一种三维超声振动elid内圆磨削实验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于硬脆材料精密超精密加工技术领域，尤其涉及一种三维超声振动ELID内圆磨削实验装置。
【背景技术】
[0002]工程陶瓷、光学玻璃等硬脆材料具有高硬度、高强度、高脆性、耐磨损、耐腐蚀、化学稳定性好等特点，广泛应用于光学仪器、半导体、汽车、航空航天、机械等领域。但到目前为止，硬脆材料的加工仍然是一个难题。因为硬脆材料一个最突出的特点就是脆性高，断裂韧性低，弹性极限与强度非常接近。加工时，当材料承受的载荷超过弹性极限，就会发生断裂破坏，在已加工表面形成裂纹和凹坑，严重影响其表面质量和性能。针对硬脆材料的难加工特性，硬脆材料超声磨削技术、ELID磨削技术、磁性抛光技术、弹性发射加工技术等复合加工技术研宄应运而生，目前技术成熟度、效率较高和应用较多的公认为ELID磨削技术和超声磨削技术。ELID磨削技术的主要优点是可以采用细、微磨粒获得粗糙度极低的纳米加工表面，但ELID磨削技术的缺点是砂轮易堵塞、加工效率低、成本较高及金刚石砂轮上剥落的非导电氧化物容易擦伤工件等，因此如何能减少砂轮堵塞、减少脱落的氧化膜对磨削表面的损伤、获得更高的效率等问题一直是该领域研宄的主要问题，也成为ELID磨削技术进一步提尚的瓶颈。
[0003]近年来兴起的超声磨削技术，它可以减小加工过程中的磨削力，增加临界磨削深度，从而提高生产效率，是一种很有发展前途的新方法。如一维轴向超声振动磨削可以实现加工表面质量的显著提高；一维径向超声辅助磨削可以实现材料去除率的大幅度提高，但是会导致砂轮磨损的增加和表面粗糙度的轻微增加。在此基础上，为了充分发挥超声振动磨削的优点，各国学者先后提出了不同类型的二维超声振动磨削技术。但尽管二维超声振动磨削技术具有优越的综合加工性能，但是目前其仍存在一定的技术难题。例如存在着当负载、温度切削条件等变化时振速不稳定，以及材料加工效率显著提高而表面粗糙度没有明显变化，加工过程中磨削速度较低等现象。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型为了解决现有技术中的不足之处，提供一种超声磨削加工技术与ELID磨削技术复合、加工效率高、砂轮不易堵塞且可以实现砂轮在线修整的镜面磨削的三维超声振动ELID内圆磨削实验装置。
[0005]为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案:一种三维超声振动ELID内圆磨削实验装置，包括机架8，机架8上设有工作台9，工作台9上设有三维超声振动刀具系统和ELID在线修整装系统10，三维超声振动刀具系统正上方设有机床主轴系统。
[0006]所述三维超声振动刀具系统包括多通道超声波发生器7、圆形夹具12、X向超声振动机构5、Y向超声振动机构6和Z向超声振动机构40，圆形夹具12、X向超声振动机构5和Y向超声振动机构6设在工作台9上，Z向超声振动机构40设在工作台9下方，圆形夹具12顶部用于夹紧工件3的卡盘4 ；
[0007]X向超声振动机构5包括同轴向设置的X向超声振动换能器14和X向振动变幅杆15，X向振动变幅杆15通过X向变幅杆保持架16固定到工作台9上；
[0008]Y向超声振动机构6包括安装箱35和采用紧固螺栓32设在安装箱35顶部的Y向变幅杆保持架31，Y向变幅杆保持架31上垂直设有Y向振动变幅杆33，Y向振动变幅杆33下端设有位于安装箱35内的Y向超声振动换能器34 ；
