复合砂轮粗加工与超声辅助精加工的成形机床及控制方法与流程

本发明属于硬脆材料精密加工领域，尤其涉及一种复合砂轮粗加工与超声辅助精加工的高效成形机床及控制方法。

背景技术：

随着技术突飞猛进的进步，作为技术基石的构成材料在范围上也变得越来越宽泛，原先难以被利用的石英、陶瓷、金属化合物以及光学玻璃等硬脆材料也随着技术的革新得到了广泛的使用。传统的车铣刨磨方法难以像加工黑色金属那样游刃有余地加工硬脆材料，因而关于硬脆材料精密加工的方法和手段成为研究的焦点热门。而作为这些逐渐成熟技术中一种，超声加工能很好地适应于硬脆材料的加工制造。经过大量学者的研究，超声振动辅助加工在减小磨削用力、提高工件表面光洁度方面有相当突出的作用。但目前大量使用的超声振动磨料冲击加工存在加工效率低，刀具磨损严重的缺点，所以开发出新型、高效、经济的硬脆材料精密加工工具系统有重要的理论意义与实用价值。

技术实现要素：

本发明提供一种复合砂轮粗加工与超声辅助精加工的成形机床及控制方法，以解决现有的基于超声振动磨料冲击加工的成形机床加工效率低，刀具磨损严重的问题。

本发明采用的技术方案是，包括龙门、z向导轨一、砂轮磨削工具、超声工具系统、z向导轨二、底座、y向导轨、x向导轨、旋转摆动双轴转台，其中两个龙门分别通过螺栓固定连接在底座的左右两侧，y向导轨通过螺栓纵向固定连接在底座上面的中间位置，x向导轨通过螺栓横向固定安装在y向导轨的溜板上，旋转摆动双轴转台通过螺栓纵向固定安装在x向导轨的溜板上，z向导轨一通过螺栓固定连接在左侧龙门右侧的中间位置，磨削工具通过螺栓固定连接在z向导轨一的溜板上，所述的z向导轨二通过螺栓固定连接在右侧龙门左侧的中间位置，所述的超声工具系统通过螺栓固定连接在z向导轨二的溜板上。

所述砂轮磨削工具包括电动推杆、上轴承座、底座、空心轴电机、空心轴、开口螺纹套、下轴承座、砂轮固定端盖、砂轮、锥形花键轴、下轴承、上轴承，其中上轴承座通过螺钉连接在底座的上端，下轴承座通过螺钉连接在底座的下端，上轴承通过卡圈固定安装在上轴承座内，下轴承通过卡圈固定安装在下轴承座内，空心轴电机通过两端固定连接在底座中间，空心轴通过螺钉固定连接在空心轴电机的转子，且空心轴的上下两端穿过下轴承和上轴承，电动推杆通过螺钉连接在上轴承座上端，且电动推杆的推杆与空心轴滑动连接，开口螺纹套与电动推杆的伸缩杆固定连接，锥形花键轴和开口螺纹套通过螺纹连接，且和空心轴通过锥花键连接，砂轮通过砂轮固定端盖和锥形花键轴的固定连接。

所述的超声工具系统包括电机、联轴器、传动轴、供电滑环、夹心式压电换能器、在线测量仪、电机支撑座、底座、超声电源，其中电机支撑座通过螺钉固定连接在底座上，超声电源通过螺钉固定连接在底座上，所述的在线测量仪固定连接在压电换能器上侧，压电换能器通过螺钉固定连接在底座上,联轴器通过键连接与电机的主轴固定连接，传动轴通过键连接在联轴器上，且与工具头旋转轴通过螺钉固定连接，供电滑环的内环与传动轴固定连接，且外环与超声电源固定连接。

所述的夹心式压电换能器包括上端盖、传动轴套、轴承、底座、螺栓、换能器前盖板、压电陶瓷片、铜电极环片、变幅杆、空心转轴，其中上端盖通过螺钉固定连接在底座上端，空心转轴通过轴承采用两端固定的方式固定在底座内，传动轴套通过螺钉固定连接在空心转轴的上端，换能器前盖板、压电陶瓷片、铜电极环片通过螺栓固定连接在变幅杆上端，变幅杆通过螺钉与换能器前盖板下端固定连接，且与空心转轴下端通过螺钉固定连接。

