专利名称：一种引导型自动进给超声振动镗削方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种振动镗削方法及装置，特别是涉及用于制孔的一种引导型自动进 给超声振动镗削方法及装置，属于金属切削加工和金属切削设备部件技术领域。背景技术：
在现有技术条件下，孔加工尤其是操作空间小的大孔加工，常规加工存在加工动 力不足、工艺系统刚性差等问题，切削效果不理想。由于底孔余量不均，常规镗削过程切削 力大，刀杆、床身、工件构成的工艺系统变形大，“误差复映”严重，很难实现精密纠偏。超声 振动镗削具有极强的精密切削能力，实际切深非常接近理论切深，显著提高镗孔表面质量， 达到磨削效果；超声镗削切削力为脉冲型，幅值小于普通切削力，实际机械相应的平均力更 小于普通切削力，特别是吃刀抗力为正负脉冲的抵消，使平均抗力仅为普通切削的百分之 一量级；超声镗削加工显著消除“误差复映”现象，提高镗孔的直线度，达到纠偏效果。现有的超声振动镗削采用镗杆一端固定，另一端悬空的悬伸镗削法，由于镗杆随 主轴送进而不断悬伸，刀杆系统因自重变化产生的挠度也不同，在加工较长内孔时，孔的轴 线易产生弯曲。由于主轴不断伸出，整个刀杆系统刚性不断变差，镗削时在切削力作用下， 系统弹性变形逐渐增大，影响孔的镗削精度，使被加工孔产生圆柱度误差。采用引导型超声 振动镗孔，可以显著提高工艺系统刚性，镗孔后表面质量达到磨削效果，尺寸精度、同轴度 及直线度得到显著提高。超声振动换能器是超声振动加工系统中最重要的组成部分，其设计效果直接影响 加工的质量。一般情况下，换能器自身有三种振动形式纵向振动、弯曲振动和扭转振动，当 两种振动形式以一定的相位差复合后能得到椭圆振动。双弯椭圆换能器可以通过两个激励 源分别提供的双弯曲振动复合来得到椭圆振动，而且还能通过调整两个激励源的激励电压 大小和相位差来得到多种不同形式的椭圆振动，这对于研究不同的振动形式对加工质量的 影响无疑是十分有用的。
发明内容
1目的本发明的目的是提供一种引导型自动进给超声振动镗削方法及装置，采 用该方法设计的装置满足了超声振动镗削的条件，实现超声振动加工的微细切削能力，降 低了镗削力，针对余量不均的底孔加工，显著消除“误差复映”现象，提高镗孔的直线度，达 到纠偏效果。增加了超声振动制孔技术的应用范围。2、技术方案(1)请参见图1所示，本发明一种引导型自动进给超声振动镗削装置，它由工装组 件2、超声振动刀杆组件1组成。它们之间的位置连接关系是超声振动刀杆组件1安装在 工装组件2的工装底座21上。所述工装组件2，见图1、图2、图6，由工装底座21，前、后导套对、25，压紧螺钉 26A, B, 27A、B等组成；其间关系是前、后导套M、25安装在工装底座21两侧前、后导套支撑22、23的导向孔221、231内，并用压紧螺钉^A、B，27A、B固定在前、后导套支撑22、23 上，工装底座21依靠标准件及上面设置的通孔211-214，固定在设备的工作台上。该工装底座21由底板和两侧的前、后导套支撑22、23构成；底板是矩形板料，两侧 的前、后导套支撑22、23也是矩形板料，底板与前、后导套支撑22、23相互垂直；该前导套 24、由外钢套241和铜套242两部分组成，铜套242镶嵌在外钢套241孔内；该外钢套241 由两个同心而外径不同的圆环状件构成；大圆环状件设置有通孔便于其固定，小圆环状件 插入导向孔221内；该铜套242是套筒状件；同理，该后导套25由外钢套251和铜套252两 部分组成，铜套252镶嵌在外钢套251孔内；该外钢套251也由两个同心而外径不同的圆环 状件构成；大圆环状件设置有凹槽便于其固定，小圆环状件一头插入导向孔内，另一头 加工有外螺纹，与外筒13连接；该铜套252是套筒状件；该压紧螺钉2队、B，27A、B是市购 标准件。