。
[0021]優(yōu)選的，沿所述振動板的邊沿設置有可拆卸的水槽，便于對所述工件進行濕磨削或干磨削加工。
[0022]進一步的，所述振動板上設置有安裝孔點陣，將固定有工件的所述夾具安裝于預設定的所述安裝孔點陣上以使得工件定位方向與所述壓電疊層作動器發(fā)出的超聲振動方向成預定角度。
[0023]進一步的，所述橫梁的上表面和側(cè)面均設置有用于安裝所述主軸組件的固定孔，所述主軸組件上設置有所述磨削裝置，所述磨削裝置對所述工件進行端面磨削或周向磨削。
[0024]進一步的，所述主軸組件上設置有微型砂磨輪，所述微型砂磨輪的直徑為lmm-5mm ；[0025]所述微型砂磨輪在所述主軸組件的帶動下進行高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速在5000r/min—50000r/min。
[0026]優(yōu)選的，所述壓電疊層作動器的工作頻率為16 — 23KHz，工作振幅為O — 15μπι。
[0027]一種超聲微磨削加工工藝，使用上述的超聲微磨削加工設備對工件進行加工，包括以下步驟:
[0028]A確定所述夾具在所述振動板上的安裝位置；確定對工件進行加工選用的超聲振動形式、確定是否安裝所述水槽、確定選用進行加工的砂輪尺寸；
[0029]B將工件安裝在所述夾具上，并將所述夾具固定于所述振動板上，使用水平儀對所述夾具進行調(diào)平，選用濕磨削加工時，將所述水槽安裝于所述振動板上；
[0030]C根據(jù)工件要進行加工的端面，確定將所述主軸組件安裝于所述橫梁的側(cè)面或是上表面，對工件進行端面磨削或是圓周磨削；
[0031]D開啟所述主軸組件、壓電疊層作動器和三向微進給系統(tǒng)對工件進行超聲微磨削加工，所述微調(diào)裝置對振動板作行程微量補償，所述直線滾動單元對所述振動板進行導向；
[0032]E觀察加工過程中的現(xiàn)象，并記錄數(shù)據(jù)結(jié)果。
[0033]本發(fā)明的有益效果為:
[0034](I)本發(fā)明提供的單驅(qū)動極坐標二維超聲微磨削加工設備，在加工過程中選用壓電疊層作動器替代現(xiàn)有常用的超聲變幅桿作為驅(qū)動源，在振幅和頻率都可調(diào)的同時，大大簡化了超聲振動平臺的結(jié)構(gòu)；
[0035](2)本發(fā)明通過設置水槽和橫梁，使得本發(fā)明能夠同時提供干磨削、濕磨削、圓周磨削、端面磨削等多種磨削方式，設備的使用功能更多，加工效果更好；
[0036](3)本發(fā)明提供了一種使用超聲微磨削加工設備進行工件加工的工藝方法，對工件的加工過程更加簡單，加工方式更加多樣，加工出的工件精確度更高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1是本發(fā)明提供的超聲微磨削加工設備立體結(jié)構(gòu)圖；
[0038]圖2是本發(fā)明提供的超聲微磨削加工設備主視圖；
[0039]圖3是本發(fā)明提供的超聲微磨削加工設備側(cè)視圖；
[0040]圖4是本發(fā)明提供的超聲振動平臺立體結(jié)構(gòu)圖；
[0041]圖5是本發(fā)明提供的超聲振動平臺側(cè)視圖；
[0042]圖6是本發(fā)明提供的超聲振動平臺俯視圖；
[0043]圖7是本發(fā)明提供的振動板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖8是本發(fā)明安裝孔點陣確定原理圖。
[0045]圖中:
[0046]1、隔振工作臺；11、螺紋孔；2、立柱；3、橫梁；4、主軸組件；5、吸振臺；6、三向微進給系統(tǒng)；61、X向微進給導軌；62、Y向微進給導軌；63、Z向微進給導軌；7、超聲振動平臺；70、振動板；71、承載板；72、檢測裝置；73、振動平臺基體；74、直線滾動單元；75、壓電疊層作動器；76、水槽；77、夾具；78、彈簧片；79、微調(diào)裝置；8、工件?！揪唧w實施方式】
[0047]下面結(jié)合附圖并通過【具體實施方式】來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0048]實施例一:
[0049]如圖1至圖3所示，是本發(fā)明提供的一種超聲微磨削加工設備，包括隔振工作臺1，所述隔振工作臺I上設置有均布有25x25的螺紋孔11，優(yōu)選的，所述螺紋孔11為M5螺紋孔，所述螺紋孔11用于安裝超聲微磨削加工設備中的其他部件。所述隔振工作臺I上固定有左右對稱設置的立柱2，所述立柱2之間通過橫梁3連接，所述立柱2為T型導槽立柱，與所述橫梁3構(gòu)成龍門式機架。所述橫梁3上設置有帶動磨削裝置高速旋轉(zhuǎn)的主軸組件4，所述主軸組件4的下方設置有超聲振動平臺7，所述超聲振動平臺7為由壓電疊層作動器75驅(qū)動，以極坐標系為工作坐標系的二維超聲振動平臺。
