一种汽车用硬脆材料三维变参数旋转超声磨削加工装置的制作方法

本发明涉及一种旋转超声磨削加工的技术领域，更具体地说它涉及一种汽车用硬脆材料三维变参数旋转超声磨削加工装置。

背景技术：

陶瓷、玻璃等硬脆材料已广泛应用于汽车发动机、点火系统及挡风玻璃的制造，由于传统的机械加工技术难以实现硬脆材料的高精度、高效加工，采用旋转超声磨削加工技术，并将金刚石磨粒的优异加工性能与金刚石刀具的超声振动相结合，将有效降低切削力、切削温度，减小刀具磨损，提高加工精度和表面质量。这为陶瓷、玻璃等硬脆材料的高效精密加工提供了新途径。

旋转超声磨削加工的振动形式主要包括：单向振动，椭圆振动和三维振动。单向振动的刀具在轴向超声振动的同时附加旋转运动，可有效抑制刀具的磨损，提高加工效率，但是恶化了硬脆材料工件的表面质量和亚表层质量，由于超声振动方向垂直于加工表面，使得该技术适合于孔类型面的磨削加工；椭圆振动通过对两组独立且垂直的压电陶瓷堆进行激振，从而使刀具在与其端面平行的x-y平面内产生椭圆形振动轨迹。与单向振动相比，由于椭圆振动平行于加工表面，使得该技术具有更低的切削力和更优的工艺效果，适用于平面类工件的加工成型，但是在刀具磨损和加工效率方面略有不足；三维振动将上述两种超声振动加工技术的优势相融合，可以满足各类复杂型面工件及加工工艺的实际需求。

公开号为cn107378655a的中国专利公开了一种多维旋转超声展成加工机构及其加工方法，该多维旋转超声展成加工机构及其加工方法包括机构底座，机构底座上设有y向进给机构，y向进给机构上设有x向进给机构，x向进给机构上设有z向进给机构，z向进给机构的上方设有绕z轴旋转的旋转进给机构c，旋转进给机构c的上方固定设有圆形底板，圆形底板上设有球形关节、x径向超声振动装置、y径向超声振动装置、绕y轴旋转的旋转进给机构b；该多维旋转超声展成加工机构将刀具的轴向（z向）振动与工作台的x-y径向超声振动相耦合，可以适应一些复杂型面的加工成型。

但是由于超声波电源功率及工作台尺寸的限制，该技术仅仅适用于尺寸较小的硬脆材料工件的三维超声振动加工，且对机床结构改动较大，结构复杂制造成本较高，对于复杂型面的运动轨迹仍然不能适应，降低了加工过程的灵活性，无法实现车用硬脆材料复杂结构件的一体化制造成型，加工效率较低，有待改进。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种汽车用硬脆材料三维变参数旋转超声磨削加工装置，该汽车用硬脆材料三维变参数旋转超声磨削加工装置具有结构紧凑、制造成本较低以及有效提高加工效率和加工质量的效果，并可以实现车用硬脆材料复杂结构件的一体化制造成型。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种汽车用硬脆材料三维变参数旋转超声磨削加工装置，包括三维超声振动刀柄，所述三维超声振动刀柄的一端设置有固定在数控机床主轴上的锥柄，另一端插接有超声振动模块，所述超声振动模块设置有金刚石刀具，所述三维超声振动刀柄的外侧设置有非接触电能传输装置，所述非接触电能传输装置设置有与所述三维超声振动刀柄固定连接的供电副边以及与所述供电副边相互分离并匹配的供电原边，所述供电原边连接有超声波电源以及控制所述超声波电源的输出功率并驱动所述金刚石刀具的振幅连续调节的数字控制系统。

通过采用上述技术方案，将锥柄固定在数控机床主轴上，使得三维超声振动刀柄随主轴的转动而高速旋转；数字控制系统通过控制超声波电源的开关，实现单向-椭圆-三维超声振动加工方式之间的自由切换，同时可实时调节三个独立的超声波电源的输出功率，并借助非接触电能传输装置实现对三种不同加工的方式下，超声振动模块中金刚石刀具振幅的稳定连续调节，该装置具有结构紧凑的效果，可显著减小对机床的结构改动，同时便于对现有数控加工机床进行升级改造，改造成本较低；与此同时，通过数字控制系统调节三个独立超声波电源的开/关，实现单向-椭圆-三维超声振动加工方式之间的自由切换，最终实现复杂型面工件的一体化加工成型，提高了车用硬脆材料加工的自动化水平。