利用压紧螺钉^5AJ6B、螺纹孔222、223将前导套M装配在前导套支撑22上；利 用压紧螺钉27A、27B、螺纹孔232、233将后导套25装配在后导套支撑23上。待加工件利用 螺纹孔215、216、217、218被安装在前导套支撑22和后导套支撑23之间。工装组件2的前 导套支撑22和后导套支撑23上加工出导向孔221和导向孔231，导向孔221和导向孔231 要求保证一定的同轴度和表面质量来满足镗削加工孔径精度的需要。镗削时，外钢套241 和外钢套251通过热处理增加硬度，减小与前导套支撑22和后导套支撑23的磨损。铜套 242和铜套252通过一定的过盈量分别镶嵌在外钢套241和外钢套251里面，然后通过磨 削将内孔245与导向面M4、内孔255与导向面2M —次加工完成，保证内孔245与导向面 M4、内孔255与导向面254的同轴度。导向面244与贴合面M3、导向面2M与贴合面253 要满足一定的垂直度，从而保证镗削加工时镗杆11的同轴度。镗削加工时，镗杆11导向部分IlB在铜套242和铜套252里面滑动，利用工装组 件2导向孔221和导向孔231的同轴度和镗杆11的圆柱度等制造精度，保证镗削加工制孔 的孔径精度要求。整个超声振动刀杆组件1通过联轴器和过渡套与自动进给钻连接，由自 动进给钻主轴提供超声振动镗杆11的旋转运动和进给运动，完成镗削加工。所述超声振动刀杆组件1，见图1、图2和图3所示，由镗杆11、航空插头12、外筒 13、保持架14、换能器15、导电环16、滑环17等部分组成。它们之间的位置连接关系是航 空插头12安装在外筒13上，滑环17用螺钉17D、17E和17F固定在导电环16外圆周上并 与换能器15 —起通过螺纹被固定在镗杆11尾部；保持架14套在该镗杆部件外围后，再通 过螺钉将该整个件放进外筒13内固定。该镗杆11是阶梯圆柱形零件，它采用钛合金或者铝合金等轻金属材料制成，容易 实现超声振动谐振；如图3所示。该航空插头12是按加工要求选定的市购产品；该外筒13是尾部带有台阶的圆柱状筒形零件；如图5所示。该保持架14是两头带有台阶，中部开有三道滑槽的圆柱状筒形零件，镗杆11的导 向部分114装配在保持架14的通孔146中；如图4所示。该换能器15是由变幅杆151、压电陶瓷组件152和后盖板153组成，其间关系是压 电陶瓷组件152安装在变幅杆151和后盖板153之间，利用后盖板153的螺纹和镗杆11上 面螺纹将压电陶瓷组件152压紧。该变幅杆151是阶梯圆柱形，用钛合金或者铝合金等轻 质材料构成。它的功能是增大超声振动的振幅；该压电陶瓷组件152是四组中间有通孔的圆环状结构陶瓷片，根据陶瓷片的粘结方式不同，换能器15可以产生单向超声振动、椭圆 超声振动和扭转超声振动等几种不同形式的振动；该后盖板153是中间带有螺纹的圆环状 结构，一般用45#钢的金属材料制成。如图3所示。该导电环16是中间开孔的圆柱形件，其圆周设置螺孔以固定滑环17 ；换能器15 的导线连接在导电环16的内环上面，导电环16外环导线和航空插头12连接，航空插头12 连接超声高频电源。如图3所示。该固定滑环17由滑环17A、滑环17B和滑环17C三个半环组成；滑环17装配在保 持架14和外筒13之间，通过螺钉17D、螺钉17E和螺钉17F固定在导电环16的外环上面。 镗削时，滑环17A、滑环17B和滑环17C三个半环在保持架14上面的滑槽141、滑槽142和 滑槽143里面滑动，实现导电环外环导线在外筒13里面的轴向移动。如图3所示。请参见图1、图2和图6所示，外筒13通过螺纹和后导套25连接，利用压紧螺钉 27A、B将后导套25装配在后导套支撑23上面。利用压紧螺钉2秘、B将前导套M装配在 前导套支撑22上面。