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CN101947749A - 一种变位自转超声波振动平面双面研磨数控机床 - Google Patents

一种变位自转超声波振动平面双面研磨数控机床 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变位自转超声波振动平面双面研磨数控机床，包括在机床的床身上设置有立柱，在床身台面上设置有Y轴运动组件，Y轴运动组件上表面安装有绕Z坐标回转的下回转运动组件，下回转运动组件同轴安装有下研磨盘；立柱上固定安装有超声波振动组件，超声波振动组件上设置有夹持工件组件的隔离盘；立柱的上方安装有X轴运动组件，X轴运动组件的立面安装有Z轴运动组件，Z轴运动组件上设置有绕Z坐标回转的上回转运动组件，上回转运动组件的回转轴上同轴安装有上研磨盘。本发明的装置，综合提高了研磨运动轨迹时变性、研磨速度分布均匀性、加工效率和加工精度。

Description

一种变位自转超声波振动平面双面研磨数控机床
技术领域
本发明属于机械加工设备技术领域，涉及一种进行平面双面研磨的数控机床，具体涉及一种变位自转超声波振动平面双面研磨数控机床。
背景技术
研磨是精密和超精密加工的最终光整加工方法，研磨方法可分为散粒磨料研磨、固着磨料研磨、磁力研磨、振动研磨、电解研磨、机械化学研磨、磁性流体研磨等。按工件表面形状可分为两大类：平面研磨和曲面研磨。平面研磨又可分为单面研磨和双面研磨，双面研磨是工件在上研磨盘和下研磨盘之间，同时研磨工件的两面，研磨效率高。本发明具体涉及固着磨料（即将磨料和磨具合一为研磨盘）平面双面研磨数控机床。
研磨原理要求包括：1）研磨运动的轨迹在每一瞬时都应该是不断改变的（即研磨运动轨迹应当是时变的），轨迹应当尽可能不重复，以保证被研磨的工件表面上获得均匀的，无主导方向的研磨条纹。2）研磨盘与工件间的相对运动速度分布对于研磨盘的均匀磨损、工件的均匀研磨以及研磨盘和工件表面形状精度都是非常重要的，应尽量使相对运动速度分布均匀。3）为提高加工效率，应选用较高的研磨速度；但表面残余应力将随着研磨速度的增加而增大，且随着速度的增加，工件表面硬化程度变大，因此表面残余应力及硬化制约了研磨速度的提高。
对固着磨料平面研磨而言，要求在研磨盘旋转的同时，工件必须能够自转，才能保证研磨运动（研磨盘与工件之间的相对运动）轨迹不重复，满足研磨运动轨迹时变的要求。现有的双面研磨机大多采用行星机构驱动隔离盘作行星运动带动工件自转，行星机构结构比较复杂，隔离盘(行星轮)的受力状况比较恶劣，磨损比较严重；工件自转中心与研磨盘中心的距离（半径）为定值，可以称谓定距离自转，定距离自转的缺点之一是工件自转中心处自转速度为零，因此研磨运动轨迹时变性差，另一缺点是工件表面各研磨点处的研磨速度是研磨盘转速与工件自转转速在研磨点处的线速度之和，由于工件自转中心处自转速度为零使研磨速度分布均匀性差。还有的平面双面研磨机采用隔离盘作偏心平动的形式，上、下研磨盘固定不动，工件装夹在隔离盘中随隔离盘做平面运动（由正弦机构带动），这种平面双面研磨机可以部分改善前一种方法的研磨运动轨迹时变性差和研磨速度分布均匀性差的缺点；但仍然存在正弦机构结构比较复杂，隔离盘的受力状况比较恶劣，磨损比较严重的缺点；特别是其上、下研磨盘固定，仅工件做平面运动，研磨速度很低，加工效率低下。一般的平面双面研磨机床的研磨接触压力采用液压装置控制。目前还没有工件既可随动自转（无隔离盘带动自转）、又可由数控自动控制自转位置的变位自转平面双面研磨数控机床。
