超声振动辅助磨削-脉冲放电复合加工主轴单元

摘要

本发明公开了一种超声振动辅助磨削-脉冲放电复合加工主轴单元。它具有结构简单，使用方便，可实现高效稳定可靠的复合加工等优点，其结构为：它包括壳体，主轴穿过壳体并与超声振动加工装置和传动带轮连接，在超声振动加工装置上设有电火花脉冲放电加工和磨削加工装置，在壳体的内壁还设有校正支撑套筒，圆锥滚子轴承安装在其内侧。

权利要求

1.一种超声振动辅助磨削-脉冲放电复合加工主轴单元，其特征是，它包括壳体(4)，主轴穿过壳体(4)并与超声振动加工装置和传动带轮(7)连接，在超声振动加工装置上设有电火花脉冲放电加工和磨削加工装置，在壳体(4)的内壁还设有校正支撑套筒(5)，圆锥滚子轴承(3)安装在其内侧；所述超声振动加工装置包括超声波变幅杆(2)，它的上端安装压电陶瓷换能片(6)，下端安装电火花脉冲放电加工和磨削加工装置，在主轴上端安装双重可旋转的集流环(8)与碳刷(9)，同时主轴还与超声冷却系统连接；所述电火花脉冲放电加工和磨削加工装置为安装在超声波变幅杆(2)末端的砂轮(1)，砂轮(1)它通过细牙螺纹安装在超声波变幅杆(2)下端，在连接面上有涂覆的凡士林油，砂轮(1)与外部脉冲电源的阴极连接。

2.如权利要求1所述的超声振动辅助磨削-脉冲放电复合加工主轴单元，其特征是，所述超声冷却系统为循环水冷系统，它采用套管循环方式，包括进流套管(12)和回流套管(11)，两套管安装在冷却系统支撑架(10)上，冷却系统支撑架(10)安装壳体(4)上；同时两套管分别与相应的进液管道(14)和回液管道(13)连接，进液管道(14)和回液管道(13)均与射流泵(15)连接，供液泵(16)与射流泵(15)连接，射流泵(15)通过回流管道(18)与储液箱(17)连接。

说明书

超声振动辅助磨削-脉冲放电复合加工主轴单元

技术领域

[0001] 本发明属于特种加工领域的一种新的复合加工方法所需的关键加工装置，尤其涉及一种超声振动辅助磨削-脉冲放电复合加工主轴单元。

背景技术

[0002] 目前电子工业、机械工业、航空航天工业以及核能工业等迅速发展，对高强度、高硬度、高韧性、高脆性材料的需求越来越大，对加工技术和设备的要求越来越高。传统的切削、磨削加工技术和设备已经难以满足日益增长的各种加工要求。

发明内容

[0003] 本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种具有结构简单，使用方便，可实现高效稳定可靠的复合加工等优点的超声振动辅助磨削-脉冲放电复合加工主轴单元。

[0004] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0005] 一种超声振动辅助磨削-脉冲放电复合加工主轴单元，它包括壳体，主轴穿过壳体并与超声振动加工装置和传动带轮连接，在超声振动加工装置上设有电火花脉冲放电加工和磨削加工装置，在壳体的内壁还设有校正支撑套筒，圆锥滚子轴承安装在其内侧。

[0006] 所述超声振动加工装置包括超声波变幅杆，它的上端安装压电陶瓷换能片，下端安装电火花脉冲放电加工和磨削加工装置，在主轴上端安装双重可旋转的集流环与碳刷，同时主轴还与超声冷却系统连接。

[0007] 所述超声冷却系统为循环水冷系统，它采用套管循环方式，包括进流套管和回流套管，两套管安装在冷却系统支撑架上，冷却系统支撑架安装壳体上；同时两套管分别与相应的进液管道和回液管道连接，进液管道和回液管道均与射流泵连接，供液泵与射流泵连接，射流泵通过另一回流管道与储液箱连接。

[0008] 所述电火花脉冲放电加工和磨削加工装置为安装在超声波变幅杆末端的砂轮，砂轮它通过细牙螺纹安装在超声波变幅杆下端，在连接面上有涂覆的凡士林油，砂轮与外部脉冲电源的阴极连接。

[0009] 本发明将超声振动加工、电火花脉冲放电加工和磨削加工有效地结合在一起，实现高效稳定可靠的复合加工。超声振动辅助磨削-脉冲放电复合加工过程是以脉冲放电和磨削加工起主要材料蚀除作用的过程。复合加工过程中，脉冲放电加工和磨削加工都附加了超声振动。超声波空化作用、泵吸作用和涡流作用及超声振动产生的交变压力等为电火花加工和磨削加工的高效稳定提供了有利的条件。

[0010] 本发明可以实现超声振动加工、电火花脉冲放电加工和磨削加工三种加工方法的复合加工。其中，复合加工单元是实现超声振动加工、电火花脉冲放电加工和磨削加工有效结合，并实现其稳定可靠的复合加工的关键装置，它主要包括：主轴转动系统、超声振动系统、冷却系统、电火花加工系统等。

[0011] 本发明的有益效果是：可以实现超声振动加工、电火花脉冲放电加工和磨削加工的有效结合，可以实现多种形式的加工过程，即磨削加工、超声波加工、电火花脉冲放电加工、磨削-脉冲放电复合加工、超声振动辅助磨削复合加工以及超声振动辅助磨削-脉冲放电复合加工等，结构紧凑，过程稳定。合理可行。设备结构紧凑，运行可靠，可实现高速旋转状态下三种加工方法的复合加工，过程稳定，效果良好。超声振动辅助磨削-脉冲放电复合加工有效地结合了超声振动加工、电火花脉冲放电加工以及磨削加工。复合加工过程中，磨削加工与电火花脉冲放电加工互为有利条件，可以显著提高加工效率；通过调整加工参数，可以获得高质量的加工表面。超声振动可以强化磨削加工和电火花脉冲放电加工的复合加工效果，并可以提高电火花脉冲放电加工过程的稳定性。

