專利名稱：一種加工細長活塞桿的車床專用切削裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種車削加工裝置，具體是一種加工細長活塞桿的車床專用切削裝置。安裝在車床上通過超聲輔助振動切削裝置加工細長活塞桿。
背景技術：
車削加工是機械制造業中最基本、最廣泛、最重要的一種工藝方法，由于細長活塞桿的材料較硬，長徑比高，傳統的車削的切削力大，加工后無法有效的保證活塞的桿的直線度等形位公差。而超聲波振動車削使之成為可能，超聲車削具有切削力小，切削熱低，切削后表面粗糙度小等優點，在實際的生產中得到了廣泛的運用。
而在超聲輔助切削中，較常見的一類超聲激振機構為直線式振動裝置，該裝置具有結構簡單、制造容易等優點；但由于振動方向為直線運動，當刀具和工件分離時，后刀面會摩擦已加工表面，不但會破損工件表面質量，而且使刀具承受交變拉壓應力，導致疲勞崩刃。較新穎的一種是橢圓激振機構，該振動裝置使刀尖上產生橢圓振動軌跡，克服了直線激振機構的缺點。隨著技術的發展得到越來越廣泛的應用。
在傳統的細長活塞桿的工藝中，采用分步加工的方式即半精車-精車-表面強化處理。需要多次對刀，流程繁瑣，而且傳統車削加工精度不高，細長活塞桿在車削加工中容易變形。發明內容
本發明提供一種加工細長活塞桿的車床專用切削裝置，通過超聲振動車削、超聲振動強化的方法加工細長活塞桿，減少加工過程中對刀換刀的次數，從而達到提高工件加工質量和縮短加工時間的目的。
本發明采取以下技術方案實現的一種加工細長活塞桿的車床專用切削裝置，它包括固定于車床上的一側有凹槽的底座，固定在底座上端面的底座臺板，普通車刀，縱向移動平臺，垂直移動平臺，超聲振動切削系統，壓塊；所述普通切削車刀固定在底座的凹槽內， 底座與底座臺板采用鉸鏈連接，底座臺板能夠沿底座一邊轉動；所述縱向移動平臺固定于底座臺板的上端面，所述垂直移動平臺固定于縱向移動平臺上，所述超聲振動切削系統安裝在垂直移動平臺的一側。
所述的縱向移動平臺包括縱向移動平臺底座、滾珠絲杠螺母副、移動平臺支架、水平安裝在縱向移動平臺底座上的兩個圓柱導軌、位于2個圓柱導軌中間水平安裝在縱向移動平臺底座上的絲杠、與絲杠的另一端固定連接的帶刻度的手輪；所述的縱向移動平臺底座固定在底座臺板上；絲杠兩端裝有軸承；滾珠絲杠螺母副穿過絲杠，當搖動手輪時，滾珠絲杠螺母副能夠沿圓柱導軌來回移動；移動平臺支架固定在滾珠絲杠螺母副上，隨滾珠絲杠螺母副來回移動。
所述的垂直移動平臺包括垂直移動平臺底座、垂直移動平臺支架、垂直移動平臺、 推動垂直移動平臺上下移動的螺旋移動裝置、立柱導軌和彈簧；其中垂直移動平臺底座固定在縱向移動平臺支架上，垂直移動平臺支架垂直安裝在垂直移動平臺底座上，立柱導軌安裝在垂直移動平臺支架上，彈簧套在立柱導軌上，垂直移動平臺穿過兩個立柱導軌能沿立柱導軌上下移動，螺旋移動裝置安裝在垂直移動平臺支架上。
所述的超聲振動切削系統包括超聲振動裝置、超聲車刀和超聲表面強化模塊；超聲振動裝置包括控制器、超聲波發生器、移相器、功率放大器、換能器和變幅桿；換能器包括彎曲振動壓電片、X向電極片、接地電極片、I向電極片、縱向振動壓電片、縱向電極片和反射罩；控制器通過導線連接2個超聲波發生器，2個超聲波發生器、移相器、功率放大器通過導線分別依次連接到電極片；控制器控制超聲波的參數并實時監控超聲波加工的狀態，超聲波發生器用以產生頻率在20KHz交變電壓；移相器將其中一路驅動信號延遲，使兩路信號之間產生一個可以調節的相位差，達到生成橢圓振動的目的；功率放大器將微小的電信號放大傳遞給電極片；換能器采用壓電夾心式結構即由彎曲振動壓電片和縱向振動壓電片組成，換能器將20KHz交變電壓轉換成20KHz的機械振動；變幅桿采用復合型，將小振幅的高頻振動變成大振幅的高頻振動；上述換能器通過螺桿與變幅桿連接。
