一種三維超聲振動elid內圓磨削實驗裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于硬脆材料精密超精密加工技術領域，尤其涉及一種三維超聲振動ELID內圓磨削實驗裝置。
【背景技術】
[0002]工程陶瓷、光學玻璃等硬脆材料具有高硬度、高強度、高脆性、耐磨損、耐腐蝕、化學穩定性好等特點，廣泛應用于光學儀器、半導體、汽車、航空航天、機械等領域。但到目前為止，硬脆材料的加工仍然是一個難題。因為硬脆材料一個最突出的特點就是脆性高，斷裂韌性低，彈性極限與強度非常接近。加工時，當材料承受的載荷超過彈性極限，就會發生斷裂破壞，在已加工表面形成裂紋和凹坑，嚴重影響其表面質量和性能。針對硬脆材料的難加工特性，硬脆材料超聲磨削技術、ELID磨削技術、磁性拋光技術、彈性發射加工技術等復合加工技術研宄應運而生，目前技術成熟度、效率較高和應用較多的公認為ELID磨削技術和超聲磨削技術。ELID磨削技術的主要優點是可以采用細、微磨粒獲得粗糙度極低的納米加工表面，但ELID磨削技術的缺點是砂輪易堵塞、加工效率低、成本較高及金剛石砂輪上剝落的非導電氧化物容易擦傷工件等，因此如何能減少砂輪堵塞、減少脫落的氧化膜對磨削表面的損傷、獲得更高的效率等問題一直是該領域研宄的主要問題，也成為ELID磨削技術進一步提尚的瓶頸。
[0003]近年來興起的超聲磨削技術，它可以減小加工過程中的磨削力，增加臨界磨削深度，從而提高生產效率，是一種很有發展前途的新方法。如一維軸向超聲振動磨削可以實現加工表面質量的顯著提高；一維徑向超聲輔助磨削可以實現材料去除率的大幅度提高，但是會導致砂輪磨損的增加和表面粗糙度的輕微增加。在此基礎上，為了充分發揮超聲振動磨削的優點，各國學者先后提出了不同類型的二維超聲振動磨削技術。但盡管二維超聲振動磨削技術具有優越的綜合加工性能，但是目前其仍存在一定的技術難題。例如存在著當負載、溫度切削條件等變化時振速不穩定，以及材料加工效率顯著提高而表面粗糙度沒有明顯變化，加工過程中磨削速度較低等現象。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型為了解決現有技術中的不足之處，提供一種超聲磨削加工技術與ELID磨削技術復合、加工效率高、砂輪不易堵塞且可以實現砂輪在線修整的鏡面磨削的三維超聲振動ELID內圓磨削實驗裝置。
[0005]為解決上述技術問題，本實用新型采用如下技術方案:一種三維超聲振動ELID內圓磨削實驗裝置，包括機架8，機架8上設有工作臺9，工作臺9上設有三維超聲振動刀具系統和ELID在線修整裝系統10，三維超聲振動刀具系統正上方設有機床主軸系統。
[0006]所述三維超聲振動刀具系統包括多通道超聲波發生器7、圓形夾具12、X向超聲振動機構5、Y向超聲振動機構6和Z向超聲振動機構40，圓形夾具12、X向超聲振動機構5和Y向超聲振動機構6設在工作臺9上，Z向超聲振動機構40設在工作臺9下方，圓形夾具12頂部用于夾緊工件3的卡盤4 ；
[0007]X向超聲振動機構5包括同軸向設置的X向超聲振動換能器14和X向振動變幅桿15，X向振動變幅桿15通過X向變幅桿保持架16固定到工作臺9上；
[0008]Y向超聲振動機構6包括安裝箱35和采用緊固螺栓32設在安裝箱35頂部的Y向變幅桿保持架31，Y向變幅桿保持架31上垂直設有Y向振動變幅桿33，Y向振動變幅桿33下端設有位于安裝箱35內的Y向超聲振動換能器34 ；