所述的旋转摆动双轴转台包括左转台、连接板、工件装夹系统、右转台、底座、转台，其中左转台通过螺钉固定连接在底座上侧，右转台通过螺钉固定连接在底座上侧，连接板通过螺钉与左转台右侧固定连接，且与右转台左侧通过螺钉固定连接，转台通过螺钉固定连接在连接板上侧，工件装夹系统通过螺钉固定连接在转台的上侧。

所述的左转台包括端盖一、转台座一、编码盘、空心轴电机一、法兰盘一、转盘一、轴承一，其中空心轴电机一通过螺钉连接在端盖一右侧，端盖一通过螺钉固定连接在转台座一左侧，编码盘通过螺钉固定连接在转台座一上侧，法兰盘一通过螺钉固定连接在空心轴电机一的转子上，轴承一通过固定外圈固定在转台座一内，转盘一通过螺钉固定连接在法兰盘一上，且通过轴承一的内圈。

所述的转台包括转盘二、轴承二、转台座二、底座、空心轴电机二、法兰盘二，其中空心轴电机二通过螺钉固定连接在底座上，转台座二通过螺钉固定连接在底座上，法兰盘二通过螺钉固定连接空心轴电机二的转子上，轴承二通过固定外圈固定在转台座二内，转盘二通过螺钉固定连接在法兰盘二上，且通过轴承二的内圈。

所述的右转台包括转盘三、转台座三、端盖二、轴承三、圆螺母，其中端盖二通过螺钉固定连接在转台座三右侧，所述轴承三通过固定外圈固定在转台座三内，所述的转盘三通过轴承三的内圈，且通过圆螺母卡紧。

一种复合砂轮粗加工与超声辅助精加工的成形机床控制方法，包括下列步骤：

(一)、粗加工

将工件毛坯通过夹具固定安装在工作台之后，先采用砂轮磨削的方式进行粗加工，粗加工过程中，x、y向导轨带动工作台实现水平面内的运动，z向导轨控制砂轮垂直方向上的进给，旋转摆动双轴转台会根据工件加工表面形状和刀具加工位置实时调整，保证工件毛坯表面和刀具之间的角度；

(二)、精加工

工件经过粗加工之后采用旋转超声加工精加工,其原理是将超声振动工具的锤击运动和工具旋转的磨削作用结合在一起，加工轨迹的实现通过x、y向导轨带动工作台实现水平面内的运动，z向导轨控制垂直方向上的进给，旋转摆动双轴转台保证工件毛坯表面和刀具之间的角度；

(三)、测量及反求重构

工件毛坯经过粗、精加工之后采用在线测量仪对工件表面采集数据，通过对采集对数据进行处理，反求工件重构模型，同时还要对工件的表面质量进行测量。通过对比工件重构模型和工件设计模型，当重构模型的形状、位置精度和表面质量满足设计模型要求时，工件加工完成；当重构模型的形状、位置精度和表面质量不满足设计模型要求时，对不满足设计要求的区域根据加工工艺分配加工余量然后按步骤一、步骤二、步骤三的顺序继续加工；

(四)、旋转超声加工中的频率跟踪

要保证旋转超声加工的进行和效率，必须保证超声振动系统始终工作在系统的谐振频率下，此时换能器的输出振幅最大，但是在实际加工时,换能器的谐振频率将会发生漂移,这是因为加工过程中负载时刻变化、随着加工进行工具头磨损越来越严重、换能器发热等因素的影响，如果不及时调整，整个振动系统就会失谐,输出振幅减小甚至消失,会使压电转换效率降低甚至丧失超声加工的能力；

采用复合频率跟踪，即同时采用最大电流法和锁相法，软件中设定一个电流门槛值，当检测电流小于门槛电流时，利用软件根据变频搜索法调整超声波发生器的频率,使其向系统谐振频率靠拢,一旦进入锁相环电路的捕获带范围,则利用锁相环电路进行频率调整,直到超声波发生器的输出频率等于整个振动系统的谐振频率上。

机床采用砂轮进行粗加工，采用旋转超声振动磨削工具完成精加工，工作台为旋转摆动双轴转台，旋转超声振动辅助磨削系统由旋转磨削部分以及超声共振体部分所组成，旋转超声振动磨削部分即为旋转加工主轴的结构，主要作用是带动超声共振体旋转、支承以及连接，而超声共振体即为夹心式换能器、变幅杆、压电叠堆以及其它连接部分，主要作用是产生超声震动，并传递给变幅杆。