其中變幅桿采用復合型鈦合金變幅桿結構，固有頻率20KHZ，變幅桿中部設置法蘭與垂直移動平臺連接固定；變幅桿、彎曲振動壓電片、X向電極片、接地電極片、y向電極片、 縱向振動壓電片、縱向電極片和反射罩順序依次堆疊，通過沉頭螺栓固定；超聲車刀模塊固定于變幅桿下端；超聲表面強化模塊包括底座、鋼珠和端蓋；所述底座和端蓋都有圓錐形凹槽，鋼珠嵌入圓錐形凹槽中，端蓋和底座采用沉頭螺栓連接在一起，底座后有螺紋，通過螺紋和變幅桿底部螺紋孔連接；鋼珠通過變幅桿傳遞的縱向振動進行受迫振動，對細長活塞桿表面進行強化處理。
由于采取以上技術方案，本發明具有以下優點
( I)加工效率高，本發明的切削裝置集合了普通車削，超聲橢圓振動切削和超聲表面強化處理三個部分，減少了工件的裝夾時間、換刀和對刀時間，采用該裝置加工比原有工藝流程省一倍時間。同時加工零件的定位基準為同一基準，工件的形位公差容易保證。
(2)工件變形小，超聲橢圓振動進行精車時，切削力只有普通車削的1/3左右，而且切削力成周期性變化，切削熱小，工件因切削所帶來的變形小，工件的殘余應力小，方便工件后續的表面處理。
(3)工件表面質量高，經超聲橢圓振動切削后工件表面粗糙度低，加工精度高，經超聲振動表面強化處理后，工件表面形成冷塑硬化層，進一步提高工件表面的粗糙度和耐磨性。
(4)刀具磨損小，半精車后，采用超聲橢圓振動切削，超聲切削的切削力小，切削熱低，超聲切削屬于脈沖式斷續切削，可以顯著提高超聲切削刀具的使用壽命，從而達到降低成本的目的。


圖I是本發明的整體結構示意圖2是本發明的整體結構主視圖3是本發明的整體結構俯視圖4是本發明的整體結構左視圖5是本發明的底座和普通車刀的結構示意圖6是本發明的縱向移動平臺結構示意圖7是本發明的垂直移動平臺結構示意圖8a是本發明的超聲振動裝置結構示意圖8b是本發明的超聲振動裝直系統不意圖9是本發明的超聲表面強化模塊的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。
如圖1 4所不,本發明主要包括固定于車床上的一側有凹槽的底座10,固定在底座10上端的底座臺板20，普通車刀60，縱向移動平臺50，垂直移動平臺40，超聲振動切削系統30，壓塊70 ;所述普通切削車刀60固定在底座的凹槽內，底座10與底座臺板20連接； 所述縱向移動平臺50固定于底座臺板20的上端面，所述垂直移動平臺40固定于縱向移動平臺50上，所述超聲振動切削系統30安裝在垂直移動平臺40的一側。
如圖5所示，底座10與底座臺板20采用鉸鏈101連接，底座臺板20能夠沿底座 10 一邊轉動。首先抬起底座臺板20，普通車刀60與壓塊70組合，調整至合適的高度放入底座10的凹槽內，底座10與普通車刀60采用沉頭螺釘固定。然后放下底座臺板20，用沉頭螺釘固定底座臺板20和底座10。
如圖6所示，縱向移動平臺50包括縱向移動平臺底座501、滾珠絲杠螺母副502、 移動平臺支架503、圓柱導軌504、絲杠505、刻度手輪506。其中縱向移動平臺底座501固定在底座臺板20上，圓柱導軌504穿過孔506固定在在縱向移動平臺底座501上，絲杠穿過孔507固定在縱向移動平臺底座501上，絲杠505兩端放有軸承，軸承嵌入孔507中。刻度手輪506與絲杠505的一端相連接，滾珠絲杠螺母副502穿過絲杠505，搖動手輪506時，滾珠絲杠螺母副502能夠沿垂直于主軸方向來回移動，通過搖動手輪控制縱向移動平臺沿垂直于車床主軸方向的進給量；移動平臺支架503通過沉頭螺釘固定在滾珠絲杠螺母副502 上，隨著滾珠絲杠螺母副502來回移動。
如圖7所示，垂直移動平臺40包括垂直移動平臺底座406、垂直移動平臺支架 403、垂直移動平臺402、螺旋移動裝置404、立柱導軌405和彈簧401。其中垂直移動平臺底座406采用沉頭螺栓固定在縱向移動平臺支架503上，垂直移動平臺支架403垂直安裝在垂直移動平臺底座406上，立柱導軌405安裝在垂直移動平臺支架403上，彈簧401套在立柱導軌405上，垂直移動平臺402穿過兩個立柱導軌405可沿z軸上下移動，螺旋移動裝置 404安裝在垂直移動平臺支架403上。旋轉螺栓移動裝置推動垂直移動平臺402沿z軸方向上下移動，移動行程為(T40mm。
