一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛装置及方法
阅读说明：本技术 一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛装置及方法 (Ultrasonic energy beam-assisted high-efficiency low-damage ultra-precise polishing device and method ) 是由 陈广俊 于化东 许金凯 王晶东 王佳琦 王茂旬 戴槟 王深 于 2021-07-12 设计创作，主要内容包括：一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛装置及方法,属于精密特种加工技术领域,其外部包括外壳、刀柄以及研抛盘,其特征是：所述外壳内部设置有研抛装置,所述研抛装置包括超声研抛模块Ⅰ、超声研抛模块Ⅱ、超声研抛模块Ⅲ、超声研抛模块Ⅳ、超声研抛模块Ⅴ、超声研抛模块Ⅵ以及与定位连接轴,本发明既可以针对微小零部件,还可以针对大面积样件进行研抛,提升超精密研抛的效率与研抛质量,降低研抛成本,以满足零部件高效、低损伤精密制造,以提升零部件的使役性能。(The utility model provides an ultrasonic energy beam assists high-efficient low-damage ultra-precision and grinds throwing device and method, belongs to accurate special type processing technology field, and its outside includes shell, handle of a knife and grinds throwing dish, characterized by: the grinding and polishing device comprises an ultrasonic grinding and polishing module I, an ultrasonic grinding and polishing module II, an ultrasonic grinding and polishing module III, an ultrasonic grinding and polishing module IV, an ultrasonic grinding and polishing module V, an ultrasonic grinding and polishing module VI and a positioning connecting shaft.)
技术领域
本发明属于精密特种加工技术领域，特别是涉及到一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛装置及方法。
背景技术
超精密研抛加工技术在典型硬脆材料超精密制造领域具有广泛的应用。超精密研抛加工通常为机械加工的最后一道工序，因此提升研抛的加工效率与加工质量，对于缩短关键设备的研发生产周期，提升关键零部件的使役性能具有重大意义。然而，与常规机械加工类似，需要研抛的样件往往在结构、大小、数量等方面各式各样，大批量样件的来回切换增加了加工的准备时间，降低了生产效率，提高了操作人员的劳动强度；其次，需要进行大面积研抛的样件往往需要根据表面特征尺寸设计相应的夹具或者配备不同的加工设备来满足研抛需求，设备灵活性差，这限制了设备的加工适应性，增加了研抛难度与加工设备的投入成本；常规研抛加工的特点是材料去除量小、精度高、效率低，对表面损伤低要求苛刻，尤其是表面残余应力以及微裂纹，因此，往往需要在加工效率与加工质量间做出选择，这限制了研抛质量的提升空间，也约束了研抛效率的提高；
因此，现有技术中亟需一种新的技术方案来解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛装置及方法，既可以针对微小零部件，还可以针对大面积样件进行研抛，提升超精密研抛的效率与研抛质量，降低研抛成本，以满足零部件高效、低损伤精密制造，以提升零部件的使役性能。
