一种超声微磨削加工设备及工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种超声微磨削加工设备及工艺，包括隔振工作台，隔振工作台上固定有左右对称设置的立柱，立柱之间通过横梁连接，横梁上设置有带动磨削装置高速旋转的主轴组件，主轴组件的下方设置有超声振动平台，超声振动平台为由压电叠层作动器驱动，以极坐标系为工作坐标系的二维超声振动平台。本发明提供的单驱动极坐标二维超声微磨削加工设备，在加工过程中选用压电叠层作动器替代现有常用的超声变幅杆作为驱动源，振幅和频率都可调的同时，大大简化了超声振动平台的结构；同时提供干、湿磨削，圆周磨削，端面磨削等多种磨削方式，加工效果更好；使用超声微磨削加工设备进行工件加工，加工过程更加简单多样，加工出的工件精确度更高。
【专利说明】—种超声微磨削加工设备及工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及特种加工【技术领域】，更具体的涉及一种超声磨削加工设备及工艺。
【背景技术】
[0002]特种加工是指不属于传统加工工艺范畴的加工方法，他不同于使用道具、磨具等直接利用机械能切除多余材料的传统加工方法，泛指使用电能、热能、光能、化学能、电化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等。特种加工是近几十年来发展起来的新工艺，是对传统加工工艺方法的重要补充与发展，目前仍在继续研究与发展中。
[0003]随着科技与生产的发展，脆硬材料(如钕铁硼永磁材料、工程陶瓷、光学玻璃等)在航空航天、国防工业、现代医学及生物工程技术等领域中的应用日趋广泛。由于脆硬材料的脆性较大，加工时在磨粒作用下易发生断裂，因此其加工机理比金属材料加工更为复杂。近几十年来，众多学者对脆性材料去除机理进行了研究结果表明，超声振动塑性磨削与普通塑性磨削材料去除机理不同，超声振动塑性磨削除了使材料剪切破坏外，还使材料在高频振动下发生疲劳破坏，加速材料的去除，故比普通磨削效率更高。
[0004]实现超声振动塑性磨削的条件不仅与磨削深度有关，还与振幅和频率有关，超声磨削加工能够综合超声波加工和高速磨削加工的特点，有效改善工件的表面质量。超声磨削加工是近几十年来逐步发展和应用的一种新型加工方法，不仅能加工硬质合金、淬火钢等硬脆金属材料，而且更适合于半导体和不导电的非金属硬脆性材料的加工和成型加工。在脆硬材料的加工中，超声磨削加工具有普通加工方法无法比拟的工艺效果。
[0005]微细切削加工技术是传统加工工艺向微观尺度的延伸，该技术能够加工出形状非常复杂的微小零件，具有能耗小、加工精度高、材料的加工范围广、投资小等优点，包括微铣肖IJ、微磨削等多种加工方法。微铣削能够加工出具有复杂结构的三维微零件，适用于加工延展性能较好的金属材料，对脆硬材料的加工性能有限，且微细零件常存在表面缺陷、毛刺等缺陷。近年来，微磨削加工成为复杂微结构零件的一种加工方式；研究表明与其他微机械加工工艺相比，微磨削加工零件的加工精度高，且可加工脆硬材料，在加工微传感器、微执行器等一些微细零件中，具有明显的优势。
[0006]尽管国内外学者已分别在超声振动和微磨削及其相近领域取得一些研究成果，但由于超声振动辅助切削加工与微磨削加工技术都较为复杂，仍存在一些关键问题尚未解决:
[0007]1、微磨削热影响较大
[0008]与其他微加工方式相比，微磨削加工过程中产生的热量较大，磨削热不但易加剧砂轮氧化磨损，而且对表面质量有一定的影响；
[0009]2、微砂轮易磨损且难以修整