超声波振动研磨有散粒磨料超声波振动研磨和固着磨料磨具超声波振动研磨。固着磨料磨具超声波振动研磨是用超声波振动装置驱动固着磨料磨具产生高频振动。固着磨料磨具超声波振动研磨与普通研磨的主要不同是，普通研磨时磨具相对工件运动一次，磨具中磨粒切削刃只切削一次，而超声波振动研磨时，磨具上的每一个切削刃都在以每秒2-5万次的频率振动，进行微细切削(研磨)，加工效率高而且使工件表面产生均匀细密的切痕，表面粗糙度小，加工精度提高。固着磨料磨具超声波振动研磨适合小质量固着磨料磨具应用（如外圆研磨），在平面双面研磨的双面研磨盘上实现很困难，目前还没有用超声波振动装置驱动上、下研磨盘作高频振动的平面双面研磨数控机床。
发明内容
本发明的目的是提供一种变位自转超声波振动平面双面研磨数控机床，以综合提高研磨运动轨迹时变性、研磨速度分布均匀性；采用超声波振动装置驱动隔离盘产生高频振动，提高加工效率和加工精度。
本发明所采用的技术方案是，一种变位自转超声波振动平面双面研磨数控机床，包括在机床的床身上设置有立柱，在床身台面上设置有Y轴运动组件，Y轴运动组件上表面安装有绕Z坐标回转的下回转运动组件，下回转运动组件同轴安装有下研磨盘；立柱上固定安装有超声波振动组件，超声波振动组件上设置有夹持工件组件的隔离盘；立柱的上方安装有X轴运动组件， X轴运动组件的立面安装有Z轴运动组件，Z轴运动组件上设置有绕Z坐标回转的上回转运动组件，上回转运动组件的回转轴上同轴安装有上研磨盘。
本发明的变位自转超声波振动平面双面研磨数控机床，其特征还在于：
所述X轴运动组件、Z轴运动组件、Y轴运动组件均设置有数控伺服轴，Z轴运动组件采用力矩控制模式，Z轴运动组件的位置精度采用Z运动轴的位移传感器控制模式；X轴运动组件、Y轴运动组件均采用位置控制模式；上回转运动组件和下回转运动组件绕Z坐标的回转运动采用变频电机驱动模式。
所述超声波振动组件的结构是，包括固定在立柱上的后连接件，后连接件和前连接件之间设置有弹性元件，后连接件、前连接件、弹性元件三者之间通过螺栓连接，后连接件与前连接件之间另设置有导向销，导向销一端与后连接件固定连接，导向销的另一端与前连接件的销孔配合连接；后连接件的内腔中设置有超声波换能器，超声波换能器与变幅杆、前连接件依次固定连接，前连接件与隔离盘固定连接。
所述的隔离盘前端设置有轴线平行于Z轴的圆形内孔，工件组件置于隔离盘圆孔内，工件组件的工件上、下表面均露出隔离盘；工件组件包括工件和夹持器，工件装卡在夹持器内孔中，工件上、下表面露出夹持器，夹持器外轮廓为圆盘形，与隔离盘圆形内孔配合，夹持器内孔与工件外轮廓相配。
所述的隔离盘上设置多个圆孔，每个圆孔放置一个工件组件。
本发明数控机床的有益效果是，上、下研磨盘对工件的研磨力合力产生的力矩使工件组件绕其中心随动自转，隔离盘仅作高频振动受力情况好；工件组件的自转是变位自转，自转+自动控制变位，研磨运动轨迹时变性好；对隔离盘施加超声波振动，给工件组件附加了高频振动，可大大均化研磨速度，提高研磨速度分布均匀性、加工效率和加工精度，减小高速研磨的表面残余应力及硬化；研磨接触压力由数控伺服轴的力矩控制实现，结构简单。
附图说明
图1是本发明数控机床的结构示意图；
图2是本发明数控机床中的超声波振动组件与隔离盘连接的局部示意图；
图3是本发明数控机床中的超声波振动组件的结构示意图；
图4是本发明数控机床中的研磨盘及工件组件的工作原理示意图。
图中，1.床身，2.超声波振动组件，3.立柱，4.X轴运动组件，5.Z轴运动组件，6.上回转运动组件，7.上研磨盘，8.隔离盘，9.工件组件，10.下研磨盘，11.下回转运动组件，12.Y轴运动组件，2-1.后连接件，2-2.弹性元件，2-3.前连接件，2-4.变幅杆，2-5.导向销，2-6.超声波换能器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明变位自转超声波振动平面双面研磨数控机床的结构是，包括在机床床身1后部设置有立柱3，在床身1台面上设置有Y轴运动组件12，Y轴运动组件12上表面安装有绕Z坐标回转的下回转运动组件11，下回转运动组件11同轴安装有下研磨盘10；立柱3上（中段）固定安装有超声波振动组件2，超声波振动组件2设置有夹持工件组件9的隔离盘8；立柱3的上方（上段）安装有水平移动的X轴运动组件4， X轴运动组件4的立面安装有Z轴运动组件5，Z轴运动组件5上设置有绕Z坐标回转的上回转运动组件6，上回转运动组件6的回转轴上同轴安装有上研磨盘7。