[0009]Z向超声振动机构40包括同轴向设置的Z向超声振动换能器18和Z向振动变幅杆19，Z向振动变幅杆19通过Z向变幅杆保持架17固定到工作台9上；
[0010]X向振动变幅杆15、Y向振动变幅杆33和Z向振动变幅杆19的动力输出端分别通过双头螺柱13与圆形夹具12连接；
[0011]多通道超声波发生器7分别通过电缆与X向超声振动换能器14、Y向超声振动换能器34和Z向超声振动换能器18连接。
[0012]所述X向振动变幅杆15、Y向振动变幅杆33和Z向振动变幅杆19中的任意两个为纵弯复合振动变幅杆36，X向超声振动换能器14、Y向超声振动换能器34和Z向超声振动换能器18中的任意两个为纵向超声振动换能器37，每个纵弯复合振动变幅杆36对应与一个纵向超声振动换能器37连接。
[0013]机床主轴系统包括垂直设置的机床主轴I和设在机床主轴I下端的砂轮2，机床主轴I的中心线与卡盘4的中心线重合。
[0014]所述的ELID在线修整装系统包括ELID电源11、磁力吸盘25、固定套筒27和支撑轴28，磁力吸盘25吸附在工作台9上，固定套筒27下端与磁力吸盘25顶部连接，磁力吸盘25侧部设有用于移动磁力吸盘25的手柄26，支撑轴28插设在固定套筒27内并通过径向设置的销钉24连接，支撑轴28上设有阴极支撑架29和阳极固定板20，阴极支撑架29通过螺纹与支撑轴28配合，阴极支撑架29端部通过橡胶隔离套22设置有半铜环电极23，半铜环电极23与ELID电源11的阴极连接；阳极固定板20通过两个设置有内螺纹的绝缘夹板30固定在支撑轴28上，阳极固定板20的端部设置有与ELID电源11的阳极连接的阳极碳刷21，在进行砂轮2在线修整时，阳极碳刷21与机床主轴I上的导电零件压接，半铜环电极23的轴心线与砂轮2的轴心线平行。
[0015]采用上述技术方案，多通道超声波发生器同时向X向超声振动换能器、Y向超声振动换能器和Z向超声振动换能器发出具有一定相位差的同频超声激励信号。
[0016]X向振动变幅杆、Y向振动变幅杆和Z向振动变幅杆在各自变幅杆的节点处与保持架连接。
[0017]X向振动变幅杆、Y向振动变幅杆和Z向振动变幅杆分别发出径向、轴向和切向振动，促使工件做三维超声振动。三维超声振动轨迹为空间椭圆。
[0018]本实用新型的机床主轴下端与砂轮相连接，并带动砂轮做上下、左右进给运动和旋转运动。ELID在线修整装系统设在工作台左侧，当砂轮需要进行ELID在线修整时，可通过上下移动手柄，使ELID在线修整装系统移动至机床主轴处，进行砂轮的ELID在线修整。三维超声振动刀具系统设在工作台上，三维超声振动刀具系统通过双头螺柱与圆形夹具相连接，另一端通过X向变幅杆保持架、Z向变幅杆保持架和Y向变幅杆保持架与工作台固定连接，以实现工件的三维超声振动磨削。
[0019]当机床主轴带动砂轮对工件做内圆磨削时，X向超声振动换能器、Y向超声振动换能器和Z向超声振动换能器分别与X向振动变幅杆、Y向振动变幅杆和Z向振动变幅杆将多通道超声波发生器传输的有一定相位差的同频三激励超声信号分别转换为三个同频频机械振荡。由于X向振动变幅杆、Y向振动变幅杆和Z向振动变幅杆分别分布在砂轮的径向、轴向和切向，当三个同频机械振荡通过X向振动变幅杆、Y向振动变幅杆和Z向振动变幅杆施加到圆形夹具上时，圆形夹具带动工件做三个不同方向的机械振动，最终叠加为三维超声振动。圆形夹具通过卡盘夹紧工件。X向振动变幅杆、Y向振动变幅杆和Z向振动变幅杆中的任意两个可以用一个纵弯复合振动变幅杆代替。纵弯复合振动变幅杆开有斜槽，其端部设有纵向超声振动换能器，使其能够在单激励下形成纵弯复合振动，从而实现二维超声椭圆振动。同时另外一个X向振动变幅杆(Y向振动变幅杆或Z向振动变幅杆)在一定相位差的同频超声激励信号激励下产生纵向振动。这样最终促使工件做三维超声振动。