本发明进一步设置为：所述三维超声振动刀柄包括与所述供电副边连接固定的hsk刀柄外壳，所述hsk刀柄外壳远离锥柄的一端内侧设置有供所述超声振动模块插入的刀柄空腔，所述刀柄空腔内设置有环形凸台，所述超声振动模块设置有与所述环形凸台的外侧壁抵接的环形挡圈，所述hsk刀柄外壳螺纹连接有内侧与所述环形挡圈的外侧抵接的环形螺母。

通过采用上述技术方案，hsk刀柄外壳由标准hsk刀柄改造而成，进而形成与数控机床主轴连接固定的锥柄，在有效控制三维超声振动刀柄的加工生产成本的同时，达到符合标准的目的；与此同时，通过环形螺母与hsk刀柄外壳的螺纹连接，进而将超声振动模块上的环形挡圈固定在环形凸台和环形螺母之间，显著提升超声振动模块与三维超声振动刀柄的连接固定稳定性，有效提升加工质量。

本发明进一步设置为：所述非接触电能传输装置包括三组相互独立且沿轴线上下均匀布置的所述供电副边和供电原边组成，所述供电原边与数控机床主轴的外壳连接固定，所述供电副边和供电原边之间形成有活动间隙，以使得供电副边和供电原边之间通过电磁感应形成电连接，所述供电副边通过贯穿所述hsk刀柄外壳的导线与所述超声振动模块连接。

通过采用上述技术方案，使得外部超声波电源通过供电原边、供电副边实现对于三维超声振动刀柄内的超声振动模块的电能供应。

本发明进一步设置为：所述超声振动模块由从下至上依次排列的金刚石刀具、锁紧螺母、阶梯型变幅杆以及三维超声换能器，所述阶梯型变幅杆的下端设置有与所述锁紧螺母的内螺纹匹配的外螺纹；所述阶梯型变幅杆的上端设置有内螺纹，且所述三维超声换能器的顶端插接有与所述阶梯型变幅杆上端的内螺纹连接的螺杆。

通过采用上述技术方案，金刚石刀具用于车用硬脆材料的磨削加工，并通过锁紧螺母与阶梯型变幅杆的连接以及三维超声换能器与阶梯型变幅杆的连接，在显著降低超声振动模块的安装固定难度的同时具有稳定的连接固定效果。

本发明进一步设置为：所述三维超声换能器包括四组半圆形压电陶瓷片、位于上下两组所述半圆形压电陶瓷片之间的两组圆形铜电极以及位于顶端的铝盖板，每组所述半圆形压电陶瓷片的上侧均设置有一组相互配对的半圆形铜电极和半圆形绝缘片，每组所述圆形压电陶瓷片的上侧均设置有圆形铜电极，四组所述半圆形压电陶瓷片保持极化方向相同且位于上侧的两组所述半圆形压电陶瓷片的排布方向与位于下侧的两组所述半圆形压电陶瓷片的排布方向垂直，四组所述半圆形铜电极和两组所述圆形铜电极分别与非接触电能传输装置的三组供电副边连接。

通过采用上述技术方案，四组半圆形铜电极和两组圆形铜电极分别与非接触电能传输装置的三组供电副边通过导线连接，而三组供电原边分别与三组独立的超声波电源连接，实现对超声振动模块的电能供应；与此同时，数字控制系统通过控制三个独立超声波电源的开/关，可以实现单向-椭圆-三维超声振动加工方式之间的自由切换；另外，数字控制系统可以实时调节三个独立的超声波电源的功率大小，通过非接触电能传输装置分别对单向-椭圆-三维超声振动加工方式下金刚石刀具的振幅进行连续调节。

本发明进一步设置为：所述螺杆套接有绝缘套筒，所述绝缘套筒同轴布置于四组所述半圆形压电陶瓷片和两组所述圆形压电陶瓷片的中心。

通过采用上述技术方案，使得四组半圆形铜电极和两组圆形铜电极与螺杆绝缘。

本发明进一步设置为：四组所述半圆形铜电极与四组所述半圆形绝缘片的厚度均为0.15mm，所述半圆形铜电极与所述半圆形绝缘片的内径和外径与四组半圆形压电陶瓷片相同，四组所述半圆形压电陶瓷片、四组所述半圆形铜电极、四组所述半圆形绝缘片、两组所述圆形压电陶瓷片以及两组所述圆形铜电极同时通过所述螺杆与所述阶梯型变幅杆的连接串联压实。