[0009]Z向超聲振動機構40包括同軸向設置的Z向超聲振動換能器18和Z向振動變幅桿19，Z向振動變幅桿19通過Z向變幅桿保持架17固定到工作臺9上；
[0010]X向振動變幅桿15、Y向振動變幅桿33和Z向振動變幅桿19的動力輸出端分別通過雙頭螺柱13與圓形夾具12連接；
[0011]多通道超聲波發生器7分別通過電纜與X向超聲振動換能器14、Y向超聲振動換能器34和Z向超聲振動換能器18連接。
[0012]所述X向振動變幅桿15、Y向振動變幅桿33和Z向振動變幅桿19中的任意兩個為縱彎復合振動變幅桿36，X向超聲振動換能器14、Y向超聲振動換能器34和Z向超聲振動換能器18中的任意兩個為縱向超聲振動換能器37，每個縱彎復合振動變幅桿36對應與一個縱向超聲振動換能器37連接。
[0013]機床主軸系統包括垂直設置的機床主軸I和設在機床主軸I下端的砂輪2，機床主軸I的中心線與卡盤4的中心線重合。
[0014]所述的ELID在線修整裝系統包括ELID電源11、磁力吸盤25、固定套筒27和支撐軸28，磁力吸盤25吸附在工作臺9上，固定套筒27下端與磁力吸盤25頂部連接，磁力吸盤25側部設有用于移動磁力吸盤25的手柄26，支撐軸28插設在固定套筒27內并通過徑向設置的銷釘24連接，支撐軸28上設有陰極支撐架29和陽極固定板20，陰極支撐架29通過螺紋與支撐軸28配合，陰極支撐架29端部通過橡膠隔離套22設置有半銅環電極23，半銅環電極23與ELID電源11的陰極連接；陽極固定板20通過兩個設置有內螺紋的絕緣夾板30固定在支撐軸28上，陽極固定板20的端部設置有與ELID電源11的陽極連接的陽極碳刷21，在進行砂輪2在線修整時，陽極碳刷21與機床主軸I上的導電零件壓接，半銅環電極23的軸心線與砂輪2的軸心線平行。
[0015]采用上述技術方案，多通道超聲波發生器同時向X向超聲振動換能器、Y向超聲振動換能器和Z向超聲振動換能器發出具有一定相位差的同頻超聲激勵信號。
[0016]X向振動變幅桿、Y向振動變幅桿和Z向振動變幅桿在各自變幅桿的節點處與保持架連接。
[0017]X向振動變幅桿、Y向振動變幅桿和Z向振動變幅桿分別發出徑向、軸向和切向振動，促使工件做三維超聲振動。三維超聲振動軌跡為空間橢圓。
[0018]本實用新型的機床主軸下端與砂輪相連接，并帶動砂輪做上下、左右進給運動和旋轉運動。ELID在線修整裝系統設在工作臺左側，當砂輪需要進行ELID在線修整時，可通過上下移動手柄，使ELID在線修整裝系統移動至機床主軸處，進行砂輪的ELID在線修整。三維超聲振動刀具系統設在工作臺上，三維超聲振動刀具系統通過雙頭螺柱與圓形夾具相連接，另一端通過X向變幅桿保持架、Z向變幅桿保持架和Y向變幅桿保持架與工作臺固定連接，以實現工件的三維超聲振動磨削。
[0019]當機床主軸帶動砂輪對工件做內圓磨削時，X向超聲振動換能器、Y向超聲振動換能器和Z向超聲振動換能器分別與X向振動變幅桿、Y向振動變幅桿和Z向振動變幅桿將多通道超聲波發生器傳輸的有一定相位差的同頻三激勵超聲信號分別轉換為三個同頻頻機械振蕩。由于X向振動變幅桿、Y向振動變幅桿和Z向振動變幅桿分別分布在砂輪的徑向、軸向和切向，當三個同頻機械振蕩通過X向振動變幅桿、Y向振動變幅桿和Z向振動變幅桿施加到圓形夾具上時，圓形夾具帶動工件做三個不同方向的機械振動，最終疊加為三維超聲振動。圓形夾具通過卡盤夾緊工件。X向振動變幅桿、Y向振動變幅桿和Z向振動變幅桿中的任意兩個可以用一個縱彎復合振動變幅桿代替。縱彎復合振動變幅桿開有斜槽，其端部設有縱向超聲振動換能器，使其能夠在單激勵下形成縱彎復合振動，從而實現二維超聲橢圓振動。同時另外一個X向振動變幅桿(Y向振動變幅桿或Z向振動變幅桿)在一定相位差的同頻超聲激勵信號激勵下產生縱向振動。這樣最終促使工件做三維超聲振動。
