用于精密加工的多功能超声实验装置的制作方法

本发明属于精密超精密机械加工技术领域，具体涉及一种用于精密加工的多功能超声实验装置。

背景技术：

随着精密超精密加工技术的发展，超声振动加工技术在硬脆材料和陶瓷等难加工材料的应用越来越广。超声磨削作为精密超精密加工方法之一，在加工领域起着关键的作用。磨削过程的本质是基于砂轮表面随机分布的磨粒进行的滑擦、耕犁和切削作用的综合，对磨削过程的探究是深入认识和提高该方法的主要途径。单颗磨粒作为磨削加工的基本单元，在作用过程中不受其他磨粒的影响，成为研究复杂超声辅助磨削过程的有效手段。

在磨削过程中，砂轮工件表面的磨粒会逐渐磨钝，随之导致磨削力增大，磨削温度上升，发生颤振和烧伤，影响被加工零件的表面完整性。因此，砂轮的及时修整可以有效的改善加工质量。在现有的砂轮修整方法中，超声振动修整通过对修整工具施加超声振动，通过改变超声振动的频率和振幅，改善修整条件，由原来的连续车削变成间断冲击，从而导致修整后的磨粒切削刃更为锋利。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种工艺简单、操作方便、可以分别实现砂轮修整和单颗磨粒磨削的用于精密加工的多功能超声实验装置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：用于精密加工的多功能超声实验装置，包括机床工作台、工具夹持回转系统、超声振动系统、刀具组件和对刀系统；工具夹持回转系统和对刀系统均设置在机床工作台上，超声振动系统上端连接在机床主轴下端部，刀具组件设置在超声振动系统的下端部；对刀系统检测刀具组件与夹持在工具夹持回转系统上的工具之间的声发射信号实现对刀。

工具夹持回转系统包括变频电机、联轴器、蜗轮蜗杆减速机和回转工作台组成，变频电机和蜗轮蜗杆减速机设置在机床工作台上，变频电机的输出轴与蜗轮蜗杆减速机的输入轴通过联轴器传动连接，蜗轮蜗杆减速机的输出轴垂直向上设置并与回转工作台相连接，回转工作台上开设用于固定夹具的t型槽。

超声振动系统包括超声波电源、换能器、传振杆、变幅杆、支撑筒、上感应盘和下感应盘，上感应盘和下感应盘均呈圆环盘形，上感应盘和下感应盘上下对应且为无线传输，超声波电源与无线传输的上感应盘通过导线连接，换能器与无线传输的下感应盘通过导线连接，实现电能的传输，无线传输的上感应盘通过紧固装置与机床主轴下端同轴向连接，支撑筒设置在上感应盘和下感应盘的中心孔之间，下感应盘通过紧固螺钉固定于支撑筒；换能器与传振杆均设置在支撑筒内，换能器设置在传振杆顶部，换能器顶部设置有盖板，换能器、传振杆和盖板之间通过第一螺栓连接，传振杆下端与变幅杆上端通过第一双头螺栓固定连接，变幅杆中部设置有法兰盘，法兰盘通过第二螺栓与支撑筒下端固定连接，变幅杆采用非对称夹角式变幅杆，刀具组件安装在变幅杆的下端。

刀具组件包括刀具基体和单颗粒刀具，单颗粒刀具通过电镀工艺固结在刀具基体上，刀具基体通过第二双头螺栓与变幅杆的下端部相连接。

对刀系统包括依次通过数据线连接的声发射传感器、电荷放大器、数据采集卡和计算机组成，声发射传感器检测刀具组件与工具之间的声发射信号实现对刀。

工具为圆盘类零件、柱类零件、环型零件或砂轮。

采用上述技术方案，本发明进行实验时具有五种工作模式：

第一、单颗粒外圆的磨削：将工具放置在回转工作台上并使用夹具夹紧，调整机床工作台水平移动，使工具的外圆与单颗粒刀具接触，观测计算机，当工具的外圆与单颗粒刀具接触的瞬间，声发射信号突变，对刀成功，然后启动变频电机，实现工具的回转，接着开启超声波电源，机床主轴控制单颗粒刀具沿垂直方向往复运动，从而实现单颗粒外圆的超声振动磨削；在磨削过程中关闭超声波电源，进行单颗粒外圆的普通磨削。