[0050]其中，所述磨削裝置為微型砂磨輪，所述微型砂磨輪的直徑為1_-5_ ;所述微型砂磨輪在所述主軸組件4的帶動下進行高速旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速在5000r/min—50000r/min。
[0051]所述隔振工作臺I上還設置有吸振臺5，所述吸振臺5為大理石吸振臺。所述吸振臺5設置于所述橫梁3的下方，位于所述立柱2之間；所述吸振臺5的上方設置有三向微進給系統(tǒng)6，所述三向微進給系統(tǒng)6通過承載板71連接有檢測裝置72，所述檢測裝置72為測力計，所述檢測裝置72的上方設置有超聲振動平臺7。所述橫梁3的上表面和側(cè)面均設置有用于安裝所述主軸組件4的固定孔，以對所述工件8進行端面磨削或周向磨削，本實施例中的所述主軸組件4固定于所述橫梁3的側(cè)面對所述工件8進行端面磨削。
[0052]所述三向微進給系統(tǒng)6包括X向微進給導軌61、Y向微進給導軌62、Ζ向微進給導軌63，所述X向微進給導軌61與所述吸振臺5接觸連接，所述X向微進給導軌61上方依次設置有Y向進給導軌62和Z向微進給導軌63。所述三向微進給系統(tǒng)6通過在Χ、Υ、Ζ方向的移動，帶動所述超聲振動平臺7運動，進而對固定于所述超聲振動平臺7內(nèi)的工件8進行磨削加工。
[0053]如圖4至圖7所示，所述超聲振動平臺7包括與所述檢測裝置72相連接的振動平臺基體73，所述振動平臺基體73的內(nèi)部設置有振動板70，所述振動板70通過沉頭螺釘固定于所述直線滾動單元74所述直線滾動單元74優(yōu)選為THK直線滾動單元，所述直線滾動單元74用于對振動板70進行固定和支承，同時對所述振動板70進行導向，所述THK直線滾動單元使用配套的說明書進行安裝，并配合使用相應的潤滑裝置和防護裝置，保證所述THK直線滾動單元保持良好的工作狀態(tài)。所述振動板70的上方固定有用于固定工件8的夾具77 ;所述振動板70的左側(cè)面上連接有壓電疊層作動器75，所述壓電疊層作動器75的工作頻率為16 — 23ΚΗζ，工作振幅為O —15 μ m。所述振動板70的右側(cè)連接有發(fā)出振動的壓電疊層作動器75，壓電疊層作動器能夠?qū)Πl(fā)出的超聲信號進行頻率和振幅的調(diào)節(jié)，所述壓電疊層作動器75通過螺釘與所述振動板70相連接。所述振動板70的上表面上設置有用于安裝夾具77的安裝孔點陣，將固定有工件的所述夾具77安裝于預設定的所述安裝孔點陣上以使得工件定位方向與所述壓電疊層作動器75發(fā)出的超聲振動方向成預設定角度。
[0054]所述振動板70的左側(cè)設置有微調(diào)裝置79，所述微調(diào)裝置79優(yōu)選為螺釘微調(diào)系統(tǒng)；所述振動板70通過彈簧片78以高副的形式連接有所述微調(diào)裝置79，所述彈簧片78優(yōu)選為弓形彈簧片。所述彈簧片78通過滑條與所述螺釘微調(diào)系統(tǒng)中的微調(diào)螺釘相連接，通過調(diào)節(jié)所述微調(diào)螺釘實現(xiàn)對所述振動板70的位置進行調(diào)節(jié)。[0055]沿所述振動板70的邊沿設置有可拆卸的水槽76，便于對所述工件8進行濕磨削或干磨削加工，本實施例中設置有所述水槽76，用于對所述工件8進行濕磨削加工。
[0056]如圖7所示，本發(fā)明提供的振動板70，所述振動板70的上表面上設置有安裝孔點陣，所述安裝孔點陣包含有8個安裝孔A、B、C、D、E、F、G、H，還包含有4個用于與所述直線滾動單元74相連接固定的沉頭孔。WA-HS個安裝孔中選出4個欲設定的安裝孔，將夾具77安裝固定于選定的4個安裝孔上，能夠?qū)崿F(xiàn)夾具和工件能夠以15°等間隔沿安裝孔點陣的幾何中心旋轉(zhuǎn)安裝。
[0057]圖8是本發(fā)明中安裝孔點陣確定的原理，在直角坐標系中，建立一個單位圓0，再以該圓與X軸正向交點A為圓心，AB長為半徑，分別繪制出以B、C、D為圓心的各圓，與圓A構(gòu)成一組等半徑的圓，標記出在圓O內(nèi)，各個圓的交點E、F、G和H。點A-H這八個點即為所要加工的安裝孔，由此A-H這8個孔組成的圖形為安裝孔點陣，便可以實現(xiàn)圓周范圍內(nèi)的15度等分操作。例如，超聲振動向沿X軸方向進行，則只需在A-H這八點組成的安裝孔點陣中找到合適的兩點連線，將夾具77沿該連線定位于振動板70上，即可實現(xiàn)工件與超聲振動方向的圓周范圍內(nèi)的15度分度等分操作(圖中直線CA、CE、CF、CB、BF、BG、BD、BH、BE、AB、AE、AF、AC就可實現(xiàn)與X軸的180度范圍內(nèi)的15度分度，依據(jù)圖形對稱性可以實現(xiàn)圓周范圍內(nèi)的等分操作)。
[0058]表I安裝孔點陣安裝布置表