工装组件2通过螺栓等方式固定在工作台上，实现整个镗削装置的固 定。工件安装在前导套支撑22和后导套支撑23之间。镗削加工时，镗杆11导向部分114 在前导套M和后导套25里面滑动，利用工装组件2上面引导孔的同轴度和镗杆11的圆柱 度等制造精度，保证镗削加工制孔的孔径精度要求。镗杆11通过联轴器和自动进给钻主轴 连接，外筒13通过过渡套与自动进给钻本体连接，由自动进给钻主轴提供超声振动镗杆11 的旋转运动和进给运动，完成镗削加工。(2)本发明一种引导型自动进给超声振动镗削方法，该方法包括以下步骤步骤一将工装底座21依靠标准件及上面设置的通孔211-214，固定在设备的工 作台上；步骤二 把前导套M安装在工装底座21的前导套支撑22的导向孔221内，并用 压紧螺钉2队、B固定在前导套支撑22上；步骤三把后导套25和外筒13进行装配；步骤四后导套25连同超声振动刀杆组件1安装在工装底座21的后导套支撑23 的导向孔231内，并用压紧螺钉27A、B固定在后导套支撑23上；步骤五超声振动刀杆组件1通过航空插头12连接超声电源，镗杆11产生超声振 动；步骤六镗杆11通过联轴器和自动进给钻主轴连接，外筒13通过过渡套与自动进 给钻本体连接，由自动进给钻主轴提供超声振动镗杆11的旋转运动和进给运动，完成镗削加工。3、优点及功效本发明一种引导型自动进给超声振动镗削方法及装置优点在于(1)镗削加工时利用工装进行双导向，保证了镗孔的加工精度和表面质量；(2)易 于与其他形式的振动结合，设计复合振动镗削装置；C3)通过在镗杆上安装不同的刀具，可 以实现粗镗和精镗两种加工工艺。(4)实现了引导型超声振动刀杆镗削时镗杆的大振幅和 大功率超声振动。
图1是本发明超声振动装置的外部结构图。
图2是图1的爆炸示图。图3是本发明超声振动刀杆组件的爆炸图。图4是保持架的侧视图。图5是外筒的侧视图。图6是工装底座示意图。图中1.超声振动刀11.镗杆12.航空插头 13.外筒杆组件14.保持架114.导向部分
125.螺钉134.螺纹孔13A.螺钉143.滑槽151.变幅杆
17C.滑环2.工装组件25.后导套钉211 通孔216螺纹孔具体实施例方式下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。(1)请参见图1、图2和图3所示，本发明一种引导型自动进给超声振动镗削装置， 该装置由超声振动刀杆组件1、工装组件2组成。超声振动刀杆组件1由镗杆11、航空插头 12、外筒13、保持架14、换能器15、导电环16、滑环17等几部分组成。镗削刀具安装在镗杆 11的刀槽111上面。刀具可以采用机夹刀片和变径刀片。当采用机夹刀片时，刀片位置固 定，镗削孔径大小确定，由于刀槽加工误差和刀片安装误差等因素影响，镗削只能进行粗镗 加工。当采用带变径块的变径刀片时，通过调节变径刀片伸出量，镗削孔径大小可在一定范 围内调节，利用高精度对刀仪进行对刀，镗削可进行精镗加工。镗杆上面根据刀槽的个数不 同，可进行单刃、双刃和多刃镗削加工。变幅杆151、压电陶瓷组件152、后盖板153组成换 能器15，通过在换能器上施加超声高频电信号，镗杆产生超声振动。利用变幅杆151增大超 声振动的振幅。压电陶瓷组件152安装在变幅杆151和后盖板153之间，利用后盖板153 的螺纹和镗杆11上面螺纹将压电陶瓷组件152压紧。根据陶瓷片的粘结方式不同，换能器 15可以产生单向超声振动、椭圆超声振动和扭转超声振动等几种不同形式的振动，换能器 15的导线连接在导电环16的内环上面。导电环16外环导线和航空插头12连接，航空插头 12连接超声高频电源。镗杆11的导向部分114装配在保持架14的通孔146中，换能器1515.换能器16.导电环17.滑环111.刀槽121.