一种实现低频振动辅助钻削的紧凑型振子装置

1.本发明涉及加工设备领域，尤其涉及一种实现低频振动辅助钻削的紧凑型振子装置。


背景技术：

2.高强度钛合金、高强度钢凭借优良的物理力学性能，在航空航天领域被大量应用于承受较大交变载荷的部位，需要加工大量连接孔与其他零件进行装配连接。然而此类材料的高强度、高韧性对加工制造带来了巨大的挑战，在进行钻削制孔加工时，切削力较大、难以断屑、刀具磨损严重等问题已经成为制约高强度金属零件加工质量和加工效率的重要因素，特别对于碳纤维复合材料与此类金属的叠层结构，由于两类材料均属于难加工的材料且切削特性差异很大，金属加工过程中产生的高温和连续切屑会对叠层界面以及复材孔壁位置造成强烈的力、热作用，产生复材孔壁划伤、界面热损伤等严重问题。为避免上述问题，有学者提出了低频振动钻削工艺并进行了研究，证明低频振动能够较好地使金属断屑，提高加工质量，降低切削温度，不同振幅和频率对上述加工过程会产生显著影响。低频振动可通过进给主轴主动电控和机械结构被动控制实现，进给主轴主动电控具有振动参数可调的优势，然而频繁往复进给会导致丝杠导轨、电机等核心部件发热，严重影响使用寿命和使用场合；相比之下，采用机械结构如通过在旋转过程中附加正弦运动轨迹的机械振子来实现低频振动，具有稳定性好，适用性强等特点，是钻削中实现低频振动辅助的主要方法。
3.目前，低频振动机械振子主要供应商是法国mitis公司，其发明了“具有轴向移动的环的轴承和配设有这种轴承的加工设具”，专利号为 zl200780029856.x，该结构通过将机床刀柄用的轴承滚道设置为波浪形滚道，为可实现主轴旋转过程中产生轴向周期性往复运动，使刀具产生轴向低频振动，很好地解决了金属切屑划伤孔壁的问题，且刀具与工件间歇式的接触有助于切削热的扩散，有效控制切削温度，提高了加工质量。国内对机械低频振动装置的研究相对国外起步较晚，河南理工大学的焦锋等人发明了“机械式的轴向低频钻削装置”，专利号为zl201811303077.0，通过套筒上的正弦曲线槽为实验台提供低频振动，通过控制套筒转速调节频率，通过更换槽道改变振幅。但这种方式是将低频振动施加在工件上的，工件尺寸过大时难以使用，具有一定的局限性。大连理工大学的王福吉等人发明了“一种用于自动进给钻的模块化微啄装置”，专利号为zl201810964769.3，该装置采用了标准角接触球轴承，导致微啄装置整体结构不够紧凑，且外花键套和内花键筒在工作时会存在往复摩擦，长时间运行会造成零件磨损，运动精度下降，稳定性难以保证。
4.综上所述，为了满足小型化加工装备如自动进给钻等装置加工钛合金、高强钢等难加工材料高质高效的需求，需要开发一款结构紧凑，运动精度高、通用性好的实现低频振动辅助钻削的紧凑型振子装置。