具体实施时，将立柱3固定安装在床身1后端上方，超声波振动组件2后端固定安装在立柱3下前方，立柱3上前方向前依次设置有X轴运动组件4、Z轴运动组件5、上回转运动组件6，上研磨盘7同轴安装在上回转运动组件6的下方并由上回转运动组件6驱动其绕Z坐标作回转运动；床身1前端上方向上依次设置有Y轴运动组件12、下回转运动组件11，下研磨盘10同轴安装在下回转运动组件11上方并由下回转运动组件11驱动其绕Z坐标作回转运动。
X轴运动组件4、Z轴运动组件5、Y轴运动组件12均设置有数控伺服轴，Z轴运动组件5还设置有力矩控制装置，采用力矩控制模式，以控制研磨接触压力（指上、下研磨盘与工件的上、下表面之间的法向接触压力），Z轴运动组件5的位置精度采用Z运动轴的位移传感器控制模式；X轴运动组件4、Y轴运动组件12均采用位置控制模式；上回转运动组件6和下回转运动组件11绕Z坐标的回转运动采用变频电机驱动模式。上述运动组件均与中央控制器连接，接受统一控制，协同完成研磨。
如图2所示，隔离盘8位于上研磨盘7和下研磨盘10之间，隔离盘8的后端与超声波振动组件2连接，并由超声波振动组件2对隔离盘8施加高频超声波振动，隔离盘8前端设置有轴线平行于Z轴的圆形内孔，工件组件9置于隔离盘8圆孔内，可以相对隔离盘8绕Z坐标作自转回转运动，工件组件9的工件上、下表面均露出隔离盘8，上研磨盘7的下表面压紧在工件组件9的上表面，下研磨盘10的上表面压紧在工件组件9的下表面，从而实现对工件施加研磨接触压力，再由上、下研磨盘旋转对工件产生研磨切削力。研磨小工件时，隔离盘8上可设置多个圆孔，放置多个工件组件9，同时对多个工件进行研磨。
如图3所示，超声波振动组件2的结构是，包括后连接件2-1、弹性元件2-2、前连接件2-3、变幅杆2-4、导向销2-5、超声波换能器2-6组成，后连接件2-1固定安装在立柱3上，后连接件2-1和前连接件2-3之间设置有弹性元件2-2，三者通过螺栓连接，后连接件2-1和前连接件2-3之间设置有两组导向销2-5，导向销2-5一端与后连接件2-1固定连接，导向销2-5的另一端与前连接件2-3的销孔配合连接，在前连接件2-3相对后连接件2-1高频振动时进行导向；后连接件2-1的内腔中设置有超声波换能器2-6，超声波换能器2-6与变幅杆2-4、前连接件2-3依次固定连接，变幅杆2-4用于将超声波换能器2-6振幅放大后驱动前连接件2-3作高频振动，前连接件2-3与隔离盘8固定连接，从而驱动隔离盘作高频振动，带动工件作高频振动，而不是驱动作为固着磨料磨具的上、下研磨盘。
如图4所示，上研磨盘7能够实现回转运动ω1和直线运动X，下研磨盘10能够实现回转运动ω2和直线运动Y，工件组件9（工件组件9带动工件运动）具有自转回转运动ω和直线高频振动f。
本发明装置的工作原理是，机床的X、Y、Z运动轴均为数控伺服轴，Z运动轴采用力矩控制模式，以控制研磨接触压力（指上、下研磨盘与工件的上、下表面之间的法向接触压力），Z运动轴的位置精度采用Z运动轴的位移传感器控制模式；X、Y运动轴均采用位置控制模式；上回转运动组件和下回转运动组件绕Z坐标的回转运动采用变频电机驱动模式；超声波换能器把高频电振荡转换成高频机械振动，通过变幅杆将振幅放大驱动隔离盘高频振动，工件组件（包括工件和夹持器，工件装卡在夹持器内孔中二者成为一体，工件上、下表面露出夹持器，夹持器外轮廓为圆盘形，与隔离盘圆形内孔配合，夹持器内孔与工件外轮廓相配，如工件外轮廓为方形，则夹持器内孔为方孔）既可相对隔离盘自转，又可随隔离盘作高频振动。设上回转运动组件和下回转运动组件的回转中心分别用01和02表示，回转速度分别用ω1和ω2表示，工件组件自转中心用0表示，自转速度用ω表示，01和0之间的距离用R1表示，02和0之间的距离用R2表示，工件组件自转中心无宏观运动，仅有超声波振动组件附加的频率为f的高频微小振动位移，因此距离R1和R2将随着X、Y运动轴的运动而变化。
