旋转弯曲疲劳试样V型缺口超声研磨机

旋转弯曲疲劳试样v型缺口超声研磨机
技术领域
1.本发明属于机械研磨加工相关技术领域，具体涉及旋转弯曲疲劳试样v型缺口超声研磨机。


背景技术：

2.抗疲劳制造过程中的三个重要的因素分别是零件的研磨表面质量、加工硬化和研磨结晶处理细化、表面残余应力，在采用超高强度钢“无应力集中”抗疲劳制造技术时，应力集中系数越大，疲劳寿命越短，而零件表面的粗糙度值则与应力集中系数呈正相关。为了减小零件的应力集中系数，就要想办法来降低零部件的表面粗糙度。
3.高强度合金钢18crnimo7-6钢，具有优秀的工艺性能，可以广泛应用到各种工业零件，如齿轮、轴承、轴等。v型缺口零件是一种结构相对较为复杂的零件，可以比较完整模拟出零件在使用时应力集中的情况，按照超高强度钢“无应力集中”的概念，要保证其缺口内高光洁表面，而此高光洁表面无法用传磨削工艺进行加工，且容易在加工缺口时，对缺口的形状尺寸产生破坏。因此，研究磨削18crnimo7-6钢v型缺口试样的研磨机，可以增强可靠性并延长寿命。
4.超声振动研磨加工技术，是指在传统的研磨加工技术的原理之上，在研磨的工具上施加超声振动激励，使研磨工具产生超声高频率的振动，研磨工具与零件表面之间的磨料在传统的研磨加工运动和超声高频率振动的共同作用下，对加工工件的表面进行滑擦、耕犁和切削等运动，以实现去除加工表面材料的目的。因为超声研磨振动系统的存在，导致超声振动研磨加工更加优于传统研磨加工技术。
5.现有的超声研磨机技术存在以下问题：现有的超声研磨机的联轴器尺寸与工件尺寸差距过大，电动机与工件直接通过联轴器相连接，此系统的刚度比较小，在工作时，影响加工过程中的加工精度的主要来源可能会是因为联轴器的不规则的微小振动而引起研磨工件的剧烈振动。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供旋转弯曲疲劳试样v型缺口超声研磨机，以解决上述背景技术中提出的电动机与工件直接通过联轴器相连接易引起研磨工件的剧烈振动问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：旋转弯曲疲劳试样v型缺口超声研磨机，包括机床，所述机床的上方两侧设置有旋转驱动机构与尾座机构，所述旋转驱动机构与尾座机构之间设有工件，所述尾座机构向旋转驱动机构方向运动抵紧固定工件，所述机床上设置有龙门支撑机构，所述龙门支撑机构上设置有指向工件的研磨压力调整装置，所述旋转驱动机构驱使工件旋转运动，所述龙门支撑机构在机床上滑动调整位置后，由研磨压力调整装置保持研磨压力对工件进行磨削加工。
8.优选的，所述旋转驱动机构包括电动机，所述电动机固定安装在机床的上表面，所述机床的上表面固定安装有主轴箱，所述主轴箱的内侧转动连接有机床主轴，所述机床主
轴通过联轴器与电动机的输出端固定连接。
9.优选的，所述机床主轴靠近工件的一端设置有第一顶尖，所述第一顶尖抵在工件的一侧圆心位置处。
10.优选的，所述机床主轴靠近工件的一端外部套设有机芯夹头，所述机芯夹头的另一端套设在工件的外部。
11.优选的，所述尾座机构包括机床尾座，所述机床的两侧上表面固定连接有第二滑轨，所述机床尾座的底部与第二滑轨滑动连接。
12.优选的，所述机床尾座的一端设置有第二顶尖，所述第二顶尖抵在工件的另一侧圆周位置处。
13.优选的，所述龙门支撑机构包括滑座，所述滑座的底端固定连接有龙门导轨架，所述机床的两侧上表面固定连接有第一滑轨，所述滑座的底部与第一滑轨滑动连接，所述龙门导轨架的一侧通过螺母连接有调高螺杆。
14.优选的，所述研磨压力调整装置包括弹簧杆，所述弹簧杆通过螺栓固定在龙门导轨架上，所述弹簧杆的外侧套设有弹簧，所述弹簧的一端与弹簧杆固定连接，所述弹簧的另一端固定连接有压盖，所述压盖的底端固定连接有超声换能器，所述超声换能器的底端滑动连接有变幅杆，所述变幅杆的底端固定连接有油石。
