一种超声波增强电化学磨削装置的制作方法

本发明涉及磨削加工领域，具体而言，涉及一种利用超声波和电化学复合磨削的方法加工难磨材料的磨削装置。

背景技术：

电化学磨削是利用电解原理将电解作用运用到机械磨削加工中的一种特种加工工艺，其实现方式是将电解电源的正极与作为阳极的工件相连，电解电源的负极与作为阴极的电磨轮相连。在磨削加工过程中，在供给磨削液的同时产生电解作用，在电解作用和砂轮的磨削下，电解产物不断被去除掉，从而到达磨削的目的。超声波磨削是在磨削过程中利用超声波迫使砂轮或工件处于一定频率的振动状态下进行磨削的一种加工工艺。超声波磨削的机理是通过产生超声波振动，迫使磨料悬浮液高速撞击、抛磨被加工表面使工件成型。

在现有技术中，由香港理工大学申请的磨削辅助电化学放电加工工具及方法(公开号为cn102398193b)公开了一种磨削辅助电化学放电加工工具，包括ecdm电极，所述ecdm电极用于对工件进行电火花加工，并采用电化学方法产生氢气泡以辅助所述电火花加工；其特征在于，所述加工工具还包括设于所述ecdm电极上的磨料层，所述磨料层用于移除电火花蚀刻过程中在工件的火花坑周围形成的重铸材料。该方案在对难以加工的材料进行加工时能够增加材料的去除率，获得更好的表面质量。

又有山东大学申请的内部通道超声振动辅助内喷式电解磨削系统及方法(公开号为cn108581100a)公开了一种内部通道超声振动辅助内喷式电解磨削系统及方法，系统主要包括：运动控制装置、电流检测控制装置、电解液循环装置、超声波振动装置和内喷式管状导电磨头。运动控制装置实现控制主轴高速旋转和进给的稳定性；电流检测控制装置实时检测加工过程中电流大小和控制突变电流产生；电解液循环装置实现电解液的供液、过滤、循环使用；超声波振动装置实现电解液在超声波空化作用下，导电磨头对工件表面钝化膜的快速去除，强化电化学反应；内喷式管状导电磨头避免加工过程中磨头与工件间隙间湍流效应，保持电解液流场稳定。

又有，由四川佳泰防腐绝缘材料有限公司申请的一种超声波强化电化学防腐管道(公开号为208474782u)提供了一种超声波强化电化学防腐管道，包括：设置于管道内外的多层防腐结构，其中，在钢管内壁添加陶瓷隔离层；钢管外壁设置一层超声波防腐层，超声波防腐层外设置强固层，通过上述方式，能够通过物理防腐和电化学防腐相结合的方式，更好的完成管道的防腐工作，提高钢结构管道的使用寿命，同时可以起到一定的钢管修复作用。

以上技术方案对于电化学磨削或超声波磨削有一定的启示，但是对高速钢、硬质合金等难磨材料，采用传统的磨削加工工艺不仅在精度上难以达到要求，磨削效率也很低，因此需要研究新型加工工艺来提高难磨材料的磨削效率。而现有的电化学磨削或超声波磨削试验台采用单一的磨削技术来研究加工工艺，或者电化学磨削和超声波磨削的结合依然不够理想，对磨削效率的提升仍然有限，往往难以满足实际的生产需求。

技术实现要素：

为了解决现有技术中对难磨材料的磨削加工采用单一的加工工艺，使得磨削效率仍然难以满足实际生产需求这一问题，本发明提供了一种采用超声波增强电化学磨削的磨削装置，是同时具备电化学磨削和超声波磨削功能的试验设备，能够在一定程度上提高难磨材料的磨削效率和磨削质量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种超声波增强电化学磨削装置，包括机体、十字工作台、工件台、砂轮装置、电化学工作装置。前述机体分为上下两部分，上面部分为磨削加工平台，下面部分放置控制箱和其他所需设备。

其中，前述的十字工作台包括x向滑台和z向滑台，前述的z向滑台由z向滚珠丝杠和导轨安装台支撑，前述的z向滚珠丝杠和导轨安装台安装在机体上，在其上安装有z向滚珠丝杠和z向滚动导轨，前述z向滚珠丝杠和z向伺服电机通过第三联轴器相连。前述z向滑台安装有光栅尺，保证其传动精度。

进一步的，前述x向滑台由x向滚珠丝杠和导轨安装台支撑，前述x向滚珠丝杠和导轨安装台安装在z向滑台上，在其上安装有x向滚珠丝杠和x向滚动导轨，前述x向滚珠丝杠和x向伺服电机通过第三联轴器相连。前述x向滑台安装有光栅尺，保证其传动精度。