航空插头122.螺钉123.螺钉124.螺钉本体126.垫片131.螺纹孔132.螺纹孔133.通孑L135.螺纹孔136.通孑L137.通孑L138.通孑L13B.螺钉13C.螺钉141.滑槽142.滑槽144.螺纹孔145.螺纹孔146.通孔147.螺纹孔152.压电陶瓷153.后盖板17A.滑环17B.滑环组件17D.螺钉17E.螺钉17F.螺钉21.工装底座22.前导套支撑23.后导套支撑24.前导套26A.压紧螺钉26B.压紧螺钉27A.压紧螺钉27B.压紧螺212通孔213通孔214通孔215螺纹孔217螺纹孔218螺纹孔221导向孔231导向孔和导电环16装配在保持架14中。利用螺钉13A、螺钉13B、螺钉13C、通孔136、通孔137、 通孔138、螺纹孔144、螺纹孔145和螺纹孔147将保持架14装配在外筒13里面。滑环17 由滑环17A、滑环17B和滑环17C三个半环组成。滑环17装配在保持架14和外筒13之间， 通过螺钉17D、螺钉17E和螺钉17F固定在导电环16的外环上面。镗削时，滑环17A、滑环 17B和滑环17C三个半环在保持架14上面的滑槽141、滑槽142和滑槽143里面滑动，实现 导电环外环导线在外筒13里面的轴向移动。请参见图3和图5所示，垫片1 装配在航空插头本体121和外筒13之间，利用 螺钉122、螺钉123、螺钉124、螺钉125、螺纹孔131、螺纹孔132、螺纹孔134、螺纹孔135和 通孔133将航空插头本体121和垫片126固定在外筒13上面。请参见图1、图2和图6所示，工装底座21依靠标准件及上面设置的通孔211_214， 固定在设备的工作台上，实现整个镗削装置的固定。。前导套支撑22和后导套支撑23上面 分别有两个引导孔221、231。外筒13通过螺纹和后导套25连接，利用压紧螺钉27A、B将 后导套25连同外筒13装配在后导套支撑23上面。前导套M安装在工装底座21的前导 套支撑22的导向孔221内，并用压紧螺钉^5A、B固定在前导套支撑22上。工件安装在前 导套支撑22和后导套支撑23之间。超声振动刀杆组件1通过航空插头12连接超声电源， 镗杆11产生超声振动。镗削加工时，镗杆11导向部分114在前导套M和后导套25里面 滑动，利用工装组件2上面引导孔的同轴度和镗杆11的圆柱度等制造精度，保证镗削加工 制孔的孔径精度要求。镗杆11通过联轴器和自动进给钻主轴连接，外筒13通过过渡套与 自动进给钻本体连接，由自动进给钻主轴提供超声振动镗杆11的旋转运动和进给运动，完 成镗削加工。(2)本发明一种引导型自动进给超声振动镗削方法，该方法包括以下步骤步骤一将工装底座21依靠标准件及上面设置的通孔211-214，固定在设备的工 作台上；步骤二 把前导套M安装在工装底座21的前导套支撑22的导向孔221内，并用 压紧螺钉2队、B固定在前导套支撑22上；步骤三把后导套25和外筒13进行装配；步骤四后导套25连同超声振动刀杆组件1安装在工装底座21的后导套支撑23 的导向孔231内，并用压紧螺钉27A、B固定在后导套支撑23上；步骤五超声振动刀杆组件1通过航空插头12连接超声电源，镗杆11产生超声振 动；步骤六镗杆11通过联轴器和自动进给钻主轴连接，外筒13通过过渡套与自动进 给钻本体连接，由自动进给钻主轴提供超声振动镗杆11的旋转运动和进给运动，完成镗削加工。本发明的目的是提供一种引导型自动进给超声振动镗削方法及装置，采用该方法 设计的装置满足了超声振动镗削的条件，实现超声振动加工的微细切削能力，降低了镗削 力，针对余量不均的底孔加工，显著消除“误差复映”现象，提高了镗孔的直线度，达到纠偏 效果。增加了超声振动制孔技术的应用范围。
权利要求