[0010]由于微磨削中使用的砂轮直径非常小，导致微砂轮极易磨损，并且微砂轮难以修整，使得微砂轮使用寿命降低，严重影响了微磨削加工效率，制约着微细磨削技术的进一步发展；
[0011]3、超声振动磨削机理和尺度零件加工设备研究不够完善
[0012]超声振动辅助加工已经在车削、钻削、锉削等方面得到广泛的应用，但由于磨削过程较为复杂，所以国内外对超声振动辅助磨削的研究(尤其是加工机理的研究)还不够深入，对超声振动辅助磨削加工平台设计的研究工作还很少，特别是简单、实用的二维超声振动平台设计，更为鲜见。
[0013]这些问题不仅严重制约着微细磨削加工技术的进步，而且也在很大程度上影响着我国的航空航天、国防工业、现代医学及生物工程技术等领域的发展。
【发明内容】
[0014]本发明的一个目的在于提出一种由压电叠层作动器作为单一驱动源，在二位平面上以极坐标作为磨削标准坐标系进行磨削加工的单驱动极坐标二维超声微磨削加工设备。
[0015]本发明的另一个目的在于提出一种具有干磨削、湿磨削、圆周磨削、端面磨削等多种磨削方式的超声微磨削加工设备。
[0016]本发明的再一个目的在于提出一种使用单驱动极坐标二维超声微磨削加工设备进行磨削加工的工艺过程。
[0017]为达此目的本发明采用以下技术方案:
[0018]一种超声微磨削加工设备，包括隔振工作台，所述隔振工作台上固定有左右对称设置的立柱，所述立柱之间通过横梁连接，所述横梁上设置有带动磨削装置高速旋转的主轴组件，所述主轴组件的下方设置有超声振动平台，所述超声振动平台为由压电叠层作动器驱动，以极坐标系为工作坐标系的二维超声振动平台。
[0019]进一步的，所述隔振工作台上还设置有吸振台，所述吸振台设置于所述横梁的下方，位于所述立柱之间；所述吸振台的上表面设置有三向微进给系统，所述三向微进给系统通过承载板连接有检测装置；所述检测装置的上表面设置有超声振动平台。
[0020]进一步的，所述超声振动平台包括与所述检测装置相连接的振动平台基体，所述振动平台基体的内部设置有振动板，所述振动板的下表面设置有对所述振动板进行导向的直线滚动单元，所述振动板的上表面固定有用于固定工件的夹具；所述振动板的一个侧面上连接有压电叠层作动器，相对的所述振动板的另一个侧面上通过弹簧片连接有微调装置。
[0021]优选的，沿所述振动板的边沿设置有可拆卸的水槽，便于对所述工件进行湿磨削或干磨削加工。
[0022]进一步的，所述振动板上设置有安装孔点阵，将固定有工件的所述夹具安装于预设定的所述安装孔点阵上以使得工件定位方向与所述压电叠层作动器发出的超声振动方向成预定角度。
[0023]进一步的，所述横梁的上表面和侧面均设置有用于安装所述主轴组件的固定孔，所述主轴组件上设置有所述磨削装置，所述磨削装置对所述工件进行端面磨削或周向磨削。
[0024]进一步的，所述主轴组件上设置有微型砂磨轮，所述微型砂磨轮的直径为lmm-5mm ；[0025]所述微型砂磨轮在所述主轴组件的带动下进行高速旋转，转速在5000r/min—50000r/min。
[0026]优选的，所述压电叠层作动器的工作频率为16 — 23KHz，工作振幅为O — 15μπι。
[0027]一种超声微磨削加工工艺，使用上述的超声微磨削加工设备对工件进行加工，包括以下步骤:
[0028]A确定所述夹具在所述振动板上的安装位置；确定对工件进行加工选用的超声振动形式、确定是否安装所述水槽、确定选用进行加工的砂轮尺寸；
[0029]B将工件安装在所述夹具上，并将所述夹具固定于所述振动板上，使用水平仪对所述夹具进行调平，选用湿磨削加工时，将所述水槽安装于所述振动板上；
[0030]C根据工件要进行加工的端面，确定将所述主轴组件安装于所述横梁的侧面或是上表面，对工件进行端面磨削或是圆周磨削；
