一维多频率轴向超声振动辅助磨削实验装置的制作方法

本实用新型属于磨削实验领域，具体涉及一维多频率轴向超声振动辅助磨削实验装置。

背景技术：

传统的磨削在加工工件材料过程中产生较大的磨削力和磨削热、工件亚表面的损伤及砂轮寿命降低等等问题。基于上述问题，引入了超声振动辅助磨削加工技术。国内外研究学者证明超声振动辅助磨削具有明显优势，比如能增加工件材料的去除率、改善加工表面的质量、减轻工件表面的损伤、及延长砂轮的寿命。大量实验研究表明，一种超声振动辅助磨削技术能改善工件表面质量、降低磨削温度、可减小磨削力及提高加工效率关于超声振动磨削机理的问题。

从1950年代开始，超声磨削开始普及，超声振动辅助磨削加工是在传统磨削加工中对砂轮或工件施加超声高频振动，所以其兼具传统磨削加工和超声波加工的优势，可以得到高加工质量和高加工效率的工件。在磨削的过程中添加超声振动，超声振动作用在工件加工表面产生的特殊切削沟槽使得冷却液更容易进入磨削区域，磨屑极易随着冷却液排出磨削区域，从而降低了磨削区域的温度，提高了砂轮磨削的持续性，进而避免或减轻了工件加工表面磨削烧伤与工件表面质量的恶化。此外，超声振动引起的磨粒特殊切削运动提高了工件材料的磨削能力，并使得磨削过程中的单颗磨粒未变形切屑最大厚度变小，从而降低了工件磨削表面的粗糙度值，提高了加工表面质量。

发明人在实践过程中认为，目前一种的超声振动辅助磨削的研究,很多都是将超声振动加在主轴上带动刀具振动，如【庞静珠,李蓓智,杨建国,张强.基于9123C测力仪的高速外圆磨削力测量实验研究[J].制造技术与机床,2012(10):98-100.】所公开的测试平台中，就是将超声振动加在主轴上带动刀具振动。这种加工方法对主轴的要求比较高，降低了砂轮寿命，且对工件的加工尺寸范围有限，操作难度比较大。

技术实现要素：

本实用新型所公开方案的目的，一方面是公开一种一维多频率轴向超声振动辅助磨削实验装置，能够提高塑性材料的加工效率和表面质量，辅助磨削多种工件材料，且能有效改善工件加工表面质量,降低磨削力,提高磨削质量；另一方面，公开一种一维多频率轴向超声振动辅助磨削方法；再一方面，公开一种一维多频率轴向超声振动辅助磨削实验方法。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一维多频率轴向超声振动辅助磨削实验装置，包括推力球轴承保持器、轴套、振动板和超声振动装置，所述推力球轴承保持器的外围套接所述轴套，所述推力球轴承保持器通过所述轴套连接底座，所述底座放置在平面磨床磁力工作台；所述推力球轴承保持器的上方设有所述振动板，所述振动板与推力球轴承之间保持滚动接触；振动板的一侧与超声振动的装置连接，所述超声振动装置的超声振动加载方向与磨床砂轮的轴向方向平行；所述振动板的顶面设有三向磨削测力仪，三向磨削测力仪用于对工件的测量。

进一步的，所述推力球轴承保持器与所述轴套之间间隙配合，以保持所述推力球轴承与轴承之间能够进行充分的转动。

进一步的，所述振动板材质是45号钢，可以被磨床的磁力工作台吸引，从而保持振动板在垂直方向的稳定。

进一步的，所述超声振动装置的换能器通过支架固定，变幅杆的大端与换能器相连接，变幅杆的小端与振动板相连接，连接方式都是通过双头螺栓固定。

进一步的，所述支架的材质是45钢，支架底端与磁力工作台的接触面积比较大，能够起到很好的固定作用。

在具体的实施中，底座放置在平面磨床磁力工作台上方，底座上方是一个标准的推力球轴承保持器，在推力球轴承保持器的外围套有一个推力球轴承保持器的轴套，轴套与推力球轴承保持器之间是间隙配合。轴套的周侧设有多个孔，用开槽盘头螺钉把轴套与底座固定在一起。在推力球轴承保持器的上面放置一个振动板，振动板与推力球轴承保持器的钢球之间是滚动接触。振动板的一侧与超声振动的装置连接，超声振动加载方向与磨床砂轮的轴向方向是平行的。在振动板的上面放置一个三向磨削测力仪，把工件放置在测力仪之上，用夹具固定住。超声振动装置的换能器被支架固定住，变幅杆的大端与换能器相连接，小端与振动板相连接，连接方式都是通过双头螺栓固定。固定换能器的支架材质是45 号钢，支架底端与磁力工作台的接触面积比较大，能够起到很好的固定作用。