技术实现要素：

5.本发明基于小型化自动进给钻削装备的加工需求，开发了一种实现低频振动辅助
钻削的紧凑型振子装置。该装置结构紧凑，整体体积较小，设置的螺纹接头使其与加工设备集成的通用性较好，能够在钻削加工时，在主轴作进给运动的同时叠加一个轴向的振动，实现非连续切削，可以有效打断金属切屑。且其外层定子由两个零件组装而成，降低关键零件的加工难度，保证了加工精度。
6.本发明的技术方案：一种实现低频振动辅助钻削的紧凑型振子装置，包括内层转子和外层定子；
7.内层转子包括螺栓1、碟形弹簧片2、下连接块3、密封圈a4、销a5、保持架6、滚子7、滚针轴承9、键12、密封圈b13和上连接块14；外层定子包括波浪环8、外壳10和销b11；下连接块3包括底座和圆柱形凸台；上连接块14截面为阶梯状，其一端的端面安装有密封圈b13；
8.下连接块3的底座截面呈阶梯状；底座的外圆设有圆环槽3b，用于安装密封圈a4；底座的阶梯面3c上设有销孔，保持架6上设有对应的销孔，保持架6 过底座的圆柱形凸台和底座通过销a5连接于一体；滚子7固定在保持架6上组成推力轴承，滚子7紧贴阶梯面3c；波浪环8和滚针轴承9依次套接于下连接块3的圆柱形凸台上；波浪环8一面为正弦波浪面，另一面为平面，正弦波浪面与滚子7紧贴，平面与滚针轴承9紧贴；滚针轴承9另一面紧贴于上连接块 14的端面；
9.下连接块3和上连接块14通过键12连接于一体，外壳10套于下连接块3 和上连接块14外；波浪环8外圆面上开设有孔，销b11穿过外壳10与波浪环8 过盈配合，限制外壳10和波浪环8的相对转动；
10.套装有碟形弹簧片2的螺栓1穿入下连接块3中心通孔内，和上连接块14 中心的螺纹孔相连。
11.所述下连接块3的通孔直径大于上连接块14的通孔直径；碟形弹簧片2的外径大于上连接块14的通孔直径。
12.所述圆柱形凸台的外圆设有若干半圆形键槽3a；上连接块14的一端内设有若干凹槽；键12两侧分别位于半圆形键槽3a和凹槽内，将下连接块3和上连接块14连接为一体。
13.所述正弦波浪面为具有正弦波动特征的曲面。
14.本发明的有益效果是，提供一种实现低频振动辅助钻削的紧凑型振子装置，外层定子由波浪环8通过销b11与外壳10连接，波浪环8可单独进行加工及热处理，加工难度降低，精度更容易得到保证。转子结构与加工设备的主轴采用螺纹连接，在主轴旋转同时，带动转子结构中的旋转滚子7在波浪环8上的滚动实现刀具在作进给运动的同时叠加一个轴向的低频振动，可根据需要通过调整波浪环的尺寸改变振子轴向振动的振幅和频率。
附图说明
15.图1为本发明实现低频振动辅助钻削的紧凑型振子装置的爆炸示意图；
16.图2为本发明实现低频振动辅助钻削的紧凑型振子装置的装配体剖视图；
17.图3为本发明实现低频振动辅助钻削的紧凑型振子装置的部分零件详细结构图。
18.其中：1-螺栓，2-碟形弹簧片，3-下连接块；3a-半圆形键槽，3b-圆环槽， 3c-阶梯面；4-密封圈a，5-销a，6-保持架，7-滚子，8-波浪环，9-滚针轴承， 10-外壳，11-销b，12-键，13-密封圈b，14-上连接块。
具体实施方式
19.下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
20.实施例1
21.参考图1至图3，一种实现低频振动辅助钻削的紧凑型振子装置，包括：
22.如图1所示的一种实现低频振动辅助钻削的紧凑型振子装置，该装置包括螺栓1、碟形弹簧片2、下连接块3、密封圈a4、销a5、保持架6、滚子7、波浪环8、滚针轴承9、外壳10、销b11、键12、密封圈b13和上连接块14。
23.本实施例中，螺栓1依次穿过碟形弹簧片2、下连接块3的通孔与上连接块 14的内螺纹孔连接；下连接块3上开设有半圆形键槽3a，下连接块3的圆柱形凸台依次穿过保持架6、波浪环8、滚针轴承9，通过键12与上连接块14连接，下连接块3上开设有圆环槽3b用于安装密封圈a4，下连接块3的阶梯面3c上设有孔，用于安装销a5；销a5安装在下连接块3的阶梯面3c上，用于连接保持架6，保证下连接块3与保持架6同步转动；滚子7固定在保持架6上组成推力轴承，滚子7紧贴下连接块3的阶梯面3c；波浪环8左侧一面为正弦波浪面，右侧一面为平面，波浪环8的正弦波浪面一侧与滚子7紧贴，波浪环8的平面一侧与滚针轴承9紧贴，波浪环8外侧面上开设有孔，与销b11过盈配合；销 b11安装在外壳10上，与外壳10过盈配合，限制外壳10和波浪环8的相对转动；键12安装在上连接块14的圆柱形键槽内，限制下连接块3与上连接块14 的相对转动；密封圈b13安装在上连接块14左端的阶梯面，用于密封。使用时，外壳10被限制转动，下连接块3和上连接块14与外部设备连接。轴向低频振动的振幅为波浪环正弦波浪面一侧环形正弦曲线峰峰值的一半，轴向低频振动的频率取决于主轴转速和波浪环上环形正弦曲线的个数n(主轴每转动一圈，轴向振动n次)。可通过更换波浪环8，改变轴向振动的振幅和频率。
24.工作时，外壳10被限制转动，下连接块3和上连接块14与外部设备连接。具体工作过程如下：在转动过程中，上连接块14带动下连接块3同步转动，下连接块3带动保持架6同步转动，使滚子7在被固定的波浪环8的正弦波浪面侧滚动，由于波浪环8的正弦波浪面侧为n个周期的环形正弦曲线，且在转动过程中，碟形弹簧片2始终通过下连接块3对滚子施加一个轴向推力作用，进而实现在主轴转动的过程中叠加一个轴向的低频振动，轴向低频振动的振幅为波浪环正弦波浪面一侧环形正弦曲线峰峰值的一半；轴向低频振动的频率取决于主轴转速和波浪环上环形正弦曲线的个数n(主轴每转动一圈，轴向振动n次)。在上述过程中，可通过更换波浪环，改变轴向振动的振幅和频率。
25.实施例中，所用的波浪环8的正弦波浪面侧为5个周期的环形正弦曲线，主轴每转动一圈，轴向振动5次。环形正弦曲线的峰峰值为1mm，可通过更换波浪环，改变轴向振动的振幅和频率。