15.与现有超声研磨机技术相比，本发明提供了旋转弯曲疲劳试样v型缺口超声研磨机，具备以下有益效果：
16.本发明通过设计机床主轴箱与机床主轴，来提升机床系统的刚度，可以保证研磨工件的加工精度，研磨时可将工件通过机芯夹头夹持在机床主轴上，来使工件与机床主轴同步旋转，将前顶尖安装在主轴上，通过前顶尖与后顶尖来固定工件，增加机床与工件的系统刚度，利用移置导轨来调整超声换能器相对于工件位置，然后由研磨压力调整装置调整并保持研磨压力，使其完成对工件的研磨。
附图说明
17.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：
18.图1为本发明提出的旋转弯曲疲劳试样v型缺口超声研磨机正视剖面结构示意图；
19.图2为本发明提出的旋转弯曲疲劳试样v型缺口超声研磨机俯视结构示意图；
20.图3为本发明提出的研磨压力调整装置剖面结构示意图；
21.图中：1、机床；2、旋转驱动机构；201、电动机；202、联轴器；203、主轴箱；204、机床主轴；205、第一顶尖；206、机芯夹头；3、龙门支撑机构；301、滑座；302、龙门导轨架；3021、调高螺杆；303、第一滑轨；4、尾座机构；401、机床尾座；402、第二滑轨；403、第二顶尖；5、工件；6、研磨压力调整装置；601、弹簧杆；602、弹簧；603、压盖；604、超声换能器；605、变幅杆；606、油石。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.请参阅图1-图3，本发明提供一种技术方案：旋转弯曲疲劳试样v型缺口超声研磨机，包括机床1，机床1的上方两侧设置有旋转驱动机构2与尾座机构4，旋转驱动机构2与尾座机构4之间设有工件5，本机床1所需加工的工件5的尺寸参数：工件5的总长为80mm，工件5夹持端的直径为长度为16mm，过度圆弧半径为r23mm，工件5圆柱部分直径为v型缺口部分距试件一端40mm，最细部分直径为v型部分两侧斜面之间角度为60
±
0.1
°
24.需要说明的是，旋转驱动机构2包括电动机201，电动机201固定安装在机床1的上表面，机床1的上表面固定安装有主轴箱203，主轴箱203与机床1由螺栓连接，主轴箱203分为箱盖和箱座两个部分，这两部分由螺栓进行连接，主轴箱203的内侧转动连接有机床主轴204，机床主轴204通过联轴器202与电动机201的输出端固定连接，磨具对工件5的研磨压力为0.2mpa，研磨速度最低为40r/min。对磨具的切削面积进行计算，得出结果3.127
×
10-5
m2。
25.其中机床主轴204所需功率为：
26.pw＝fv/1000η
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(1)
27.η——传递效率(考虑机芯夹头206与轴承的效率问题，取η为0.97)；
28.f——研磨时要保证的研磨压力(n)。
29.f＝pa
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(2)
30.p——研磨时要保证的研磨压力(pa)；
31.a——研磨时的接触面积(m2)；
32.v——研磨工件的线速度(m/s)；
33.v＝πdn/60*1000
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(3)
34.d——研磨工件直径(mm)；
35.n——研磨工件转速(r/min)。
36.取工件研磨部分最大直径6mm，计算得出v＝0.0126m/s,f＝6.254n,pw＝0.081w。随着研磨速度的逐渐增加，工件表面粗糙度呈现下降的趋势。所以主轴的转速最低的选择为40r/min，选取型号为ts4522的电动机可以满足需求。