1. 一种引导型自动进给超声振动镗削装置，其特征在于它由超声振动刀杆组件(1)、 工装组件( 组成，超声振动刀杆组件(1)安装在工装组件O)的工装底座上；所 述工装组件(2)，由工装底座(21)，前、后导套(24), (25)，压紧螺钉(26A), (26B), (27A)、 (27B)组成；前、后导套(24), (25)安装在工装底座(21)两侧前、后导套支撑(22), (23)的 导向孔021)、(231)内，并用压紧螺钉06A)、(26B), {21 k), (27B)固定在前、后导套支撑 (22), (23)上，工装底座依靠标准件及上面设置的通孔011)4214)，固定在设备的 工作台上；该工装底座由底板和两侧的前、后导套支撑0幻、(23)构成；该底板是矩 形板料，两侧的前、后导套支撑0幻“2；3)也是矩形板料，底板与前、后导套支撑0幻“23) 相互垂直；该前导套(M)、由外钢套(Ml)和铜套( 两部分组成，铜套( 镶嵌在外 钢套(Ml)孔内；该外钢套041)由两个同心而外径不同的圆环状件构成，大圆环状件设置 有通孔便于其固定，小圆环状件插入导向孔021)内；该铜套( 是套筒状件；该后导套 (25)由外钢套(251)和铜套(252)两部分组成，铜套(252)镶嵌在外钢套(251)孔内；该 外钢套051)也由两个同心而外径不同的圆环状件构成，大圆环状件设置有凹槽便于其固 定，小圆环状件一头插入导向孔031)内，另一头加工有外螺纹，与外筒(1 连接；该铜套 (252)是套筒状件；利用压紧螺钉06A)、Q6B)、螺纹孔022)、(223)将前导套04)装配 在前导套支撑(22)上；利用压紧螺钉(27A)、(27B)、螺纹孔(232)、(233)将后导套(25)装 配在后导套支撑(23)上；待加工件利用螺纹孔(215)、(216)、(217)、(218)被安装在前导 套支撑0 和后导套支撑之间，工装组件( 的前导套支撑0 和后导套支撑03) 上加工出导向孔(221)和导向孔031)，导向孔(221)和导向孔(231)要求保证予定的同 轴度和表面质量来满足镗削加工孔径精度的需要；镗削时，外钢套(Ml)和外钢套(251)通 过热处理增加硬度，减小与前导套支撑0 和后导套支撑的磨损；铜套( 和铜 套(25 通过予定的过盈量分别镶嵌在外钢套(Ml)和外钢套051)里面，然后通过磨削 将内孔(245)与导向面(244)、内孔(255)与导向面(254) 一次加工完成，保证内孔(245) 与导向面(244)、内孔(255)与导向面(254)的同轴度；导向面(244)与贴合面(M3)、导向 面(254)与贴合面(25 要满足予定的垂直度要求，从而保证镗削加工时镗杆(11)的同轴 度；所述超声振动刀杆组件(1)，由镗杆(11)、航空插头(12)、外筒(13)、保持架(14)、换 能器(15)、导电环(16)、滑环(17)部分组成，航空插头(12)安装在外筒(13)上，滑环(17) 用螺钉(17D)、(17E)和(17F)固定在导电环(16)外圆周上并与换能器(15) —起通过螺纹 被固定在镗杆(11)尾部；保持架(14)套在该镗杆部件外围后，再通过螺钉将该整个件放进 外筒(13)内固定；该镗杆(11)是阶梯圆柱形零件；该外筒(1 是尾部带有台阶的圆柱状筒形零件；该保持架(14)是两头带有台阶，中部开有三道滑槽的圆柱状筒形零件，镗杆(11)的导 向部分(114)装配在保持架(14)的通孔(146)中；该换能器(15)是由变幅杆(151)、压电陶瓷组件(152)和后盖板(153)组成，压电陶 瓷组件(152)安装在变幅杆(151)和后盖板(153)之间，利用后盖板(153)的螺纹和镗杆 (11)上面螺纹将压电陶瓷组件(15 压紧；该变幅杆(151)是阶梯圆柱形，它的功能是增 大超声振动的振幅；该压电陶瓷组件(15 