通过采用上述技术方案，具有结构紧凑且改造成本低的效果，实现复杂型面工件的一体化加工成型，提高了车用硬脆材料加工的自动化水平。

本发明进一步设置为：所述金刚石刀具的外周侧面上设置有金刚石磨粒。

通过采用上述技术方案，在有效降低切削力以及切削温度的同时，减小金刚石刀具的磨损，提高硬脆材料的表面精度和表面质量。

本发明进一步设置为：所述阶梯型变幅杆的中间端呈锥状，且两端均呈与中间端相应一端直径匹配的圆柱状。

本发明进一步设置为：所述绝缘套筒由聚酰胺制成，并呈圆管结构。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明提供一种汽车用硬脆材料三维变参数旋转超声磨削加工装置，该装置不仅结构紧凑，而且对机床结构改动较小，便于对现有数控加工机床进行升级改造，改造成本较低；

（2）通过三个独立的超声波电源及非接触电能传输装置，分别给两组圆形压电陶瓷片和四组半圆形压电陶瓷片供电，并通过数字控制系统调节三个独立超声波电源的开/关，实现单向-椭圆-三维超声振动加工方式之间的自由切换，并可以依据工件的粗-精加工工序，以及不同型面（孔、平面、曲面等）加工的需求，对三种超声振动加工方式进行自主选择，缩短了各工序间的时间间隔，减小了换刀引起的误差，提高了加工效率和加工质量；

（3）利用数字控制系统可以实现单向-椭圆-三维超声振动加工方式之间切换过程的自动化，从而可以实现在自动化加工设备上通过程序的设定实现上述三种加工方式的自动切换，由此能够实现对于复杂型面工件的一体化加工成型，提高了车用硬脆材料加工的自动化水平；

（4）通过数字控制系统可以根据实际加工工艺的需求调节输出功率，从而使得金刚石刀具在上述三种加工方式的任意一种情况下都能够实现超声振幅的调节，由此满足粗-精加工过程的自动转换，并配合自动化加工设备，最终实现复杂工件的自动加工。

附图说明

图1是本实施例的局部剖视结构示意图；

图2是本实施例的超声振动模块的结构示意图；

图3是本实施例的超声振动模块的爆炸结构示意图；

图4是本实施例的金刚石刀具的单向-椭圆-三维超声振动加工方式的示意图；

附图标记说明：

1、三维超声振动刀柄；

11、锥柄；

12、hsk刀柄外壳；

13、刀柄空腔；

14、环形凸台；

2、环形螺母；

3、超声振动模块；31、阶梯型变幅杆；311、环形挡圈；32、锁紧螺母；33、金刚石刀具；331、金刚石磨粒；34、三维超声换能器；341、圆形压电陶瓷片；342、半圆形压电陶瓷片；343、圆形铜电极；344、半圆形铜电极；345、半圆形绝缘片；35、螺杆；351、铝盖板；36、绝缘套筒；

4、非接触电能传输装置；41、供电副边；42、供电原边；

5、支架；

6、超声波电源；

7、数字控制系统。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种汽车用硬脆材料三维变参数旋转超声磨削加工装置，包括三维超声振动刀柄1。在三维超声振动刀柄1的一端设置有固定在数控机床主轴上的锥柄11，另一端插接有超声振动模块3。超声振动模块3设置有用于车用硬脆材料的磨削加工的金刚石刀具33（见图2）。需要提及的是，在三维超声振动刀柄1的外侧设置有非接触电能传输装置4。非接触电能传输装置4设置有与三维超声振动刀柄1固定连接的供电副边41以及与供电副边41相互分离并匹配的供电原边42。供电原边42连接有超声波电源6以及控制超声波电源6的输出功率并驱动金刚石刀具33的振幅连续调节的数字控制系统7。通过将锥柄11固定在数控机床主轴上，使得三维超声振动刀柄1随主轴的转动而高速旋转；进而由数字控制系统7控制超声波电源6的开关实现单向-椭圆-三维超声振动加工方式之间的自由切换，同时通过实时调节三个独立的超声波电源6的输出功率，并借助非接触电能传输装置4实现对三种不同加工的方式下，超声振动模块3中金刚石刀具33振幅的稳定连续调节，该装置具有结构紧凑的效果，且显著减小对机床的结构改动，同时便于对现有数控加工机床进行升级改造，改造成本较低；与此同时，通过数字控制系统7调节三个独立超声波电源6的开/关，实现单向-椭圆-三维超声振动加工方式之间的自由切换，最终实现复杂型面工件的一体化加工成型，提高了车用硬脆材料加工的自动化水平。