进一步的，底座与平面磨床磁力工作台之间没有磁力互相吸引，因此底座采用质量较轻的铝合金材料。

由于不同频率的超声振动装置的尺寸规格不一样，所述实验装置可以通过更换不同类型的支架来实现频率的改变。选用的三向磨削测力仪可以放置多种类型的夹具，从而实现多种尺寸工件的磨削加工。

一种一维多频率轴向超声振动辅助磨削方法，包括以下步骤：

首先，组装所述实验装置，实验装置包括高速数控外圆磨床型号、生产厂家和型号、生产厂家三向磨削测力仪。

将待加工的工件固定在夹具上，将夹具设于所述三向磨削测力仪之上。

启动所述超声振动装置，启动磨床。

由于不同频率的超声振动装置的尺寸规格不一样，所述一维多频率轴向超声振动辅助磨削实验装置可以通过更换不同类型的支架来实现频率的改变。选用的三向磨削测力仪可以放置多种类型的夹具，从而实现多种尺寸工件的磨削加工。

一种一维多频率轴向超声振动辅助磨削实验方法，包括以下步骤：

-组装实验装置；

-三向磨削测力仪利用压电晶体的压电效应，使加工件在外力作用下产生的机械变形转换为电荷输出，经电荷放大器放大并通过A/D转换，输入到电脑进行计算和分析，得到在x,y,z三个坐标方向上的磨削力Fx,Fy,Fz。其中由于轴向力Fα较小，轴向力Fα为0，因此不考虑Fα，由于没有使用主轴，也不考虑磨削力最终转换的切向力Ft，测得的法向力Fn，其转换公式为：

式中，Fx,Fy,Fz分别为x,y,z三个坐标方向上的磨削力。

在这一步中，由于不需要将测力仪安装于磨床工件主轴，因此传统实验过程中砂轮磨削位置与测力仪的距离将导致传感器对于实际磨削力的不同反应这一现象不在存在，故不需要标定。

-由于不同频率的超声振动装置的尺寸规格不一样，所述一维多频率轴向超声振动辅助磨削实验装置可以通过更换不同类型的支架来实现频率的改变。选用的三向磨削测力仪可以放置多种类型的夹具，从而实现多种尺寸工件的磨削加工。

-每组工艺参数进行3次实验，采集相关实验数据后取平均值。

工艺参数包括不同超声波设定值和砂轮线速度磨削力。

本实用新型的有益之处在于：

所述一维多频率轴向超声振动辅助磨削实验装置结构简单，安装方便，实验装置的很多部分采用了质量较轻的材料，在加载超声振动后，取得的效果更加理想。

附图说明

图1为实施例1的结构立体示意图，

图2为实施例1的主视图，

图3为实施例1的侧视图，

图4为实施例1的俯视图，

图5为实施例1的推力球轴承保持器及轴套的俯视图。

图中，1、底座，2、推力球轴承保持器，3、轴套，4、振动板，5、三向磨削测力仪， 6、支架，7、超声振动装置。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所述技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要指出的是，以下实施例中的方位用词是根据附图和实际使用习惯进行描述的。

实施例1

一维多频率轴向超声振动辅助磨削实验装置，包括推力球轴承保持器2、轴套3、振动板4和超声振动装置7，所述推力球轴承保持器2的外围套接所述轴套3，所述推力球轴承保持器2通过所述轴套3连接底座1，所述底座1放置在平面磨床磁力工作台；所述推力球轴承保持器2的上方设有所述振动板4，所述振动板4与推力球轴承之间保持滚动接触；振动板4的一侧与超声振动的装置连接，所述超声振动装置7的超声振动加载方向与磨床砂轮的轴向方向平行；所述振动板4的顶面设有三向磨削测力仪5，三向磨削测力仪5用于对工件的测量。

使用所述推力球轴承保持器2，是因为推力球轴承保持器2材料导热性好、耐磨性好、摩擦系数小，有较小的密度，一定的强度和韧性的配合、较好的弹性和刚度.与滚动体相近的膨胀系数，能够保证设于其上的振动板4处理较良好的传动状态，充分减少振动板4 在传动的过程中可能产生的能量损耗，减少实验误差。

使用所述振动板4，能够将来自于超声振动装置7的振动波传动至与其连接或接触的工件。

所述推力球轴承保持器2与所述轴套3之间间隙配合，以保持所述推力球轴承与轴承之间具有足够的余量提供给振动板4，进而传动。

所述振动板4材质是45号钢，可以被磨床的磁力工作台吸引。

所述超声振动装置7的换能器通过支架6固定，变幅杆的大端与换能器相连接，变幅杆的小端与振动板4相连接，连接方式都是通过双头螺栓固定。

所述支架6的材质是45钢，支架6底端与磁力工作台的接触面积比较大，能够起到很好的固定作用。

所述一维多频率轴向超声振动辅助磨削实验装置结构简单，安装方便，实验装置的很多部分采用了质量较轻的材料，在加载超声振动后，取得的效果更加理想。

底座1采用质量较轻的铝合金材料。

由于不同频率的超声振动装置7的尺寸规格不一样，所述一维多频率轴向超声振动辅助磨削实验装置可以通过更换不同类型的支架6来实现频率的改变。选用的三向磨削测力仪5可以放置多种类型的夹具，从而实现多种尺寸工件的磨削加工。