[0059]
【權(quán)利要求】
1.一種超聲微磨削加工設備，包括隔振工作臺(1)，所述隔振工作臺(I)上固定有左右對稱設置的立柱(2)，所述立柱(2)之間通過橫梁(3)連接，所述橫梁(3)上設置有帶動磨削裝置高速旋轉(zhuǎn)的主軸組件(4)，其特征在于:所述主軸組件(4)的下方設置有超聲振動平臺(7)，所述超聲振動平臺(7)為由壓電疊層作動器(75)驅(qū)動，以極坐標系為工作坐標系的二維超聲振動平臺。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲微磨削加工設備，其特征在于:所述隔振工作臺(I)上還設置有吸振臺(5)，所述吸振臺(5)設置于所述橫梁(3)的下方，位于所述立柱(2)之間； 所述吸振臺(5)的上表面設置有三向微進給系統(tǒng)(6)，所述三向微進給系統(tǒng)(6)通過承載板(71)連接有檢測裝置(72)； 所述檢測裝置(72)的上表面設置有超聲振動平臺(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲微磨削加工設備，其特征在于:所述超聲振動平臺(7)包括與所述檢測裝置(72)相連接的振動平臺基體(73)，所述振動平臺基體(73)的內(nèi)部設置有振動板(70)，所述振動板(70)的下表面設置有對所述振動板(70)進行導向的直線滾動單元(74)，所述振動板(70)的上表面設置有用于固定工件(8)的夾具(77)； 所述振動板(70)的一個側(cè)面上連接有壓電疊層作動器(75)，相對的所述振動板(70)的另一個側(cè)面上通過彈簧片(78 )連接有微調(diào)裝置(79 )。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種超聲微磨削加工設備，其特征在于:沿所述振動板(70)的邊沿設置有可拆卸的水槽(76)，便于對所述工件(8)進行濕磨削或干磨削加工。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所`述的一種超聲微磨削加工設備，其特征在于:所述振動板(70)上設置有安裝孔點陣，將固定有工件的所述夾具(77)安裝于預設定的所述安裝孔點陣上以使得工件定位方向與所述壓電疊層作動器(75)發(fā)出的超聲振動方向成預定角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲微磨削加工設備，其特征在于:所述橫梁(3)的上表面和側(cè)面均設置有用于安裝所述主軸組件(4)的固定孔，所述主軸組件(4)上設置有所述磨削裝置，所述磨削裝置對所述工件(8)進行端面磨削或周向磨削。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種超聲微磨削加工設備，其特征在于:所述磨削裝置為微型砂磨輪，所述微型砂磨輪的直徑為； 所述微型砂磨輪在所述主軸組件(4)的帶動下進行高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速在5000r/min—50000r/min。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種超聲微磨削加工設備，其特征在于:所述壓電疊層作動器(75)的工作頻率為16 — 23KHz，工作振幅為O —15 μ m。
9.一種超聲微磨削加工工藝,使用如權(quán)利要求1-8任一項所述的超聲微磨削加工設備對工件進行加工，其特征在于，包括以下步驟: A確定所述夾具(77)在所述振動板(70)上的安裝位置；確定對工件進行加工選用的超聲振動形式、確定是否安裝所述水槽(76)、確定選用進行加工的微型砂磨輪的尺寸； B將工件(8)安裝在所述夾具(77)上，并將所述夾具(77)固定于所述振動板(70)上，使用水平儀對所述夾具(77)進行調(diào)平，選用濕磨削加工時，將所述水槽(76)安裝于所述振動板(70)上； C根據(jù)工件(8)要進行加工的端面，確定將所述主軸組件(4)安裝于所述橫梁(3)的側(cè)面或是上表面，對工件進行端面磨削或是圓周磨削；D開啟所述主軸組件(4)、壓電疊層作動器(75)和三向微進給系統(tǒng)(6)對工件(8)進行超聲微磨削加工，所述微調(diào)裝置(79)對振動板(70)作行程微量補償，所述直線滾動單元(74)對所述振動板(70)進行導向； E觀察加工過程中的現(xiàn)象，并記錄數(shù)據(jù)結(jié)果。
【文檔編號】B24B41/00GK103769959SQ201410040008
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月27日
【發(fā)明者】李輝, 張建華, 張小俊, 曹志民, 魏智 申請人:河北工業(yè)大學