进一步的，前述x向滑台上安装有工件台，前述工件台一端安装有工件驱动电机安装板，工件的驱动电机安装在安装板上，前述驱动电机和第三联轴器相连，前述第三联轴器与工件转轴相连，前述工件转轴安装在轴承座上，该工件转轴另一端通过连接法兰与三爪卡盘相连，前述三爪卡盘用来夹紧要加工的工件。前述工件下方放置第一磨削液收集箱。前述工件一端由三爪卡盘夹紧，另一端由一带尖尾座顶紧，前述尾座安装在x向滑台上，并且可以在工件轴线方向移动以调节安装工件的距离。前述尾座连接一超声波换能器，前述超声波换能器发射的超声波通过尾座顶尖传递给工件。

进一步的，前述砂轮装置固定在机体上，前述砂轮装置由以下几部分组成，首先是砂轮主轴伺服电机，前述砂轮主轴伺服电机安装在机体的背面，其与同步带轮通过同步带连接，由同步带传递动力。前述带轮与带轮主轴通过紧定螺钉固定进行连接，该主轴由第二角接触球轴承支撑，该轴另一端与第二联轴器相连，前述第二联轴器与第一联轴器之间连接一扭矩传感器。第一联轴器连接砂轮主轴，前述砂轮主轴由第一角接触球轴承支撑。前述砂轮安装在砂轮主轴上，并用法兰盘进行固定，前述砂轮位于第一磨削液收集箱的上方。

进一步的，前述电化学工作装置包括电解液供给系统、电解电源、导电砂轮(阴极)、工件(阳极)。其中，电源阳极与尾座顶尖连接，阴极通过电刷与导电砂轮轴连接。电解液供给系统包括第二磨削液收集箱、增压泵、电液比例调速阀、喷头和管道，前述第二磨削液收集箱放置于机体的下半部分，其可连接过滤系统和温控系统等对收集的磨削液进行处理，再连接机体下方的增压泵，前述增压泵将处理过的磨削液通过管道可传递到电液比例调速阀，前述电液比例调速阀安装于机体上方。前述电液比例调速阀通过管道连接一磨削液喷头，通过电液比例调速阀可连续调节电解液流量。前述磨削液喷头安装于xz轴滑台上，在砂轮进行磨削加工时施加磨削液。

与现有技术相比，本发明的这种装置的砂轮主轴采用交流伺服电机驱动，使用同步带传动，砂轮主轴由三联配的角接触球轴承支撑，可以保证主轴的高刚度和高旋转精度；十字工作台采用交流伺服电机驱动，使用精密滚珠丝杠副传动，外加光栅尺形成闭环检测系统，以保证进给速度和精度；将超声波换能器探头与尾座顶尖接触，超声波换能器发出超声波后直接由尾座顶尖传给工件，以实现超声波增强电化学磨削。通过改变超声波频率、电流大小、磨削液的流量、砂轮转速以及进给量等磨削用量，从而探索提高难磨材料的磨削效率和质量的磨削工艺。

附图说明

图1是本发明实施方式提供的超声波增强电化学磨削装置的基本原理图；

图2是本发明实施方式提供的超声波增强电化学磨削装置的主视图；

图3是本发明方式实施方式提供的图2的局部放大图；

图4是本发明方式实施方式提供的图2的左视图；

图5是本发明方式实施方式提供的图2的后视图；

图6是本发明方式实施方式提供的图2的俯视图；

附图标记说明：1-x向滚珠丝杠和导轨安装台，2-x向滚珠丝杠，3-x向滚动导轨，4-工件台，5-安装板，6-工件驱动电机，7-第三联轴器，8-cbn砂轮，9-电液比例调速阀，10-法兰盘，11-轴承座，12-砂轮主轴，13-第一磨削液收集箱，14-第一角接触球轴承，15-第一联轴器，16-扭矩传感器，17-第二联轴器，18-带轮主轴，19-第二角接触球轴承，20-同步带轮，21-紧定螺钉，22-x向工作台伺服电机，23-z向滚动导轨，24-z向滚珠丝杠和导轨安装台，25-砂轮主轴伺服电机，26-z向工作台伺服电机，27-第二磨削液收集箱，28-控制箱，29-增压泵，30-机体，31-同步带，32-超声波换能器，33-z向滚珠丝杠，34-尾座，35-光栅尺，36-三爪卡盘，37-连接法兰，38-工件转轴，39-过滤系统，40-温控系统，41-磨削液喷头，42-电刷，43-电解电源。

具体实施方式

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例提供了一种超声波增强电化学磨削装置，请参考图1、图2、图4、图5和图6，图1为超声波增强电化学磨削装置的基本原理图，图2为超声波增强电化学磨削装置的主视图，图4为图2的左视图，图5为图2的后视图，图6为图2的俯视图。