[0031]D开启所述主轴组件、压电叠层作动器和三向微进给系统对工件进行超声微磨削加工，所述微调装置对振动板作行程微量补偿，所述直线滚动单元对所述振动板进行导向；
[0032]E观察加工过程中的现象，并记录数据结果。
[0033]本发明的有益效果为:
[0034](I)本发明提供的单驱动极坐标二维超声微磨削加工设备，在加工过程中选用压电叠层作动器替代现有常用的超声变幅杆作为驱动源，在振幅和频率都可调的同时，大大简化了超声振动平台的结构；
[0035](2)本发明通过设置水槽和横梁，使得本发明能够同时提供干磨削、湿磨削、圆周磨削、端面磨削等多种磨削方式，设备的使用功能更多，加工效果更好；
[0036](3)本发明提供了一种使用超声微磨削加工设备进行工件加工的工艺方法，对工件的加工过程更加简单，加工方式更加多样，加工出的工件精确度更高。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1是本发明提供的超声微磨削加工设备立体结构图；
[0038]图2是本发明提供的超声微磨削加工设备主视图；
[0039]图3是本发明提供的超声微磨削加工设备侧视图；
[0040]图4是本发明提供的超声振动平台立体结构图；
[0041]图5是本发明提供的超声振动平台侧视图；
[0042]图6是本发明提供的超声振动平台俯视图；
[0043]图7是本发明提供的振动板的结构示意图；
[0044]图8是本发明安装孔点阵确定原理图。
[0045]图中:
[0046]1、隔振工作台；11、螺纹孔；2、立柱；3、横梁；4、主轴组件；5、吸振台；6、三向微进给系统；61、X向微进给导轨；62、Y向微进给导轨；63、Z向微进给导轨；7、超声振动平台；70、振动板；71、承载板；72、检测装置；73、振动平台基体；74、直线滚动单元；75、压电叠层作动器；76、水槽；77、夹具；78、弹簧片；79、微调装置；8、工件。【具体实施方式】
[0047]下面结合附图并通过【具体实施方式】来进一步说明本发明的技术方案。
[0048]实施例一:
[0049]如图1至图3所示，是本发明提供的一种超声微磨削加工设备，包括隔振工作台1，所述隔振工作台I上设置有均布有25x25的螺纹孔11，优选的，所述螺纹孔11为M5螺纹孔，所述螺纹孔11用于安装超声微磨削加工设备中的其他部件。所述隔振工作台I上固定有左右对称设置的立柱2，所述立柱2之间通过横梁3连接，所述立柱2为T型导槽立柱，与所述横梁3构成龙门式机架。所述横梁3上设置有带动磨削装置高速旋转的主轴组件4，所述主轴组件4的下方设置有超声振动平台7，所述超声振动平台7为由压电叠层作动器75驱动，以极坐标系为工作坐标系的二维超声振动平台。
[0050]其中，所述磨削装置为微型砂磨轮，所述微型砂磨轮的直径为1_-5_ ;所述微型砂磨轮在所述主轴组件4的带动下进行高速旋转,转速在5000r/min—50000r/min。
[0051]所述隔振工作台I上还设置有吸振台5，所述吸振台5为大理石吸振台。所述吸振台5设置于所述横梁3的下方，位于所述立柱2之间；所述吸振台5的上方设置有三向微进给系统6，所述三向微进给系统6通过承载板71连接有检测装置72，所述检测装置72为测力计，所述检测装置72的上方设置有超声振动平台7。所述横梁3的上表面和侧面均设置有用于安装所述主轴组件4的固定孔，以对所述工件8进行端面磨削或周向磨削，本实施例中的所述主轴组件4固定于所述横梁3的侧面对所述工件8进行端面磨削。