在本实施例中，所述超声振动装置7至少包括换能器和变幅杆，换能器连接变幅杆，变幅杆的大端与换能器连接，变幅杆的小端与振动板4相连接。所述支架6至少包括一竖向的支撑件，所述支撑件底端设有支脚，所述支撑件顶端设有用于套接所述换能器的环。

所述变幅杆的小端能够聚集由换能器发射出的超声波能量，所述变幅杆的小端与所述振动板4通过双头螺栓连接。由于超声振动的振动频率一般在20000Hz以上，因此不适用于使用焊接和铆接，使用超声振动进行振动波的传导，可以对振动板4进行振动传导，进而可以使位于振动板4下方的推力球轴承受到超声振动，以进行性能检测。

而，所述振动板4的顶端还固定了三向磨削测力仪5，目前，金属切削理论的研究已由过去的静态测量发展到动态测量，对测力仪有了更高的要求，三向磨削测力仪5能以其高刚度、高灵敏度、高固有频率能很好地满足静、动态测试的要求，可测出任意方向力的三个相互正交的分量(Fx,Fy,Fz)

实施本实施例，具有以下有益之处：

由于本实施例中，采用振动板4作为对振动波进行传动的中间体，因此避免了超声传动装置直接作用于主轴可能会对主轴产生的损害，解决了目前的实验方案中对主轴的要求比较高的问题。由于直接将砂轮的夹具放置于三向磨削测力仪5，不需要主轴的转动，也不需要砂轮的工作，因此延长了砂轮寿命。

同时，本实施例的实施，相对于以往进行测试的实验过程，直接将超声波的产生过程这一步变为采用超声振动装置7产生超声波，减少了实验步骤，而且可以进行定量研究，便于得出更加合理的统计数据。

实施例2

实施例2公开了一种具体的，采用实施例1所述的一维多频率轴向超声振动辅助磨削实验装置进行磨削实验的流程。

首先组装实验装置；

三向磨削测力仪利用压电晶体的压电效应，使加工件在外力作用下产生的机械变形转换为电荷输出。经电荷放大器放大并通过A/D转换，输入到电脑进行计算和分析，得到在x,y,z三个坐标方向上的磨削力Fx,Fy,Fz。其中由于轴向力Fα较小，轴向力Fα为0，因此不考虑Fα，也不考虑磨削力最终转换的切向力Ft，测得的法向力Fn，其转换公式为：

式中，Fx,Fy,Fz分别为x,y,z三个坐标方向上的磨削力。

在这一步中，由于不需要将测力仪安装于磨床工件主轴，因此传统实验过程中砂轮磨削位置与测力仪的距离将导致传感器对于实际磨削力的不同反应这一现象不在存在，故不需要标定。

由于不同频率的超声振动装置的尺寸规格不一样，所述一维多频率轴向超声振动辅助磨削实验装置可以通过更换不同类型的支架来实现频率的改变。选用的三向磨削测力仪可以放置多种类型的夹具，从而实现多种尺寸工件的磨削加工。通过更换不同类型的支架以及超声振动装置能够实现频率的改变；所述三向磨削测力仪能够放置多种类型的夹具，从而实现多种尺寸工件的磨削加工，进而获得实验数据；

每组工艺参数进行3次实验，采集相关实验数据后取平均值。

工艺参数包括不同超声波设定值和砂轮线速度磨削力。

实施本实施例，至少具有以下有益之处：

本领域技术人员能够通过以上步骤取得其所需要的实验数据，并且能够完成基于实施例1中装置的工件磨削。

实施例3

实施例3公开了一种具体的，采用实施例1所述的一维多频率轴向超声振动辅助磨削实验装置进行磨削的流程。

首先，组装所述实验装置，实验装置包括高速数控外圆磨床以及砂轮。

将待加工的工件固定在夹具上，将夹具设于所述三向磨削测力仪之上。

启动所述超声振动装置，启动磨床。

由于不同频率的超声振动装置的尺寸规格不一样，所述一维多频率轴向超声振动辅助磨削实验装置可以通过更换不同类型的支架来实现频率的改变。选用的三向磨削测力仪可以放置多种类型的夹具，从而实现多种尺寸工件的磨削加工。

实施本实施例，至少具有以下有益之处：

本领域技术人员能够通过以上步骤完成基于实施例1中装置的工件磨削。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。