该超声波增强电化学磨削装置主要包括机体30、十字工作台、工件台4、砂轮装置、电化学工作装置(图中未全部示出，但不影响本领域技术人员理解)。

其中，机体30为整台设备的其他零部件提供支撑，该机体30分为上下两部分，上面部分作为平台搭载磨削加工设备及其他零部件，下面部分的箱体空间可放置控制箱28和磨削液循环处理系统等所需设备。

请参考图2和图5，前述的十字工作台包括x向滑台和z向滑台。z向滚珠丝杠和导轨安装台24安装在试验台的机体30上，在其上安装有z向滚珠丝杠33和z向滚动导轨23。其中，z向滑台安装在z向滚珠丝杠33和z向滚动导轨23上，z向工作台伺服电机26通过第三联轴器7和z向滚珠丝杠33相连，由z向工作台伺服电机26驱动z向滑台沿轴向方向运动，从而使得工件可沿轴向方向运动。另外，该z向滑台安装有光栅尺35，从而保证z向滚珠丝杠33的传动精度。

请参考图2和图4，x向滚珠丝杠和导轨安装台1安装在z向滑台上，在其上安装有x向滚珠丝杠2和x向滚动导轨3，x向滑台安装在x向滚珠丝杠2和x向滚动导轨3上，x向工作台伺服电机22通过第三联轴器7和x向滚珠丝杠2相连，由x向工作台伺服电机22驱动x向滑台沿砂轮方向运动，从而使得工件可沿砂轮方向进给。另外，该x向滑台安装有光栅尺35，从而保证x向滚珠丝杠2的传动精度。

请参考图2和图6，x滑台上安装有工件台4，该工件台4一端安装有工件驱动电机6的安装板5，工件驱动电机6固定在安装板5上。该工件驱动电机6和第三联轴器7相连，第三联轴器7与工件转轴38相连，该工件转轴38安装在轴承座11上，且另一端通过连接法兰37与三爪卡盘36相连，工件由三爪卡盘36和尾座34的顶针进行固定并由工件驱动电机6控制，实现工件转动和转速调控。工件下方放置第一磨削液收集箱13，磨削加工时的废液便储存在第一磨削液收集箱13内。尾座34安装在x向滑台上，并且可以在工件轴线方向移动以调节安装工件的距离。尾座34连接一个超声波换能器32，超声波由固体进行传导，以减小其衰减程度。超声波换能器32发出超声波后直接由尾座34的顶针传导，再传给工件，从而产生超声波振动，迫使磨料悬浮液高速地不断撞击、抛磨被加工表面使工件成型，以实现超声波加强电化学磨削。

请参考图2、图3、图5和图6，将砂轮装置固定在机体30上方，砂轮装置由以下几部分组成，首先是砂轮主轴伺服电机25，该伺服电机安装在机体30的背面，通过同步带31与同步带轮20连接，由同步带31传递动力带动砂轮旋转，从而对工件进行磨削。所述同步带轮20与带轮主轴18通过紧定螺钉21连接，该主轴由第二角接触球轴承19支撑，该轴另一端与第二联轴器17相连，第二联轴器17与第一联轴器15之间连接扭矩传感器16，可以实时检测砂轮主轴12传递的扭矩，从而能够对cbn砂轮8的转速进行调控。第一联轴器15连接砂轮主轴12，所述砂轮主轴12由三联配的角接触球轴承14支撑，可以保证主轴的高刚度和高旋转精度。所述cbn砂轮8安装在砂轮主轴12上并由法兰盘10固定。所述cbn砂轮8位于第一磨削液收集箱13的上方，磨削时产生的磨削废液便由第一磨削液收集箱13收集，第一磨削液收集箱13和第二磨削液收集箱27可通过管道连接，收集的废液可传输到第二磨削液收集箱27中，经过处理后循环使用。

请参考图1、图2和图5，所述电化学工作装置(图中未完全示出)包括第二磨削液收集箱27，该收集箱放置于机体30的下半部分，可通过管道连接过滤系统39和温控系统40等对收集的磨削液进行处理，经过处理的磨削液再通过管道连接机体30下方的增压泵29，增压泵29将处理过的磨削液通过管道可传递到电液比例调速阀9，所述电液比例调速阀9安装于机体30上方。电液比例调速阀9可以通过控制输入的微小电流去控制磨削液的输出流量，控制方便，可实现磨削液流速连续可调。电液比例调速阀9通过管道连接一磨削液喷头41；电源阳极与尾座顶尖连接，阴极通过电刷42与导电砂轮轴12连接，并由电解电源43供电，可对磨削液和工件施加电场，实现电化学磨削。所述磨削液喷头41安装于xz工件台4上，在cbn砂轮8进行磨削加工时施加磨削液。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。