[0052]所述三向微进给系统6包括X向微进给导轨61、Y向微进给导轨62、Ζ向微进给导轨63，所述X向微进给导轨61与所述吸振台5接触连接，所述X向微进给导轨61上方依次设置有Y向进给导轨62和Z向微进给导轨63。所述三向微进给系统6通过在Χ、Υ、Ζ方向的移动，带动所述超声振动平台7运动，进而对固定于所述超声振动平台7内的工件8进行磨削加工。
[0053]如图4至图7所示，所述超声振动平台7包括与所述检测装置72相连接的振动平台基体73，所述振动平台基体73的内部设置有振动板70，所述振动板70通过沉头螺钉固定于所述直线滚动单元74所述直线滚动单元74优选为THK直线滚动单元，所述直线滚动单元74用于对振动板70进行固定和支承，同时对所述振动板70进行导向，所述THK直线滚动单元使用配套的说明书进行安装，并配合使用相应的润滑装置和防护装置，保证所述THK直线滚动单元保持良好的工作状态。所述振动板70的上方固定有用于固定工件8的夹具77 ;所述振动板70的左侧面上连接有压电叠层作动器75，所述压电叠层作动器75的工作频率为16 — 23ΚΗζ，工作振幅为O —15 μ m。所述振动板70的右侧连接有发出振动的压电叠层作动器75，压电叠层作动器能够对发出的超声信号进行频率和振幅的调节，所述压电叠层作动器75通过螺钉与所述振动板70相连接。所述振动板70的上表面上设置有用于安装夹具77的安装孔点阵，将固定有工件的所述夹具77安装于预设定的所述安装孔点阵上以使得工件定位方向与所述压电叠层作动器75发出的超声振动方向成预设定角度。
[0054]所述振动板70的左侧设置有微调装置79，所述微调装置79优选为螺钉微调系统；所述振动板70通过弹簧片78以高副的形式连接有所述微调装置79，所述弹簧片78优选为弓形弹簧片。所述弹簧片78通过滑条与所述螺钉微调系统中的微调螺钉相连接，通过调节所述微调螺钉实现对所述振动板70的位置进行调节。[0055]沿所述振动板70的边沿设置有可拆卸的水槽76，便于对所述工件8进行湿磨削或干磨削加工，本实施例中设置有所述水槽76，用于对所述工件8进行湿磨削加工。
[0056]如图7所示，本发明提供的振动板70，所述振动板70的上表面上设置有安装孔点阵，所述安装孔点阵包含有8个安装孔A、B、C、D、E、F、G、H，还包含有4个用于与所述直线滚动单元74相连接固定的沉头孔。WA-HS个安装孔中选出4个欲设定的安装孔，将夹具77安装固定于选定的4个安装孔上，能够实现夹具和工件能够以15°等间隔沿安装孔点阵的几何中心旋转安装。
[0057]图8是本发明中安装孔点阵确定的原理，在直角坐标系中，建立一个单位圆0，再以该圆与X轴正向交点A为圆心，AB长为半径，分别绘制出以B、C、D为圆心的各圆，与圆A构成一组等半径的圆，标记出在圆O内，各个圆的交点E、F、G和H。点A-H这八个点即为所要加工的安装孔，由此A-H这8个孔组成的图形为安装孔点阵，便可以实现圆周范围内的15度等分操作。例如，超声振动向沿X轴方向进行，则只需在A-H这八点组成的安装孔点阵中找到合适的两点连线，将夹具77沿该连线定位于振动板70上，即可实现工件与超声振动方向的圆周范围内的15度分度等分操作(图中直线CA、CE、CF、CB、BF、BG、BD、BH、BE、AB、AE、AF、AC就可实现与X轴的180度范围内的15度分度，依据图形对称性可以实现圆周范围内的等分操作)。
[0058]表I安装孔点阵安装布置表
[0059]
【权利要求】
1.一种超声微磨削加工设备，包括隔振工作台(1)，所述隔振工作台(I)上固定有左右对称设置的立柱(2)，所述立柱(2)之间通过横梁(3)连接，所述横梁(3)上设置有带动磨削装置高速旋转的主轴组件(4)，其特征在于:所述主轴组件(4)的下方设置有超声振动平台(7)，所述超声振动平台(7)为由压电叠层作动器(75)驱动，以极坐标系为工作坐标系的二维超声振动平台。