一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛装置，其外部包括外壳、刀柄以及研抛盘，其特征是：所述外壳内部设置有研抛装置，所述研抛装置包括超声研抛模块Ⅰ、超声研抛模块Ⅱ、超声研抛模块Ⅲ、超声研抛模块Ⅳ、超声研抛模块Ⅴ、超声研抛模块Ⅵ以及与定位连接轴，
所述超声研抛模块Ⅰ为主动式旋转，所述超声研抛模块Ⅱ、超声研抛模块Ⅲ、超声研抛模块Ⅳ、超声研抛模块Ⅴ以及超声研抛模块Ⅵ为被动式旋转，均设置在超声模块安装座上；所述超声研抛模块Ⅰ与超声研抛模块Ⅲ以及超声研抛模块Ⅴ通过同步带Ⅱ连接；所述超声研抛模块Ⅰ与超声研抛模块Ⅱ、超声研抛模块Ⅳ以及超声研抛模块Ⅵ通过同步带Ⅰ连接；所述定位连接轴与刀柄通过夹头连接；
所述超声研抛模块Ⅰ内部设置有压簧Ⅱ、轴承Ⅱ、电机转子、电机定子、滑套Ⅱ、安装套Ⅱ、轴承Ⅲ、压盖Ⅱ、换能器轴套Ⅱ、换能器Ⅱ、组合同步带轮以及散热轴盖Ⅱ，所述换能器Ⅱ设置在超声研抛模块Ⅰ的中轴位置，换能器Ⅱ通过换能器轴套Ⅱ与电机转子连接，且换能器轴套Ⅱ上端与轴承Ⅲ的内环配合，换能器Ⅱ下端与轴承Ⅱ的内环配合；所述轴承Ⅲ的外环与滑套Ⅱ上端配合，所述轴承Ⅱ的外环与滑套Ⅱ下端配合；所述电机定子固定在滑套Ⅱ中部，电机定子与电机转子配合为换能器Ⅱ的自转供能；所述滑套Ⅱ与安装套Ⅱ同轴配合，所述压盖Ⅱ与安装套Ⅱ同轴连接；滑套Ⅱ上下端面均布孔内、安装套Ⅱ下端均布孔内以及压盖Ⅱ内部布孔内均设置有预紧力压簧Ⅱ；所述换能器轴套Ⅱ上端面与散热轴盖Ⅱ固联，组合同步带轮与散热轴盖Ⅱ同轴固联；
所述超声研抛模块Ⅱ、超声研抛模块Ⅲ、超声研抛模块Ⅳ、超声研抛模块Ⅴ以及超声研抛模块Ⅵ的结构相同，内部均设置有散热轴盖Ⅰ、同步带轮、换能器Ⅰ、压盖Ⅰ、安装套Ⅰ、滑套Ⅰ、轴承Ⅰ、压簧、换能器轴套Ⅰ以及压圈Ⅰ，所述换能器Ⅰ设置在中轴位置，与换能器轴套Ⅰ连接；所述换能器轴套Ⅰ与轴承Ⅰ同轴配合；所述轴承Ⅰ与滑套同轴配合；所述轴承Ⅰ外环设置有压圈Ⅰ；所述滑套Ⅰ与安装套Ⅰ同轴配合；所述压盖Ⅰ与安装套Ⅰ同轴连接；所述滑套Ⅰ上下端面均布孔内、安装套Ⅰ下端均布孔内以及压盖Ⅰ内部均布孔内均设置有预紧力压簧Ⅰ；所述换能器轴套Ⅰ上端面与散热轴盖Ⅰ连接，同步带轮与散热轴盖Ⅰ同轴固联。
一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛方法，其特征是：采用所述的一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛装置，包括以下步骤，其以下步骤顺次进行，
步骤一、首先将一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛装置通过刀柄安装在机床主轴上，随后将需要批量研抛的微小异型零件安装在各超声研抛模块换能器变幅杆端部；
步骤二、在研抛盘内安装砂纸或者抛光布，打开超声研抛模块Ⅰ的自转开关，超声研抛模块Ⅱ、超声研抛模块Ⅲ、超声研抛模块Ⅳ、超声研抛模块Ⅴ以及超声研抛模块Ⅵ随着转动；
步骤三、打开机床主轴，使主轴低速运转，随后主轴下降，带动研抛装置贴近研抛盘，开始研抛。
一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛方法，其特征是：采用所述的一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛装置，包括以下步骤，其以下步骤顺次进行，
步骤一、将待研抛工件浸泡在研抛液中，并固定在机床夹具上；
步骤二、打开超声研抛模块Ⅰ的自转开关，超声研抛模块Ⅱ、超声研抛模块Ⅲ、超声研抛模块Ⅳ、超声研抛模块Ⅴ以及超声研抛模块Ⅵ随着转动；
步骤三、将一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛装置通过刀柄安装在机床主轴上，打开机床主轴，使主轴低速运转，随后主轴下降，带动研抛装置贴近样件表面，到一定距离后，锁死主轴，开始研抛。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛装置及方法，利用超声能束辅助以及柔性支撑装置，解决了精密研抛过程中效率低、设备适应性差、残余应力不均等问题，极大程度上提高了研抛质量，降低了零部件的生产周期。
本发明的进一步有益效果在于：
1、设计的超声能束辅助柔性低损伤超精密研抛装置具备两种工作模式：