如图1、图2所示，三维超声振动刀柄1包括与供电副边41连接固定的hsk刀柄外壳12，hsk刀柄外壳12由标准hsk刀柄改造而成，hsk刀柄外壳12具有与数控机床主轴连接固定的锥柄11，在有效控制三维超声振动刀柄1的加工生产成本的同时，达到符合标准的目的；在hsk刀柄外壳12远离锥柄11的一端内侧设置有供超声振动模块3插入的刀柄空腔13。刀柄空腔13内设置有环形凸台14，且超声振动模块3设置有与环形凸台14的外侧壁抵接的环形挡圈311。与此同时，hsk刀柄外壳12螺纹连接有内侧与环形挡圈311的外侧抵接的环形螺母2。因此，通过环形螺母2与hsk刀柄外壳12的螺纹连接，进而将超声振动模块3上的环形挡圈311固定在环形凸台14和环形螺母2之间，将显著提升超声振动模块3与三维超声振动刀柄1的连接固定稳定性，有效提升加工质量。非接触电能传输装置4由三组相互独立且沿轴线上下均匀布置的供电副边41和供电原边42组成。所述的供电原边42与数控机床主轴的外壳连接固定，所述供电副边41与hsk刀柄外壳12连接固定，并在供电副边41和供电原边42之间形成有活动间隙，以使得供电副边41和供电原边42之间通过电磁感应形成电连接。所述的供电副边41通过贯穿hsk刀柄外壳12的导线与超声振动模块3连接，由此使得外部超声波电源6通过供电原边42、供电副边41实现对于三维超声振动刀柄1内的超声振动模块3的电能供应。进一步地如图1所示所述的供电副边41设置有三个并间隔排列在同一个壳体内，所述的供电原边42设置有三个并间隔排列在同一个壳体内。

如图2、图3所示，超声振动模块3包括从下至上依次排列的锁紧螺母32、阶梯型变幅杆31以及三维超声换能器34。阶梯型变幅杆31的中间端呈锥状，且两端均呈与中间端相应一端直径匹配的圆柱状，在阶梯型变幅杆31的下端设置有与锁紧螺母32的内螺纹匹配的外螺纹，所述金刚石刀具33的上端与阶梯型变幅杆31的下端之间通过锁紧螺母32固定相连；在阶梯型变幅杆31的上端设置有内螺纹，且三维超声换能器34的顶端插接有与阶梯型变幅杆31上端的内螺纹之间通过螺纹连接的螺杆35，通过锁紧螺母32与阶梯型变幅杆31的连接以及三维超声换能器34与阶梯型变幅杆31的连接，在显著降低超声振动模块3的安装固定难度的同时具有稳定的连接固定效果。需要说明的是，三维超声换能器34包括四组半圆形压电陶瓷片342、位于上下两组半圆形压电陶瓷片342之间的两组圆形铜电极343和两组圆形压电陶瓷片341以及位于顶端的铝盖板351。每组半圆形压电陶瓷片342的上侧均设置有一组相互配对的半圆形铜电极344和半圆形绝缘片345，每组圆形压电陶瓷片341的上侧均设置有圆形铜电极343。与此同时，四组半圆形压电陶瓷片342保持极化方向相同且位于上侧的两组半圆形压电陶瓷片342的排布方向与位于下侧的两组半圆形压电陶瓷片342的排布方向垂直，并四组半圆形铜电极344和两组圆形铜电极343分别与非接触电能传输装置4的三组供电副边41通过导线连接，而三组供电原边42分别与三组独立的超声波电源6连接，实现对超声振动模块3的电能供应；与此同时，数字控制系统7通过控制三个独立超声波电源6的开/关，可以实现单向-椭圆-三维超声振动加工方式之间的自由切换；另外，数字控制系统7可以实时调节三个独立的超声波电源6的功率大小，通过非接触电能传输装置4分别对单向-椭圆-三维超声振动加工方式下金刚石刀具33的振幅进行连续调节。