本发明装置实施操作时，工件一方面以速度ω自转；同时自转中心0相对上、下研磨盘中心01、02的位置是变化的；且工件相对上、下研磨盘作高频f振动。工件自转速度变化及自转中心与上、下研磨盘中心的相对位置变化是由上、下研磨盘的回转，X、Y轴运动，超声波振动组件附加振动综合影响决定的。工件的自转属于随动自转，是由上、下研磨盘对工件的研磨切削力（指固着在研磨盘上的磨粒对工件的切削力）合力产生的力矩使工件组件绕其中心自转，而不是隔离盘旋转带动的，故隔离盘仅受力情况好；自转中心0相对上、下研磨盘中心01、02的位置变化是由X、Y伺服轴运动自动控制的，随动自转+自动控制变位，研磨运动轨迹时变性好；工件相对上、下研磨盘作高频f振动是由超声波振动组件的振动通过隔离盘带动的，而不是作为磨具的上、下研磨盘高频振动。

Claims (5)

1. 一种变位自转超声波振动平面双面研磨数控机床，其特征在于：包括在机床的床身（1）上设置有立柱（3），在床身（1）台面上设置有Y轴运动组件（12），Y轴运动组件（12）上表面安装有绕Z坐标回转的下回转运动组件（11），下回转运动组件（11）同轴安装有下研磨盘（10）；立柱（3）上固定安装有超声波振动组件（2），超声波振动组件（2）上设置有夹持工件组件（9）的隔离盘（8）；立柱（3）的上方安装有X轴运动组件（4）， X轴运动组件（4）的立面安装有Z轴运动组件（5），Z轴运动组件（5）上设置有绕Z坐标回转的上回转运动组件（6），上回转运动组件（6）的回转轴上同轴安装有上研磨盘（7）。
2. 根据权利要求1所述的变位自转超声波振动平面双面研磨数控机床，其特征在于：所述的X轴运动组件（4）、Z轴运动组件（5）、Y轴运动组件（12）均设置有数控伺服轴，Z轴运动组件（5）采用力矩控制模式，Z轴运动组件（5）的位置精度采用Z运动轴的位移传感器控制模式；X轴运动组件（4）、Y轴运动组件（12）均采用位置控制模式；上回转运动组件（6）和下回转运动组件（11）绕Z坐标的回转运动采用变频电机驱动模式。
3. 根据权利要求1所述的变位自转超声波振动平面双面研磨数控机床，其特征在于：所述超声波振动组件（2）的结构是，包括固定在立柱（3）上的后连接件（2-1），后连接件（2-1）和前连接件（2-3）之间设置有弹性元件（2-2），后连接件（2-1）、前连接件（2-3）、弹性元件（2-2）三者之间通过螺栓连接，后连接件（2-1）与前连接件（2-3）之间另设置有导向销（2-5），导向销（2-5）一端与后连接件（2-1）固定连接，导向销（2-5）的另一端与前连接件（2-3）的销孔配合连接；后连接件（2-1）的内腔中设置有超声波换能器（2-6），超声波换能器（2-6）与变幅杆（2-4）、前连接件（2-3）依次固定连接，前连接件（2-3）与隔离盘（8）固定连接。
4. 根据权利要求1所述的变位自转超声波振动平面双面研磨数控机床，其特征在于：所述的隔离盘（8）前端设置有轴线平行于Z轴的圆形内孔，工件组件（9）置于隔离盘（8）圆孔内，工件组件（9）的工件上、下表面均露出隔离盘（8）；工件组件（9）包括工件和夹持器，工件装卡在夹持器内孔中，工件上、下表面露出夹持器，夹持器外轮廓为圆盘形，与隔离盘（8）圆形内孔配合，夹持器内孔与工件外轮廓相配。
5. 根据权利要求1所述的变位自转超声波振动平面双面研磨数控机床，其特征在于：所述的隔离盘（8）上设置多个圆孔，每个圆孔放置一个工件组件（9）。
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