(1)、超声研抛模块可以作为安装微小待研抛样件的夹具，搭配固定研抛砂纸或绒布的研抛盘，利用样件振动方式实现微小样件的大批量高效研抛，解决大批量异型样件研抛效率低的难题，降低了操作人员劳动强度；
(2)、超声研抛模块可作为阵列式研抛头，利用超声能束对研抛液产生的冲击能，对待研抛的大平面进行非接触式低损伤研抛，降低了研抛表面残余应力与微缺陷的不均匀性；
工作模式的可切换特点提高了加工机床对多特征样件的加工适应性，降低了设备投入成本。
2、超声研抛模块内部设置的柔性支撑增强了研抛装置的整体抗干扰能力与加工稳定性，同时使研抛装置可以对存在高度差的大面积任意曲面进行加工，降低了大型抛光面研抛难度。
3、利用超声能束阵列轰击待研抛表面的方式实现材料表面的高精度研抛加工，提高了研抛效率，均化了已加工表面残余应力，极大提升了研抛质量，降低了生产周期。
4、通过各超声研抛模块的主动-被动差速自转运动轨迹、主轴的公转运动轨迹、机床运动轨迹的协调控制，使换能器相对于研抛盘的运动轨迹分布更加均匀，避免了轨迹过早出现周期性重复以及研具的不均匀磨损，提高了研抛效率和研抛质量。
附图说明
以下结合附图和
具体实施方式
对本发明作进一步的说明：
图1为本发明一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛装置外部结构示意图。
图2为本发明一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛装置内部结构示意图。
图3为本发明一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛装置研抛模块内部结构剖视图。
图4为本发明一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛装置散热轴盖Ⅰ结构示意图。
图5为本发明一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛装置定位连接轴结构示意图。
图6为本发明一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛装置安装套Ⅱ结构示意图。
图7为本发明一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛装置压盖Ⅱ结构示意图。
图8为本发明一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛方法加工微小工件示意图。
图9为本发明一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛方法加工工件示意图。
图中1-外壳、2-刀柄、3-研抛盘、4-同步带Ⅰ、5-超声研抛模块Ⅰ、6-连接轴、7-夹头、8-超声研抛模块Ⅱ、9-超声研抛模块Ⅲ、10-超声研抛模块Ⅳ、11-超声模块安装座、12-超声研抛模块Ⅴ、13-同步带Ⅱ、14-超声研抛模块Ⅵ、15-散热轴盖Ⅰ、16-同步带轮、17-换能器Ⅰ、18-压盖Ⅰ、19-安装套Ⅰ、20-滑套Ⅰ、21-轴承Ⅰ、22-压簧、23-换能器轴套Ⅰ、24-压圈Ⅰ、25-压簧Ⅱ、26-轴承Ⅱ、27-电机转子、28-电机定子、29-滑套Ⅱ、30-安装套Ⅱ、31-轴承Ⅲ、32-压盖Ⅱ、33-换能器轴套Ⅱ、34-换能器Ⅱ、35-组合同步带轮、36-散热轴盖Ⅱ、37-微小工件、38-工件。
具体实施方式
一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛装置，如图1所示，其外部包括外壳1、刀柄2以及研抛盘3，如图2所示，其内部的研抛装置包括超声研抛模块Ⅰ5、超声研抛模块Ⅱ8、超声研抛模块Ⅲ9、超声研抛模块Ⅳ10、超声研抛模块Ⅴ12、超声研抛模块Ⅵ14以及与定位连接轴6，
具体的，所述超声研抛模块Ⅰ5为主动式旋转，所述超声研抛模块Ⅱ8、超声研抛模块Ⅲ9、超声研抛模块Ⅳ10、超声研抛模块Ⅴ12以及超声研抛模块Ⅵ14为被动式旋转，均设置在超声模块安装座11上；所述超声研抛模块Ⅰ5与超声研抛模块Ⅲ9以及超声研抛模块Ⅴ12通过同步带Ⅱ13连接；所述超声研抛模块Ⅰ5与超声研抛模块Ⅱ8、超声研抛模块Ⅳ10以及超声研抛模块Ⅵ14通过同步带Ⅰ4连接；所述定位连接轴6与刀柄2通过夹头7连接；