本发明的有益效果如下：

(1)对于硬脆材料加工本发明通过采用砂轮磨削进行粗加工大量去除材料，然后采用超声加工进行精加工，保证尺寸精度和几何精度，效率高经济效益好；

(2)本发明超声加工将旋转加工与共振型的超声振动加工复合，与最基本的超声加工方法磨料冲击加工相比，旋转超声振动辅助磨削加工在减小刀具磨损的同时提高了磨削加工的效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明砂轮磨削工具的剖视图；

图3是本发明开口螺纹套的结构示意图；

图4是本发明超声工具系统的结构示意图；

图5是本发明夹心式压电换能器的剖视图；

图6是本发明旋转摆动双轴转台结构示意图；

图7是本发明左转台剖视图；

图8是本发明转台剖视图；

图9是本发明右转台剖视图。

具体实施方式

如图1所示，包括龙门1、z向导轨一2、砂轮磨削工具3、超声工具系统4、z向导轨二5、底座6、y向导轨7、x向导轨8、旋转摆动双轴转台9，其中两个龙门1分别通过螺栓固定连接在底座6的左右两侧，y向导轨7通过螺栓纵向固定连接在底座6上面的中间位置，x向导轨8通过螺栓横向固定安装在y向导轨7的溜板上，旋转摆动双轴转台9通过螺栓纵向固定安装在x向导轨8的溜板上，z向导轨一2通过螺栓固定连接在左侧龙门1右侧的中间位置，磨削工具3通过螺栓固定连接在z向导轨一2的溜板上，所述的z向导轨二5通过螺栓固定连接在右侧龙门1左侧的中间位置，所述的超声工具系统4通过螺栓固定连接在z向导轨二5的溜板上。

如图2、3所示，所述砂轮磨削工具3包括电动推杆301、上轴承座302、底座303、空心轴电机304、空心轴305、开口螺纹套306、下轴承座307、砂轮固定端盖308、砂轮309、锥形花键轴310、下轴承311、上轴承312，其中上轴承座302通过螺钉连接在底座303的上端，下轴承座307通过螺钉连接在底座303的下端，上轴承312通过卡圈固定安装在上轴承座302内，下轴承311通过卡圈固定安装在下轴承座307内，空心轴电机304通过两端固定连接在底座303中间，空心轴305通过螺钉固定连接在空心轴电机304的转子，且空心轴的上下两端穿过下轴承311和上轴承312，电动推杆301通过螺钉连接在上轴承座302上端，且电动推杆301的推杆与空心轴305滑动连接，开口螺纹套306与电动推杆301的伸缩杆固定连接，锥形花键轴310和开口螺纹套306通过螺纹连接，且和空心轴305通过锥花键连接，砂轮309通过砂轮固定端盖308和锥形花键轴310的固定连接。

如图4所示，所述的超声工具系统4包括电机401、联轴器402、传动轴403、供电滑环404、夹心式压电换能器405、在线测量仪406、电机支撑座407、底座408、超声电源409，其中电机支撑座407通过螺钉固定连接在底座408上，超声电源409通过螺钉固定连接在底座408上，所述的在线测量仪406固定连接在压电换能器405上侧，压电换能器405通过螺钉固定连接在底座408上,联轴器402通过键连接与电机401的主轴固定连接，传动轴403通过键连接在联轴器402上，且与工具头旋转轴通过螺钉固定连接，供电滑环404的内环与传动轴403固定连接，且外环与超声电源408固定连接。

如图5所示，所述的夹心式压电换能器405包括上端盖40501、传动轴套40502、轴承40503、底座40504、螺栓40505、换能器前盖板40506、压电陶瓷片40507、铜电极环片40508、变幅杆40509、空心转轴40510，其中上端盖40501通过螺钉固定连接在底座40504上端，空心转轴40510通过轴承40503采用两端固定的方式固定在底座40504内，传动轴套40502通过螺钉固定连接在空心转轴40510的上端，换能器前盖板40506、压电陶瓷片40507、铜电极环片40508通过螺栓40505固定连接在变幅杆40509上端，变幅杆40509通过螺钉与换能器前盖板40506下端固定连接，且与空心转轴40510下端通过螺钉固定连接。

如图6所示，所述的旋转摆动双轴转台9包括左转台901、连接板902、工件装夹系统903、右转台904、底座905、转台906，其中左转台901通过螺钉固定连接在底座905上侧，右转台904通过螺钉固定连接在底座905上侧，连接板902通过螺钉与左转台901右侧固定连接，且与右转台904左侧通过螺钉固定连接，转台906通过螺钉固定连接在连接板902上侧，工件装夹系统903通过螺钉固定连接在转台906的上侧。