[0020]用销钉连接固定套筒和支撑轴，操作者可通过销钉调节支撑轴的高度。固定套筒27底部设有磁力吸盘，并设有手柄，通过手柄的上下移动可实现磁力吸盘与工作台的相对移动与固定。支撑轴上设有阴极支撑架和阳极固定板。支撑轴设置有外螺纹，阴极支撑架通过螺纹与支撑轴配合，阴极支撑架端部设置有阴极电解装置，使用者可通过转动阴极支撑架来调节半铜环电极和橡胶隔离套的高度，橡胶隔离套可起到绝缘作用。阳极固定板通过两个设置有内螺纹的绝缘夹板固定在支撑轴上。阳极固定板和两个绝缘夹板采用塑料材质做成，可以保证阳极的绝缘性能。阳极固定板的一端设置有与ELID电源阳极连接的阳极碳刷，在进行ELID砂轮在线修整时阳极碳刷可与机床主轴上的导电零件压接，保证砂轮带有正电，半铜环电极的轴心线与砂轮的轴心线平行。
[0021]在进行砂轮的ELID在线修整时，ELID电源阳极通过阳极碳刷与机床主轴上的导电零件压接，ELID电源阴极与半铜环电极连接。当磨削液进入半铜环电极与砂轮表面之间的间隙后，在电流的作用下，砂轮的金属基体作为阳极被电解，使砂轮中的磨粒露出表面，形成一定的磨粒高度和容肩空间。同时，在砂轮表面逐渐形成一层钝化膜，阻止电解过程的继续进行，使砂轮不会过快损耗。当砂轮表面的磨粒磨损后，钝化膜将会被工件材料刮擦去除，电解继续进行，可对砂轮表面进一步修整。
[0022]综上所述，本实用新型通过在机床工作台左侧的ELID在线修整装系统和主轴下方的三维超声振动刀具系统，从而在实现三维超声振动磨削的同时，可根据需求进行砂轮ELID在线修整，形成一种多工艺复合的高效镜面加工技术，解决了硬脆材料的难加工特性，推进了其在国防、航空航天等高技术领域中的应用。
【附图说明】
[0023]图1为本实用新型的结构示意图；
[0024]图2为三维超声振动刀具系统的俯视图；
[0025]图3为Y向超声振动机构的剖视图；
[0026]图4为ELID在线修整装系统的结构示意图。
[0027]图5为纵弯复合振动变幅杆和纵向超声振动换能器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0028]如图1-图5所示，本实用新型的一种三维超声振动ELID内圆磨削实验装置，包括机架8，机架8上设有工作台9，工作台9上设有三维超声振动刀具系统和ELID在线修整装系统10，三维超声振动刀具系统正上方设有机床主轴系统。
[0029]三维超声振动刀具系统包括多通道超声波发生器7、圆形夹具12、X向超声振动机构5、Y向超声振动机构6和Z向超声振动机构40，圆形夹具12、X向超声振动机构5和Y向超声振动机构6设在工作台9上，Z向超声振动机构40设在工作台9下方，圆形夹具12顶部用于夹紧工件3的卡盘4 ；
[0030]X向超声振动机构5包括同轴向设置的X向超声振动换能器14和X向振动变幅杆15，X向振动变幅杆15通过X向变幅杆保持架16固定到工作台9上；
[0031]Y向超声振动机构6包括安装箱35和采用紧固螺栓32设在安装箱35顶部的Y向变幅杆保持架31，Y向变幅杆保持架31上垂直设有Y向振动变幅杆33，Y向振动变幅杆33下端设有位于安装箱35内的Y向超声振动换能器34 ；
[0032]Z向超声振动机构4