第二、单颗粒内圆的磨削：将工具放置在回转工作台上并使用夹具夹紧，调整机床工作台水平移动，以及机床主轴的垂直向下移动，使工具的内圆与单颗粒刀具接触，观测计算机，当工具的内圆与单颗粒刀具接触的瞬间，声发射信号突变，对刀成功，然后启动变频电机，实现工具的回转，接着开启超声波电源，机床主轴控制单颗粒刀具沿垂直方向往复运动，从而实现单颗粒内圆的超声振动磨削；在磨削过程中关闭超声波电源，进行单颗粒内圆的普通磨削。

第三、单颗粒外圆的刻划：将工具放置在回转工作台上并使用夹具夹紧，调整机床工作台水平移动，使工具的外圆的设定高度与单颗粒刀具接触，观测计算机，当工具的外圆与单颗粒刀具接触的瞬间，声发射信号突变，对刀成功，然后启动变频电机，实现工具的回转，接着开启超声波电源，固定单颗粒刀具，微调机床工作台水平移动，从而实现单颗粒外圆的超声振动刻划实验；在刻划过程中关闭超声波电源，进行单颗粒外圆的普通刻划实验。

第四、单颗粒内圆的刻划：将工具放置在回转工作台上并使用夹具夹紧，调整机床工作台水平移动，以及机床主轴的垂直向下移动，使工具的内圆的设定高度与单颗粒刀具接触，观测计算机，当工具的内圆与单颗粒刀具接触的瞬间，声发射信号突变，对刀成功，然后启动变频电机，实现工具的回转，接着开启超声波电源，固定单颗粒刀具，微调机床工作台水平移动，从而实现单颗粒内圆的超声振动刻划实验；在刻划过程中关闭超声波电源，进行单颗粒内圆的普通刻划实验。

第五、砂轮外圆的修整：将工具（砂轮）放置在回转工作台上并使用夹具夹紧，调整机床工作台水平移动，使砂轮的外圆与单颗粒刀具接触，观测计算机，当工具的外圆与单颗粒刀具接触的瞬间，声发射信号突变，对刀成功，然后启动变频电机，实现砂轮的回转，接着开启超声波电源，固定单颗粒刀具，机床工作台沿垂直方向往复移动，从而实现对砂轮的超声振动修整；在修整过程中关闭超声波电源，进行砂轮的普通修整。

综上所述，本发明将超声振动单颗粒刀具应用于磨削和砂轮的修整，可以实现单颗粒磨削和单颗粒的划刻，同时可以实现对工具砂轮的修整，为精密超精密的加工提供实验依据。

本发明根据工具的结构特点，采用不同的修整工具和单颗粒磨粒对工具和工件进行修整和加工，可以提高修整效率和加工效率，达到对修整和加工效果可控的目的。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是实施例一运动示意图；

图3是实施例二运动示意图；

图4是实施例三运动示意图；

图5是实施例四运动示意图；

图6是实施例五运动示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的用于精密加工的多功能超声实验装置，包括机床工作台1、工具夹持回转系统、超声振动系统、刀具组件29和对刀系统；工具夹持回转系统和对刀系统均设置在机床工作台1上，超声振动系统上端连接在机床主轴2下端部，刀具组件29设置在超声振动系统的下端部；对刀系统检测刀具组件29与夹持在工具夹持回转系统上的工具之间的声发射信号实现对刀。

工具夹持回转系统包括变频电机3、联轴器4、蜗轮蜗杆减速机5和回转工作台6组成，变频电机3和蜗轮蜗杆减速机5设置在机床工作台1上，变频电机3的输出轴与蜗轮蜗杆减速机5的输入轴通过联轴器4传动连接，蜗轮蜗杆减速机5的输出轴垂直向上设置并与回转工作台6相连接，回转工作台6上开设用于固定夹具7的t型槽。

超声振动系统包括超声波电源8、换能器9、传振杆10、变幅杆11、支撑筒12、上感应盘13和下感应盘14，上感应盘13和下感应盘14均呈圆环盘形，上感应盘13和下感应盘14上下对应且为无线传输，超声波电源8与无线传输的上感应盘13通过导线连接，换能器9与无线传输的下感应盘14通过导线连接，实现电能的传输，无线传输的上感应盘13通过紧固装置与机床主轴2下端同轴向连接，支撑筒12设置在上感应盘13和下感应盘14的中心孔之间，下感应盘14通过紧固螺钉15固定于支撑筒12；换能器9与传振杆10均设置在支撑筒12内，换能器9设置在传振杆10顶部，换能器9顶部设置有盖板16，换能器9、传振杆10和盖板16之间通过第一螺栓17连接，传振杆10下端与变幅杆11上端通过第一双头螺栓18固定连接，变幅杆11中部设置有法兰盘19，法兰盘19通过第二螺栓20与支撑筒12下端固定连接，变幅杆11采用非对称夹角式变幅杆11，刀具组件29安装在变幅杆11的下端。