如图7所示，所述的左转台901包括端盖一90101、转台座一90102、编码盘90103、空心轴电机一90104、法兰盘一90105、转盘一90106、轴承一90107，其中空心轴电机一90104通过螺钉连接在端盖一90101右侧，端盖一90101通过螺钉固定连接在转台座一90102左侧，编码盘90103通过螺钉固定连接在转台座一90102上侧，法兰盘一90105通过螺钉固定连接在空心轴电机一90104的转子上，轴承一90107通过固定外圈固定在转台座一90102内，转盘一90106通过螺钉固定连接在法兰盘一90105上，且通过轴承一90107的内圈。

如图8所示，所述的转台906包括转盘二90601、轴承二90602、转台座二90603、底座90604、空心轴电机二90605、法兰盘二90606，其中空心轴电机二90605通过螺钉固定连接在底座90604上，转台座二90603通过螺钉固定连接在底座90604上，法兰盘二90606通过螺钉固定连接空心轴电机二90605的转子上，轴承二90602通过固定外圈固定在转台座二90603内，转盘二90601通过螺钉固定连接在法兰盘二90606上，且通过轴承二90602的内圈。

如图9所示，所述的右转台904包括转盘三90401、转台座三90402、端盖二90403、轴承三90404、圆螺母90405，其中端盖二90403通过螺钉固定连接在转台座三90402右侧，所述轴承三90404通过固定外圈固定在转台座三90402内，所述的转盘三90401通过轴承三90404的内圈，且通过圆螺母90405卡紧。

一种复合砂轮粗加工与超声辅助精加工的成形机床控制方法，包括下列步骤：

(一)、粗加工

将工件毛坯通过夹具固定安装在工作台之后，先采用砂轮磨削的方式进行粗加工，粗加工过程中，x、y向导轨带动工作台实现水平面内的运动，z向导轨控制砂轮垂直方向上的进给，旋转摆动双轴转台会根据工件加工表面形状和刀具加工位置实时调整，保证工件毛坯表面和刀具之间的角度；

(二)、精加工

工件经过粗加工之后采用旋转超声加工精加工,其原理是将超声振动工具的锤击运动和工具旋转的磨削作用结合在一起，加工轨迹的实现通过x、y向导轨带动工作台实现水平面内的运动，z向导轨控制垂直方向上的进给，旋转摆动双轴转台保证工件毛坯表面和刀具之间的角度；

(三)、测量及反求重构

工件毛坯经过粗、精加工之后采用在线测量仪对工件表面采集数据，通过对采集对数据进行处理，反求工件重构模型，同时还要对工件的表面质量进行测量。通过对比工件重构模型和工件设计模型，当重构模型的形状、位置精度和表面质量满足设计模型要求时，工件加工完成；当重构模型的形状、位置精度和表面质量不满足设计模型要求时，对不满足设计要求的区域根据加工工艺分配加工余量然后按步骤一、步骤二、步骤三的顺序继续加工；

(四)、旋转超声加工中的频率跟踪

要保证旋转超声加工的进行和效率，必须保证超声振动系统始终工作在系统的谐振频率下，此时换能器的输出振幅最大，但是在实际加工时,换能器的谐振频率将会发生漂移,这是因为加工过程中负载时刻变化、随着加工进行工具头磨损越来越严重、换能器发热等因素的影响，如果不及时调整，整个振动系统就会失谐,输出振幅减小甚至消失,会使压电转换效率降低甚至丧失超声加工的能力；

采用复合频率跟踪，即同时采用最大电流法和锁相法，软件中设定一个电流门槛值，当检测电流小于门槛电流时，利用软件根据变频搜索法调整超声波发生器的频率,使其向系统谐振频率靠拢,一旦进入锁相环电路的捕获带范围,则利用锁相环电路进行频率调整,直到超声波发生器的输出频率等于整个振动系统的谐振频率上。

本发明采用砂轮磨削粗加工，然后超声辅助精加工，超声加工方式为旋转超声加工，其原理实质是上将超声振动工具的锤击运动和工具旋转的磨削作用结合在一起，是传统超声加工和金刚石磨削材料去除机理的复合，超声加工过程中通过控制频率f和流经换能器的电流i1实现超声加工过程中振动速度稳定，保证加工的质量。