[0020]用銷釘連接固定套筒和支撐軸，操作者可通過銷釘調節支撐軸的高度。固定套筒27底部設有磁力吸盤，并設有手柄，通過手柄的上下移動可實現磁力吸盤與工作臺的相對移動與固定。支撐軸上設有陰極支撐架和陽極固定板。支撐軸設置有外螺紋，陰極支撐架通過螺紋與支撐軸配合，陰極支撐架端部設置有陰極電解裝置，使用者可通過轉動陰極支撐架來調節半銅環電極和橡膠隔離套的高度，橡膠隔離套可起到絕緣作用。陽極固定板通過兩個設置有內螺紋的絕緣夾板固定在支撐軸上。陽極固定板和兩個絕緣夾板采用塑料材質做成，可以保證陽極的絕緣性能。陽極固定板的一端設置有與ELID電源陽極連接的陽極碳刷，在進行ELID砂輪在線修整時陽極碳刷可與機床主軸上的導電零件壓接，保證砂輪帶有正電，半銅環電極的軸心線與砂輪的軸心線平行。
[0021]在進行砂輪的ELID在線修整時，ELID電源陽極通過陽極碳刷與機床主軸上的導電零件壓接，ELID電源陰極與半銅環電極連接。當磨削液進入半銅環電極與砂輪表面之間的間隙后，在電流的作用下，砂輪的金屬基體作為陽極被電解，使砂輪中的磨粒露出表面，形成一定的磨粒高度和容肩空間。同時，在砂輪表面逐漸形成一層鈍化膜，阻止電解過程的繼續進行，使砂輪不會過快損耗。當砂輪表面的磨粒磨損后，鈍化膜將會被工件材料刮擦去除，電解繼續進行，可對砂輪表面進一步修整。
[0022]綜上所述，本實用新型通過在機床工作臺左側的ELID在線修整裝系統和主軸下方的三維超聲振動刀具系統，從而在實現三維超聲振動磨削的同時，可根據需求進行砂輪ELID在線修整，形成一種多工藝復合的高效鏡面加工技術，解決了硬脆材料的難加工特性，推進了其在國防、航空航天等高技術領域中的應用。
【附圖說明】
[0023]圖1為本實用新型的結構示意圖；
[0024]圖2為三維超聲振動刀具系統的俯視圖；
[0025]圖3為Y向超聲振動機構的剖視圖；
[0026]圖4為ELID在線修整裝系統的結構示意圖。
[0027]圖5為縱彎復合振動變幅桿和縱向超聲振動換能器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0028]如圖1-圖5所示，本實用新型的一種三維超聲振動ELID內圓磨削實驗裝置，包括機架8，機架8上設有工作臺9，工作臺9上設有三維超聲振動刀具系統和ELID在線修整裝系統10，三維超聲振動刀具系統正上方設有機床主軸系統。
[0029]三維超聲振動刀具系統包括多通道超聲波發生器7、圓形夾具12、X向超聲振動機構5、Y向超聲振動機構6和Z向超聲振動機構40，圓形夾具12、X向超聲振動機構5和Y向超聲振動機構6設在工作臺9上，Z向超聲振動機構40設在工作臺9下方，圓形夾具12頂部用于夾緊工件3的卡盤4 ；
[0030]X向超聲振動機構5包括同軸向設置的X向超聲振動換能器14和X向振動變幅桿15，X向振動變幅桿15通過X向變幅桿保持架16固定到工作臺9上；
[0031]Y向超聲振動機構6包括安裝箱35和采用緊固螺栓32設在安裝箱35頂部的Y向變幅桿保持架31，Y向變幅桿保持架31上垂直設有Y向振動變幅桿33，Y向振動變幅桿33下端設有位于安裝箱35內的Y向超聲振動換能器34 ；
[0032]Z向超聲振動機構4