刀具组件29包括刀具基体21和单颗粒刀具22，单颗粒刀具22通过电镀工艺固结在刀具基体21上，刀具基体21通过第二双头螺栓23与变幅杆11的下端部相连接。

对刀系统包括依次通过数据线连接的声发射传感器24、电荷放大器25、数据采集卡26和计算机27组成，声发射传感器24检测刀具组件29与工具之间的声发射信号实现对刀。

工具为圆盘类零件、柱类零件、环型零件或砂轮。

本发明中的工具回转系统、超声振动系统、支撑筒、对刀系统、刀具组件29均为成熟的技术，具体结构不再进行叙述。

本发明进行实验时具有五种工作模式，即具有五种具体实施例：

实施例一，如图1所示，单颗粒外圆的磨削：将工具28放置在回转工作台6上并使用夹具7夹紧，调整机床工作台1水平移动，使工具28的外圆与单颗粒刀具22接触，观测计算机27，当工具28的外圆与单颗粒刀具22接触的瞬间，声发射信号突变，对刀成功，然后启动变频电机3，实现工具28的回转，接着开启超声波电源8，机床主轴2控制单颗粒刀具22沿垂直方向往复运动，从而实现单颗粒外圆的超声振动磨削；在磨削过程中关闭超声波电源8，进行单颗粒外圆的普通磨削。

实施例二，如图2所示，单颗粒内圆的磨削：将工具28放置在回转工作台6上并使用夹具7夹紧，调整机床工作台1水平移动，以及机床主轴2的垂直向下移动，使工具28的内圆与单颗粒刀具22接触，观测计算机27，当工具28的内圆与单颗粒刀具22接触的瞬间，声发射信号突变，对刀成功，然后启动变频电机3，实现工具28的回转，接着开启超声波电源8，机床主轴2控制单颗粒刀具22沿垂直方向往复运动，从而实现单颗粒内圆的超声振动磨削；在磨削过程中关闭超声波电源8，进行单颗粒内圆的普通磨削。

实施例三，如图3所示，单颗粒外圆的刻划：将工具28放置在回转工作台6上并使用夹具7夹紧，调整机床工作台1水平移动，使工具28的外圆的设定高度与单颗粒刀具22接触，观测计算机27，当工具28的外圆与单颗粒刀具22接触的瞬间，声发射信号突变，对刀成功，然后启动变频电机3，实现工具28的回转，接着开启超声波电源8，固定单颗粒刀具22，微调机床工作台1水平移动，从而实现单颗粒外圆的超声振动刻划实验；在刻划过程中关闭超声波电源8，进行单颗粒外圆的普通刻划实验。

实施例四，如图4所示，单颗粒内圆的刻划：将工具28放置在回转工作台6上并使用夹具7夹紧，调整机床工作台1水平移动，以及机床主轴2的垂直向下移动，使工具28的内圆的设定高度与单颗粒刀具22接触，观测计算机27，当工具28的内圆与单颗粒刀具22接触的瞬间，声发射信号突变，对刀成功，然后启动变频电机3，实现工具28的回转，接着开启超声波电源8，固定单颗粒刀具22，微调机床工作台1水平移动，从而实现单颗粒内圆的超声振动刻划实验；在刻划过程中关闭超声波电源8，进行单颗粒内圆的普通刻划实验。

实施例五，如图5所示，砂轮外圆的修整：将工具28（砂轮）放置在回转工作台6上并使用夹具7夹紧，调整机床工作台1水平移动，使砂轮的外圆与单颗粒刀具22接触，观测计算机27，当工具28的外圆与单颗粒刀具22接触的瞬间，声发射信号突变，对刀成功，然后启动变频电机3，实现砂轮的回转，接着开启超声波电源8，固定单颗粒刀具22，机床工作台1沿垂直方向往复移动，从而实现对砂轮的超声振动修整；在修整过程中关闭超声波电源8，进行砂轮的普通修整。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。