超声研抛模块Ⅰ5顶端安装有组合同步带轮35，超声研抛模块Ⅲ9与超声研抛模块Ⅴ12顶部倒置安装了与组合同步带轮35同样的同步带轮。超声研抛模块Ⅱ8、超声研抛模块Ⅳ10与超声研抛模块Ⅵ14顶部安装了与同步带轮16相同的同步带轮。同步带Ⅰ4连接了超声研抛模块Ⅰ5顶部组合同步带轮35的小径带轮、超声研抛模块Ⅱ8顶部的同步带轮、超声研抛模块Ⅳ10顶部的同步带轮和超声研抛模块Ⅵ14顶部的同步带轮。同步带Ⅱ13连接了超声研抛模块Ⅰ5顶部组合同步带轮35的大径带轮、超声研抛模块Ⅲ9顶部组合同步带轮的小径带轮与超声研抛模块Ⅴ12顶部组合同步带轮的小径带轮。当超声研抛模块Ⅰ5自转时，会带动超声研抛模块Ⅱ8、超声研抛模块Ⅲ9、超声研抛模块Ⅳ10、超声研抛模块Ⅴ12、超声研抛模块Ⅵ14自转，且自转速度不同。
如图3～图7所示，所述超声研抛模块Ⅰ5内部设置有压簧Ⅱ25、轴承Ⅱ26、电机转子27、电机定子28、滑套Ⅱ29、安装套Ⅱ30、轴承Ⅲ31、压盖Ⅱ32、换能器轴套Ⅱ33、换能器Ⅱ34、组合同步带轮35以及散热轴盖Ⅱ36，旋转超声研抛模块Ⅰ5最内侧的换能器Ⅱ34通过换能器轴套Ⅱ33与电机转子27固联。同时，换能器轴套Ⅱ33上端与换能器Ⅱ34下端分别与轴承Ⅲ31、轴承Ⅱ26的内环配合，以保证换能器Ⅱ34的自转。轴承Ⅲ31与轴承Ⅱ26的外环与滑套Ⅱ29上下端配合，同时，电机定子28固定在滑套Ⅱ29中部，电机定子28与电机转子27搭配为换能器Ⅱ34的自转提供能量。滑套Ⅱ29与安装套Ⅱ30同轴配合，压盖Ⅱ32与安装套Ⅱ30同轴固联。滑套Ⅱ29上下端面均布孔内、安装套Ⅱ30下端均布孔内以及压盖Ⅱ32内部均布孔内安装有预紧力压簧Ⅱ25，压簧Ⅱ25被压缩时，会使滑套Ⅱ29与安装套Ⅱ30、滑套Ⅱ29与压盖Ⅱ32之间产生反作用力，使滑套Ⅱ29与安装套Ⅱ30二者可以在轴向进行小位移化滑动，从而使换能器Ⅱ34处于柔性支撑的浮动状态。换能器轴套Ⅱ33上端面与散热轴盖Ⅱ36固联，组合同步带轮35与散热轴盖Ⅱ36同轴固联。
如图3～图7所示，超声研抛模块Ⅱ8、超声研抛模块Ⅲ9、超声研抛模块Ⅳ10、超声研抛模块Ⅴ12以及超声研抛模块Ⅵ14的结构相同，内部均设置有散热轴盖Ⅰ15、同步带轮16、换能器Ⅰ17、压盖Ⅰ18、安装套Ⅰ19、滑套Ⅰ20、轴承Ⅰ21、压簧22、换能器轴套Ⅰ23以及压圈Ⅰ24，所述换能器Ⅰ17与换能器轴套Ⅰ23固联。同时，换能器轴套Ⅰ23与轴承Ⅰ21同轴配合。轴承Ⅰ21与滑套Ⅰ20同轴配合，轴承Ⅰ21外环被压圈Ⅰ24限制。滑套Ⅰ20与安装套Ⅰ19同轴配合，压盖Ⅰ18与安装套Ⅰ19同轴固联。滑套Ⅰ20上下端面均布孔内、安装套Ⅰ19下端均布孔内以及压盖Ⅰ18内部均布孔内安装有预紧力压簧Ⅰ22，压簧Ⅰ22被压缩时，会使滑套Ⅰ20与安装套Ⅰ19、滑套Ⅰ20与压盖Ⅰ18之间产生反作用力，使滑套Ⅰ20与安装套Ⅰ19二者可以在轴向进行小位移化滑动，从而使换能器Ⅰ17处于柔性支撑的浮动状态。换能器轴套Ⅰ23上端面与散热轴盖Ⅰ15固联，同步带轮16与散热轴盖Ⅰ15同轴固联。
一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛方法，
包括两种工作模式，用于研抛微小工件37，如图8所示，包括以下步骤，
步骤一、首先将一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛装置通过刀柄2安装在机床主轴上，随后将需要批量研抛的微小异型零件安装在各超声研抛模块换能器变幅杆端部；
步骤二、在研抛盘3内安装砂纸或者抛光布，打开超声研抛模块Ⅰ5的自转开关，超声研抛模块Ⅱ8、超声研抛模块Ⅲ9、超声研抛模块Ⅳ10、超声研抛模块Ⅴ12以及超声研抛模块Ⅵ14随着转动；
步骤三、打开机床主轴，使主轴低速运转，随后主轴下降，带动研抛装置贴近研抛盘3，开始研抛。
用于研抛工件38、如图9所示，包括以下步骤，
步骤一、将待研抛工件38浸泡在研抛液中，并固定在机床夹具上；
步骤二、打开超声研抛模块Ⅰ5的自转开关，超声研抛模块Ⅱ8、超声研抛模块Ⅲ9、超声研抛模块Ⅳ10、超声研抛模块Ⅴ12以及超声研抛模块Ⅵ14随着转动；
步骤三、将一种超声能束辅助高效低损伤超精密研抛装置通过刀柄2安装在机床主轴上，打开机床主轴，使主轴低速运转，随后主轴下降，带动研抛装置贴近样件表面，到一定距离后，锁死主轴，开始研抛。
以上所述仅为本发明优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种自收集废屑的铣刀加工用定位装置