是四组中间有通孔的圆环状结构陶瓷片，根据陶瓷片的粘结方式不同，换能器(1 可以产生单向超声振动、椭圆超声振动和扭转超声振 动等几种不同形式的振动；该后盖板(153)是中间带有螺纹的圆环状结构，用45#钢的金属 材料制成；该导电环(16)是中间开孔的圆柱形件，其圆周设置螺孔以固定滑环(17)；换能器(15) 的导线连接在导电环(16)的内环上面，导电环(16)外环导线和航空插头(12)连接，航空 插头(1 连接超声高频电源；该固定滑环(17)由滑环(17A)、滑环(17B)和滑环(17C)三个半环组成；滑环(17)装 配在保持架(14)和外筒(13)之间，通过螺钉(17D)、螺钉(17E)和螺钉(17F)固定在导电 环(16)的外环上面；镗削时，滑环(17A)、滑环(17B)和滑环(17C)三个半环在保持架(14) 上面的滑槽(141)、滑槽(142)和滑槽(143)里面滑动，实现导电环(16)外环导线在外筒 (13)里面的轴向移动。
2.一种引导型自动进给超声振动镗削方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一将工装底座21依靠标准件及上面设置的通孔211-214，固定在设备的工作台上；步骤二 把前导套M安装在工装底座21的前导套支撑22的导向孔221内，并用压紧 螺钉2队、B固定在前导套支撑22上；步骤三把后导套25和外筒13进行装配；步骤四后导套25连同超声振动刀杆组件1安装在工装底座21的后导套支撑23的导 向孔231内，并用压紧螺钉27A、B固定在后导套支撑23上；步骤五超声振动刀杆组件1通过航空插头12连接超声电源，镗杆11产生超声振动；步骤六镗杆11通过联轴器和自动进给钻主轴连接，外筒13通过过渡套与自动进给 钻本体连接，由自动进给钻主轴提供超声振动镗杆11的旋转运动和进给运动，完成镗削加 工。
3.根据权利要求1所述的一种引导型自动进给超声振动镗削装置，其特征在于该镗 杆(11)采用钛合金材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种引导型自动进给超声振动镗削装置，其特征在于该镗 杆(11)采用铝合金材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种引导型自动进给超声振动镗削装置，其特征在于该变 幅杆(151)采用钛合金材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种引导型自动进给超声振动镗削装置，其特征在于该变 幅杆(151)采用铝合金材料制成。
7.根据权利要求1所述的一种引导型自动进给超声振动镗削装置，其特征在于该航 空插头(12)是按加工要求选定的市购产品。
全文摘要
一种引导型自动进给超声振动镗削方法及装置，该装置由超声振动刀杆组件、工装组件组成。超声振动刀杆组件安装在工装组件的工装底座上。该超声振动刀杆组件，由镗杆、航空插头、外筒、保持架、换能器、导电环、滑环等部分组成，其间关系是航空插头安装在外筒上，滑环用螺钉固定在导电环外圆周上并与换能器一起通过螺纹被固定在镗杆尾部；保持架套在该镗杆部件外围后，再通过螺钉将该整个件放进外筒内固定。该工装组件，由工装底座，铜套，外钢套，压紧螺钉等组成；其镗削方法，有六大步骤。采用本发明镗孔，显著提高工艺系统刚性，其表面质量达到磨削效果，精度得到显著提高。它在金属切削加工领域里具有实用价值和广阔的应用前景。
文档编号B23B29/02GK102049545SQ201010506309
公开日2011年5月11日 申请日期2010年10月9日 优先权日2010年10月9日
发明者张德远, 张成茂, 李 诚, 王斌 申请人:北京航空航天大学