如圖8a所示，超聲振動裝置包括控制器、超聲波發生器、移相器、功率放大器、換能器310、變幅桿302。其中控制器、超聲波發生器、移相器、功率放大器可直接購買。換能器310采用壓電夾心式結構即包括彎曲振動壓電片303a、X向電極片309、接地電極片308、 y向電極片304、縱向振動壓電片303b、縱向電極片306、307和反射罩305。控制器、超聲波發生器、移相器、功率放大器按照圖8b方式通過導線依次連接到電極片304、306、307、308、 309上。其中變幅桿302采用復合型變幅桿結構，固有頻率20KHz，材料為鈦合金，變幅桿302中部設置法蘭，便于與垂直移動平臺402連接固定。變幅桿302、彎曲振動壓電片303a、 X向電極片309、接地電極片308、y向電極片304、縱向振動壓電片303b、縱向電極片306、 307和反射罩305如圖8a所示順序依次堆疊，通過沉頭螺栓固定。超聲車刀模塊301選用硬質合金車刀，采用鍥型螺釘固定于變幅桿302下端。
彎曲振動壓電片303a選用材料PZT-4，外徑40mm，中心孔內徑20mm的壓電陶瓷片，壓電陶瓷片呈環狀，分割為兩部分并相互反向極化，兩個壓電陶瓷片按相反極性疊合成一組，X向電極片309夾在兩個壓電陶瓷片中間，y向電極片304夾在兩個壓電陶瓷片中間， 兩組夾有電極片的壓電陶瓷片相對旋轉90°放置，可以生成X和y方向振動。在220V電壓，20KHz頻率下,橫向縱向長度分別可達到8微米和6微米。X向電極片309和y向電極片304選用薄電極，材料為磷青銅，電極與壓電陶瓷片之間采用環氧樹脂粘合。彎曲振動壓電片303a和X向電極片309、y向電極片304按照圖8b形式組合安裝。縱向振動壓電片 303b選擇材料PZT-8型，直徑40mm，中心孔內徑20mm的壓電陶瓷片，放置在彎曲振動壓電片303a上方，縱向振動電極306、307選用薄電極，材料為磷青銅，電極與壓電片之間采用環氧樹脂粘合。縱向振動幅度可達10微米。縱向振動壓電片303b和縱向電極片(306、307) 按圖8b順序安裝。
如圖Sb所示本發明選用2個超聲波發生器能同時輸出兩路同頻率同幅值同相位的超聲頻率信號，本發明選用超聲波發生器的輸出頻率為20KHz ;本發明選用I個移相器， 它將X向電極片309的驅動信號延遲，使X向電極片309和y向電極片304的信號之間產生一個可以調節的相位差0° 180°，相位差根據實際需要調節，可以形成不同形狀的橢圓軌跡，方便切削；本發明選用功率放大器將兩路信號放大、驅動換能器310工作并起到阻抗匹配的功能，可以使超聲橢圓振動換能器310工作在最佳狀態。以上各部分，通過控制器對超聲振動裝置進行控制，在進行超聲橢圓振動切削時，超聲波發生器I工作，驅動彎曲振動壓電片303a工作，而在超聲表面強化時，超聲波發生器2工作，驅動縱向振動壓電片303b 工作。
如圖9所示，超聲表面強化模塊90包括底座901、鋼珠902和端蓋903。其中底座 901和端蓋903都有圓錐形凹槽，鋼珠902內嵌其中，端蓋903和底座901采用沉頭螺栓連接，底座901后有螺紋，用于和變幅桿302底部螺紋孔連接。模塊內鋼珠902通過變幅桿 302傳遞的縱向振動進行受迫振動，對細長活塞桿表面進行強化處理，使活塞桿表面產生冷塑硬化層，增加活塞桿表面硬度、降低活塞桿表面粗糙度。
使用和操作方法是
本發明能直接安裝在車床小托板上，而不需要特定的改造，其具體操作使用方法如下
(I)安裝。將細長活塞桿安裝在夾具上，底座10安裝在車床上，普通車刀60安裝在底座凹槽中，安裝超聲振動系統裝置30，將超聲振動系統與垂直移動平臺40固定。在變幅桿302底端安裝超聲車刀模塊301。