2.根据权利要求1所述的一种超声微磨削加工设备，其特征在于:所述隔振工作台(I)上还设置有吸振台(5)，所述吸振台(5)设置于所述横梁(3)的下方，位于所述立柱(2)之间； 所述吸振台(5)的上表面设置有三向微进给系统(6)，所述三向微进给系统(6)通过承载板(71)连接有检测装置(72)； 所述检测装置(72)的上表面设置有超声振动平台(7)。
3.根据权利要求1所述的一种超声微磨削加工设备，其特征在于:所述超声振动平台(7)包括与所述检测装置(72)相连接的振动平台基体(73)，所述振动平台基体(73)的内部设置有振动板(70)，所述振动板(70)的下表面设置有对所述振动板(70)进行导向的直线滚动单元(74)，所述振动板(70)的上表面设置有用于固定工件(8)的夹具(77)； 所述振动板(70)的一个侧面上连接有压电叠层作动器(75)，相对的所述振动板(70)的另一个侧面上通过弹簧片(78 )连接有微调装置(79 )。
4.根据权利要求3所述的一种超声微磨削加工设备，其特征在于:沿所述振动板(70)的边沿设置有可拆卸的水槽(76)，便于对所述工件(8)进行湿磨削或干磨削加工。
5.根据权利要求4所`述的一种超声微磨削加工设备，其特征在于:所述振动板(70)上设置有安装孔点阵，将固定有工件的所述夹具(77)安装于预设定的所述安装孔点阵上以使得工件定位方向与所述压电叠层作动器(75)发出的超声振动方向成预定角度。
6.根据权利要求1所述的一种超声微磨削加工设备，其特征在于:所述横梁(3)的上表面和侧面均设置有用于安装所述主轴组件(4)的固定孔，所述主轴组件(4)上设置有所述磨削装置，所述磨削装置对所述工件(8)进行端面磨削或周向磨削。
7.根据权利要求6所述的一种超声微磨削加工设备，其特征在于:所述磨削装置为微型砂磨轮，所述微型砂磨轮的直径为； 所述微型砂磨轮在所述主轴组件(4)的带动下进行高速旋转，转速在5000r/min—50000r/min。
8.根据权利要求3所述的一种超声微磨削加工设备，其特征在于:所述压电叠层作动器(75)的工作频率为16 — 23KHz，工作振幅为O —15 μ m。
9.一种超声微磨削加工工艺,使用如权利要求1-8任一项所述的超声微磨削加工设备对工件进行加工，其特征在于，包括以下步骤: A确定所述夹具(77)在所述振动板(70)上的安装位置；确定对工件进行加工选用的超声振动形式、确定是否安装所述水槽(76)、确定选用进行加工的微型砂磨轮的尺寸； B将工件(8)安装在所述夹具(77)上，并将所述夹具(77)固定于所述振动板(70)上，使用水平仪对所述夹具(77)进行调平，选用湿磨削加工时，将所述水槽(76)安装于所述振动板(70)上； C根据工件(8)要进行加工的端面，确定将所述主轴组件(4)安装于所述横梁(3)的侧面或是上表面，对工件进行端面磨削或是圆周磨削；D开启所述主轴组件(4)、压电叠层作动器(75)和三向微进给系统(6)对工件(8)进行超声微磨削加工，所述微调装置(79)对振动板(70)作行程微量补偿，所述直线滚动单元(74)对所述振动板(70)进行导向； E观察加工过程中的现象，并记录数据结果。
【文档编号】B24B41/00GK103769959SQ201410040008
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月27日 优先权日:2014年1月27日
【发明者】李辉, 张建华, 张小俊, 曹志民, 魏智 申请人:河北工业大学