37.机床主轴204的材料选取为45号钢，加工工艺为调质处理，由机械设计手册中的常用材料手册查询得到，45号钢的力学性能数据为：σb＝650mpa，σs＝360mpa，σ-1
＝270mpa，τ-1
＝155mpa，e＝2.15
×
105mpa。
38.根据参考书《机械设计》中的最小轴颈公式：
[0039][0040]
p——轴传递的功率(kw)；
[0041]
n——轴的转速(r/min)。
[0042]
初步计算机床主轴204的最小轴颈，依据参考书《机械设计》，以45号钢为材料，选取a0值为110。由于加工时的参数均较小，根据公式(4)进行估算后发现，对轴的最小的轴颈要求较低，在上文的加工工艺参数的选取中已得知工件转速即机床主轴204转速为至少
40r/min，轴传递功率为0.081w，带入公式(4)后，经计算后得出，机床主轴204的最小轴颈要大于1.37mm，考虑到机床204主轴上存在键槽，将所得结果扩大1.1倍，得1.53mm。
[0043]
值得了解的是，机床主轴204靠近工件5的一端设置有第一顶尖205，第一顶尖205抵在工件5的一侧圆心位置处，机床主轴204靠近工件5的一端外部套设有机芯夹头206，机芯夹头206的另一端套设在工件5的外部，在此专用机床1中，研磨工件5由机芯夹头206夹持并连接在机床主轴204上，机床主轴204带动着研磨工件一起做同步回转运动，由于机床1专门用来加工旋转弯曲疲劳试样，所以依据已给出的疲劳试样的尺寸参数与上文章节中设计的主轴的尺寸参数，选用机芯夹头206夹具来供加工使用。将机芯夹头206分别套在机床主轴204和研磨工件5的一段上，然后由紧定螺钉将其固定住，机芯夹头206的材料选用45号钢。
[0044]
需要提出的是，尾座机构4包括机床尾座401，机床1的两侧上表面固定连接有第二滑轨402，机床尾座401的底部与第二滑轨402滑动连接，机床尾座401的一端设置有第二顶尖403，第二顶尖403抵在工件5的另一侧圆周位置处，机床尾座401通过第二滑轨402实现一维方向上的前后直线运动，机床尾座401在主要对工件5起到定位作用，增加机床1与工件5所处系统的刚度，机床尾座401由第二顶尖403与尾座架组成，尾座架通过螺栓与滑块连接，滑块与第二滑轨402滑动连接，机床尾座401的材料选用灰口铸铁，机床尾座401要保证一定的刚度，防止在加工过程中产生变形，第二顶尖403相对于尾座架要能够实现锁定，通过锁紧螺钉来进行锁定，机床尾座401相对于第二滑轨402要能实现锁定，通过锁紧螺钉对滑块进行锁定来锁定机床尾座401。
[0045]
进一步来说，尾座机构4向旋转驱动机构2方向运动抵紧固定工件5，机床1上设置有龙门支撑机构3，龙门支撑机构3包括滑座301，滑座301的底端固定连接有龙门导轨架302，机床1的两侧上表面固定连接有第一滑轨303，滑座301的底部与第一滑轨303滑动连接，龙门导轨架302的一侧通过螺母连接有调高螺杆3021，可调整龙门导轨架302的水平高度。
[0046]
值得说明的是，龙门支撑机构3上设置有指向工件5的研磨压力调整装置6，研磨压力调整装置6包括弹簧杆601，弹簧杆601通过螺栓固定在龙门导轨架302上，弹簧杆601的外侧套设有弹簧602，弹簧602的一端与弹簧杆601固定连接，弹簧602的另一端固定连接有压盖603，压盖603的底端固定连接有超声换能器604，超声换能器604的底端连接有变幅杆605，变幅杆605的底端固定连接有油石606，超声变幅杆605和超声换能器604通过双头螺柱进行连接，由压盖603来代替螺母进行压紧，油石606和超声变幅杆605通过螺纹进行连接，超声换能器604是超声振动研磨系统中最主要的部件，超声机床1是利用超声换能器604的换能功能将超声发生器产生的超声频的电能转换成超声振动所需要的振动机械能，通过查找和阅读有关资料，了解到超声换能器大致可以划分为两大种类：分别为磁致伸缩式换能器与压电换能器。由于压电换能器比磁致伸缩换能器，更适合于此超声机床，它具有很多优点，比如发热量小、电能损耗小、电声转换效率高、易加工、体积小等。其将电能转换为机械能的方式是利用了压电材料的逆压电效应(在电场作用下产生形变)的特性。而且价格便宜、加工性能良好，所以选用压电换能器。选择使用夹心式压电陶瓷换能器，将压电材料夹持在两个金属块之间，比较适用于超声加工。