如图3、图4所示，螺杆35套接有绝缘套筒36。绝缘套筒36由聚酰胺制成并呈圆管结构，其同轴布置于四组半圆形压电陶瓷片342和两组圆形压电陶瓷片341的中心，进而使得绝缘套筒36起到令四组半圆形铜电极344和两组圆形铜电极343与螺杆35绝缘的作用。四组半圆形铜电极344与四组半圆形绝缘片345的厚度均为0.15mm。半圆形铜电极344与半圆形绝缘片345的内径和外径与四组半圆形压电陶瓷片342相同。同时四组半圆形压电陶瓷片342、四组半圆形铜电极344、四组半圆形绝缘片345、两组圆形压电陶瓷片341以及两组圆形铜电极343同时通过螺杆35与阶梯型变幅杆31连接串联压实。为了进一步提升金刚石刀具33对硬脆材料的加工效果，进而所述金刚石刀具33采用刀具加工面上带有金刚石磨粒331的金刚石刀具33，通过金刚石磨粒331的优异加工性能与金刚石刀具33的超声振动结合，将在有效降低切削力以及切削温度的同时，减小金刚石刀具33的磨损，提高硬脆材料的加工精度和表面质量。上述带有金刚石磨粒331的金刚石刀具33是现有技术，其金刚石刀具33上金刚石磨粒331的制备工艺可以通过多种常规手段实现。

在使用时，当只给两组圆形铜电极343供电时，通过两组圆形压电陶瓷片341的逆压电效应，三维超声换能器34产生轴向（z向）超声振动，经阶梯型变幅杆31放大后，驱动金刚石刀具33产生单向超声振动；当只给四组半圆形铜电极344输送具有一定相位差，但是频率相同的电压时，由于四组半圆形压电陶瓷片342的逆压电效应，三维超声换能器34会在两个相互垂直的方向（x和y方向）上产生振动，进而驱动金刚石刀具33产生椭圆振动；并当给两组圆形铜电极343和四组半圆形铜电极344同时供电时，金刚石刀具33即在x-y平面内产生椭圆振动，又在z向产生轴向振动，进而实现三维超声振动加工。

综上所述，本发明提供一种汽车用硬脆材料三维变参数旋转超声磨削加工装置，该装置不仅结构紧凑，而且对机床结构改动较小，便于对现有数控加工机床进行升级改造，改造成本较低；并通过三个独立的超声波电源6及非接触电能传输装置4，分别给两组圆形压电陶瓷片341和四组半圆形压电陶瓷片342供电，并通过数字控制系统7调节三个独立超声波电源6的开/关，实现单向-椭圆-三维超声振动加工方式之间的自由切换，并可以依据工件的粗-精加工工序，以及不同型面（孔、平面、曲面等）加工的需求，对三种超声振动加工方式进行自主选择，缩短了各工序间的时间间隔，减小了换刀引起的误差，提高了加工效率和加工质量；具体地，在应对带有孔、平面以及复杂曲面的复杂工件时可以通过程序的设定，在数字控制系统7的控制下当金刚石刀具33对应工件的待加工孔的位置时较多的是使得超声振动模块3切换至单向超声振动，由此满足孔的加工需求，当然对于孔的加工并不排除可以通过椭圆和三维超声振动的加工方式；当金刚石刀具33对应工件的待加工平面的位置时较多的是使得超声振动模块3切换至椭圆超声振动，由此满足孔的加工需求，当然对于平面的加工并不排除可以通过单向和三维超声振动的加工方式；当金刚石刀具33对应工件的待加工曲面的位置时较多的是使得超声振动模块3切换至三维超声振动，由此满足曲面的加工需求，当然对于曲面的加工并不排除可以通过单向和椭圆超声振动的加工方式；由此，加工人员根据复杂工件的加工工艺的需求提前预设加工程序，将程序写入自动化加工设备中，所述自动化加工设备通过数字控制系统7控制超声振动模块3实现单向-椭圆-三维这三种超声振动加工方式的自由切换，最终可以使得复杂工件得以自动化加工成型。

进一步地，在自动化加工设备通过数字控制系统7控制超声振动模块3自由切换上述三种超声振动加工方式的加工过程中可以利用数字控制系统7实时调节三个独立的超声波电源6输出功率的大小，进而实现在三种超声振动的任意一种加工方式下都能够实现对金刚石刀具33超声振幅的连续调节，由此满足不同加工精度的需求，例如超声波电源6进行高功率输出使得在粗加工模式下工件加工更加高效以及切换成低功率输出使得精加工下工件加工精细化，最终在实现复杂型面工件的一体化加工成型的同时进一步地提高了加工的效率和精度，提高了车用硬脆材料加工的自动化水平。

以上所述仅为本发明的优选实施例，本发明的保护范围并不仅仅局限于上述实施例，但凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干修改和润饰，这些修改和润饰也应视为本发明的保护范围。