附图说明

[0012] 图1是本发明结构示意图。

[0013] 图2是冷却系统结构框图。

[0014] 图中，1砂轮，2变幅杆，3圆锥滚子轴承，4壳体，5校正支撑套筒，6压电陶瓷换能片，7传动带轮，8集流环，9碳刷，10冷却系统支撑架，11回流套管，12进流套管，13回液管道，14进液管道，15射流泵，16供液泵，17储液箱、18回流管道。

具体实施方式

[0015] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

[0016] 如图1、图2，它包括壳体4，主轴穿过壳体4并与超声振动加工装置连接，在超声振动加工装置上设有电火花脉冲放电加工和磨削加工装置，在壳体4的内壁还设有校正支撑套筒5，圆锥滚子轴承3安装在其内侧。主轴还与传动带轮7连接。

[0017] 超声振动加工装置包括超声波变幅杆2，它的上端安装压电陶瓷换能片6，下端安装电火花脉冲放电加工和磨削加工装置，在主轴上端安装双重可旋转的集流环8与碳刷9，同时主轴还与超声冷却系统连接。超声冷却系统为循环水冷系统，它采用套管循环方式，包括进流套管12和回流套管11，两套管安装在冷却系统支撑架10上，冷却系统支撑架10安装壳体4上；同时两套管分别与相应的进液管道14和回液管道13连接，进液管道14和回液管道13均与射流泵15连接，供液泵16与射流泵15连接，射流泵15通过另一回流管道18与储液箱17连接。供液泵16输出的工作液经进流套管12进主轴内腔，对换能器进行冷却，主轴内腔的冷却液达到回流套管11高度时，回流到射流泵15后，其中一部分回到冷却液储液箱17，另一部分分流进入射流泵15，通过射流技术进入进液管道14。系统采用射流泵的射流技术使冷却液循环达到双稳单态，从而实现冷却水对超声波换能器的稳定循环冷却。

[0018] 电火花脉冲放电加工和磨削加工装置为安装在超声波变幅杆2末端的砂轮1。砂轮1它通过细牙螺纹安装在超声波变幅杆2下端，在连接面上有涂覆的凡士林油，砂轮1与外部脉冲电源的阴极连接。

[0019] 本发明可以实现多种形式的加工过程，即超声波加工、电火花脉冲放电加工、磨削-脉冲放电复合加工、超声振动辅助磨削复合加工以及超声振动辅助磨削-脉冲放电复合加工等。本发明通过压电陶瓷换能器6把外置超声波电源输出的超声频振荡信号转化为超声振动，并通过变幅杆2调整超声振动的振幅，来带动安装在变幅杆2下端的砂轮1进行超声振动，实现超声振动辅助磨削加工。砂轮1和工件分别接外置脉冲电源的正负极。磨削加工不断地去除表皮氧化层和砂轮1在变幅杆2的带动下进行的超声振动，为放电加工提供了有利条件，可以进行超声振动辅助磨削-脉冲放电复合加工。

[0020] 其工作原理为：

[0021] 1、超声振动加工系统

[0022] 本机床工作时所需要的功率比较大，故采用水冷磁致伸缩换能器等冷却效果较好的超声波换能器。为获得较大的振幅，要求超声波变幅杆材料声阻抗小、疲劳强度高、易于机械加工、抗腐蚀性好等。为提高超声波变幅杆2的抗疲劳性及声学性能，还要求材料的纤维方向与传播方向一致。超声波变幅杆2同砂轮1的连接采用细牙螺纹的形式进行连接，并在连接面上涂抹凡士林油，以利于更换工具并最大限度减小能量损失。

[0023] 工具电极需要同时进行高精度的旋转和超声振动。本系统在主轴上端使用高精度的旋转集流环8与碳刷9来解决工具电极的高精度旋转与工具超声波信号的输入问题，并采用双重集流环与碳刷的冗余设计方案。磁致伸缩换能器的电压高，当碳刷9和集流环8接触不良时极易发生放电现象，因此，采用弹簧支撑碳刷，使碳刷9在弹簧作用下始终和集流环8保持良好接触，可有效防止放电现象的发生。

[0024] 本系统采用循环水冷冷却方式，对磁致伸缩式超声系统进行冷却。超声冷却系统采用套管循环方式，供液泵16输出的工作液经进液管道14进入进流套管12，然后进主轴内腔，对换能器进行冷却，主轴内腔的冷却液达到回流套管11高度时，经回流套管11、回液管道13回流到射流泵15后，其中一部分回到冷却液储液箱17，另一部分分流进入射流泵15，通过射流技术进入进液管道14。系统采用射流泵的射流技术使冷却液循环达到双稳单态，从而实现冷却水对超声波换能器的稳定循环冷却。

[0025] 2、电火花加工系统

[0026] 电火花加工的工件和工具分别接脉冲电源的阳极和阴极，并要求工作台与机床本体之间保持良好的绝缘性，因此本机床采用具有良好绝缘性、稳定性和微小变形的花岗岩实现工作台与机床本体之间的绝缘。电火花脉冲放电加工使用的工具即磨削加工中使用的砂轮。砂轮的结合剂具有良好导电性，磨粒是绝缘材料，可满足电火花脉冲放电加工和磨削加工同时进行。