一种用于多外圆曲面的行波超声研磨装置

技术领域

本发明涉及压电超声加工设备技术领域，尤其是涉及一种用于多外圆曲面的行波超声研磨装置。

背景技术

研磨作为最常见的超精加工技术广泛应用于硬脆材料、半导体材料和工程陶瓷材料表面的加工工艺中。目前，对于外圆柱曲面的超精加工技术主要分为以无心超精研为代表的传统加工技术和以电化学机械光整加工为代表的特种加工技术。

无心超精研的加工原理是以工件自身外圆表面作为定位基准，由2个同向导辊驱动工件转动，由于工件与油石的相对运动和加工载荷的作用，油石上的磨粒对工件表面产生微量材料去除的效果。因为油石装夹在油石架上，夹持油石时容易出现偏差而造成油石的浪费，而且无心超精研的加工方法受机床精度、导辊磨损等因素的影响，导致工件表面精度难以保持一致性。电化学机械光整加工复合了机械磨削和电化学反应的共同作用，电化学反应使工件表面被腐蚀，从而实现材料去除，生成的超薄氧化膜阻碍电化学反应的进一步发生；利用机械磨削去除氧化膜，电化学反应又重新发生。如此交替往复，工件表面微观尖峰和高点区域不断被削平，最终达到光整加工的效果。

电化学机械光整加工虽然能提高工件表面精度和加工效率，但存在加工系统复杂、加工成本高、环境污染等问题。所以，实现低成本、高效率、高一致性等需求是目前外圆曲面超精密加工方法需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于多外圆曲面的行波超声研磨装置，解决现有加工方法中存在的加工系统复杂、加工效率低下等问题。

根据本发明的一个目的，本发明提供一种用于多外圆曲面的行波超声研磨装置，包括主轴转盘和环形压电工具头，所述环形压电工具头转动设置在所述主轴转盘的上表面，所述主轴转盘与所述环形压电工具头之间可转动的设置有若干外圆类零件，所述环形压电工具头的上端面设有压电陶瓷环片。

进一步地，所述压电陶瓷环片上施加相位差为π/2的两相正弦电压。

进一步地，所述压电陶瓷环片与所述环形压电工具头之间无缝粘紧，且所述环形压电工具头的上方预置一定的静压力。

进一步地，所述主轴转盘的上端面均布有若干带有V形夹口的夹具。

进一步地，所述外圆类零件通过两个相邻的夹具进行定位。

进一步地，所述夹具通过螺钉与所述主轴转盘固定连接。

进一步地，所述夹具在所述主轴转盘上沿圆周方向均匀分布。

进一步地，所述主轴转盘的底部固定连接有旋转主轴。

进一步地，所述环形压电工具头的下端面同时与所有所述外圆类零件的外圆曲面接触。

进一步地，所述环形压电工具头在预置静压力的约束下同时对多个所述外圆类零件的曲面产生研磨微切削作用。

本发明的技术方案利用行波质点的动态椭圆运动代替传统的研磨工具，解决了传统研磨工具易磨损、精度稳定性差、结构复杂等问题。行波质点与工件表面的交替接触可以延长环形压电工具头的使用寿命。实现对批量外圆曲面的超精密加工，实现对多个外圆曲面的研磨微切削作用，大幅提高加工效率和精度一致性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例另一结构示意图；

图3为本发明实施例的爆炸图；

图4为本发明实施例夹具的结构示意图；

图5为本发明实施例切削作用原理图。

图中，1、压电陶瓷环片；2、环形压电工具头；3、外圆类零件；4、夹具；5、主轴转盘；6、旋转主轴。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1-图4所示，

一种用于多外圆曲面的行波超声研磨装置，包括压电陶瓷环片1、环形压电工具头2、夹具4、主轴转盘5和旋转主轴6，主轴转盘5的上表面均布有若干带有V形夹口的夹具4，含V形夹口的夹具4通过螺钉与主轴转盘5连接。每个外圆类零件由2个含V形夹口的夹具4对其进行定位。通过将外圆类零件3设置在两个夹具4之间，可以实现对外圆类零件的定位，因此可以实现批量外圆类零件3均匀分布在主轴转盘5上，旋转主轴6驱动主轴转盘5旋转。

外圆类零件3均匀分布在主轴转盘5上并由夹具4定位，环形压电工具头2置于外圆类零件3上方，环形压电工具头2的下端面同时与所有外圆类零件3的外圆曲面接触。压电陶瓷环片1与环形压电工具头2之间采用特殊手段无缝粘紧，并在环形压电工具头2上方预置一定的静压力。

本发明创新点所涉及的两个主要技术点是利用行波质点的动态椭圆运动代替传统研磨工具从而实现对批量含外圆曲面零件的超精密加工；设计了一种带有V形夹口的专用夹具，对工件进行定位。

根据待加工的外圆类零件3的材料属性选择对应的材料作为压电振子基体进行环形压电工具头2的模态结构设计。

根据压电陶瓷的逆压电效应，通过在定子上施加相位差为π/2的两相正弦电压，在定子(即环形压电工具头2)上产生两相驻波并合成为一相行波。环形压电工具头2端面质点将遵从空间椭圆运动轨迹，质点切面(包括切向和径向)在预置静压力的约束下同时对多个外圆类零件3的曲面产生研磨微切削作用。

如图5所示，行波质点的动态椭圆运动对多外圆曲面的研磨微切削作用原理：

本发明根据行波超声电机的摩擦驱动原理，定子质点的微观行波椭圆运动可转换为转子的宏观旋转运动，并在转子接触面处的产生材料磨损和疲劳破坏。在主轴转盘5旋转的同时，由于压电陶瓷的逆压电效应和行波的周向行进特性，环形压电工具头2端面质点的微观行波椭圆运动在质点切面(包括切向和径向)上对多个外圆曲面产生研磨微切削作用。

本发明能够实现行波质点椭圆运动对批量工件外圆曲面的研磨微切削作用。与现有的外圆曲面加工技术相比，本发明能实现行波质点的动态椭圆运动对批量工件外圆曲面的研磨微切削作用。带来的有益效果主要有：

利用行波质点的动态椭圆运动代替传统的研磨工具，解决了传统研磨工具易磨损、精度稳定性差、结构复杂等问题。主轴转盘5上带有V形夹口的夹具4能实现批量外圆类零件的精准定位，提高了研磨加工的可行性。行波质点与工件表面的交替接触可以延长环形压电工具头2的使用寿命。实现对批量外圆曲面的超精密加工，大幅提高加工效率和精度一致性。

本发明利用压电工具头端面质点的行波椭圆运动，实现对多个外圆曲面的研磨微切削作用。解决现有加工方法中存在的加工系统复杂、加工效率低下等主要问题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。