[0047]
其中超声变幅杆，外形一般是变截面杆，其变截面的结构能够把超声的振幅在小
截面上进行放大，超声研磨振动系统中，从超声换能器上所产生的振幅比较小，但是在实际的超声研磨加工中需要较大的振幅，所以需要借助超声变幅杆的放大作用将微小振幅进行放大。与超声变幅杆性能密切相关的重要影响因素是材料。考虑到实用性与性价比，应用于制作超声变幅杆的材料一般是45号钢，因为其中阶梯形超声变幅杆在相同面积系数下其放大系数最大，并且外形容易实现机械加工，所以选用阶梯型变幅杆。材料选用45号钢。
[0048]
旋转驱动机构2驱使工件5旋转运动，龙门支撑机构3在机床1上滑动调整位置后，由研磨压力调整装置6保持研磨压力对工件5进行磨削加工，为了保证在超声研磨加工过程中，达到足够的加工精度，所以要对研磨压力进行调整并保证恒定。此超声研磨机床通过弹簧来实现研磨压力调整与保持的目的，将弹簧安装在弹簧杆上，将弹簧杆以螺纹连接的形式安装在龙门形式的导轨架上来形成运动，同时在龙门导轨架302上安装四个限位柱，用来限制超声换能器604的位置，并在限位柱下端安装限位螺母，当超声换能器604未形成研磨时，通过限位螺母来支撑超声换能器604，当超声换能器604接触工件形成研磨时，通过控制弹簧的压缩量来达到控制研磨压力的目的。
[0049]
根据机床整体结构参数，当超声换能器604的最上端距离主轴箱203底部216.66mm时，超声换能器604与研磨工件5进行接触。按照上文弹簧的设计，当弹簧板距离主轴箱203底部246.66mm时，机床1可以在保证研磨压力一定的情况下，进行加工。确定龙门导轨架302的高度为335mm。在龙门导轨架302一侧安装螺柱，通过限位螺母来控制下降的位置。为了保证在加工不同零件时，研磨工具都可以准确的对v型槽进行加工，将此结构安装在第一滑轨303上使其可以进行微调。
[0050]
由于机床1的总体尺寸较小，属于小型机床，不适合设置液压系统。所以，对此机床1采用润滑脂来润滑，在机床1的限位杆的地方，因为有较大的振动，所以要使用粘附性高、粘度高、减振性能较好的润滑脂，比如复合皂基润滑脂。对于机床1的其他部位，由于在加工过程中不便于经常性的更换润滑脂，所以选用2号润滑脂润滑。
[0051]
本发明选用的切削液是牌号为pg-1的研磨切削液，它是由北京石油科学研究院油品生产车间自行研制并生产而成，具有以下优点：无刺激、不易挥发并且无污染。此研磨切削液的化学数据为：承受载荷(pk75kg)；粘度(v5004.02cst)；含硫(0.267％)；含氯(0.3％)；钢片腐触。
[0052]
本发明的工作原理及使用流程如下：通过电动机201带动机床主轴204进行旋转运动，将工件5通过机芯夹头206夹持在机床主轴上204，来使工件5与机床主轴204同步旋转，将机床尾座401安装在第二滑轨402上，保证机床尾座401可以沿第二滑轨402方向做一维直线运动，机床尾座401上装有第二顶尖403，通过第二顶尖403来固定工件5，增加机床1与工件5的系统刚度，然后在机床1床身上安装可以保证调整相对位置的龙门导轨架302，通过将超声换能器604、研磨压力调整装置6安装在龙门导轨架302上，利用第一滑轨303来调整超声换能器604相对于工件5位置，然后由研磨压力调整装置6调整并保持研磨压力，使其完成对工件5的切削。
[0053]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。