(2)調試。普通車刀60對刀，調整到合適位置。進行調整橢圓運動軌跡，打開超聲波發生器2，彎曲振動壓電片303a工作，根據振動切削的工藝要求，通過調整移相器，改變兩路信號之間的相位差來調整振動軌跡。可使用激光測振儀測量超聲車刀301刀尖的位移從而得到刀尖的軌跡。后將換能器310、變幅桿302、超聲車刀301的連接體的軸線調試到與細長活塞桿的高度保持一致，并與其軸線垂直；超聲車刀模塊301的刀尖與工件軸線平行并與工件表面齊平；控制器各表的數值顯不正常，超聲振動輸出良好；具體狀態為輸出頻率20KHz ;細長活塞桿材料可以為碳素結構鋼、合金結構鋼、彈簧鋼、軸承鋼、工具鋼、高速鋼；機床主軸跳動小于O. 03mm ;橫向進給時系統的間隙小于O. 05mm。
(3)加工。第一步，半精車，用普通車刀60對工件進行加工，留加工余量O. 1mm，切削速度為6(T200m/min，進給量O. Γθ. 5mm/r，切削深度f 5mm。第二步，超聲橢圓振動切削， 啟動超聲振動切削系統，控制器控制超聲波發生器2工作，設置切削速度40m/min，進給量 O. lmm/r，切削深度O. 1mm。對工件進行超聲橢圓振動切削。第三步，超聲表面強化，卸下超聲車刀(301)，裝上超聲表面強化模塊90。控制器控制超聲波發生器I工作，超聲表面強化模塊產生縱向振動，對工件表面進行加工。在前面的加工過程中保證活塞桿精車后粗糙度應小于Ra6. 3、表面硬度不大于RC60 ;設置最大切削速度為80m/min，縱向走刀速度O. 5mm/ r。
(4)結束。加工完成后，卸下細長活塞桿，關閉超 聲振動切削系統。加工后技術指標表面硬度提高20% 100%、粗糙度約為RaO. θΓθ. 8。
權利要求
1.ー種加工細長活塞桿的車床專用切削裝置，其特征在于它包括固定于車床上的ー側有凹槽的底座(10)，固定在底座(10)上端的底座臺板(20)，普通車刀(60)，縱向移動平臺(50),垂直移動平臺(40)，超聲振動切削系統(30)，壓塊(70);所述普通切削車刀(60)固定在底座的凹槽內，底座(10)與底座臺板(20)采用鉸鏈連接，底座臺板(20)能夠沿底座(10)一邊轉動；所述縱向移動平臺(50)固定于底座臺板(20)的上端面，所述垂直移動平臺(40)固定于縱向移動平臺(50)上，所述超聲振動切削系統(30)安裝在垂直移動平臺(40)的一偵れ
2.根據權利要求I所述的ー種加工細長活塞桿的車床專用切削裝置，其特征在于縱向移動平臺(50)包括縱向移動平臺底座(501)、滾珠絲杠螺母副(502)、移動平臺支架(503)、水平安裝在縱向移動平臺底座(501)上的兩個圓柱導軌(504)、位于2個圓柱導軌(504)中間水平安裝在縱向移動平臺底座(501)上的絲杠(505 )、與絲杠(505 )的另一端固定連接的帶刻度的手輪(506);所述的縱向移動平臺底座(501)固定在底座臺板(20)上；絲杠(505)兩端裝有軸承；滾珠絲杠螺母副(502)穿過絲杠(505)，當搖動手輪(506)時，滾珠絲杠螺母畐O (502)能夠沿圓柱導軌來回移動；移動平臺支架(503)固定在滾珠絲杠螺母副(502)上，隨滾珠絲杠螺母副(502)來回移動。
3.根據權利要求I所述的ー種加工細長活塞桿的車床專用切削裝置，其特征在于所述垂直移動平臺(40 )包括垂直移動平臺底座(406 )、垂直移動平臺支架(403 )、垂直移動平臺(402)、推動垂直移動平臺(402)上下移動的螺旋移動裝置(404)、立柱導軌(405)和彈簧(401);其中垂直移動平臺底座(406)固定在縱向移動平臺支架(503)上，垂直移動平臺支架(403)垂直安裝在垂直移動平臺底座(406)上，立柱導軌(405)安裝在垂直移動平臺支架(403)上，彈簧(401)套在立柱導軌(405)上，垂直移動平臺(402)穿過兩個立柱導軌(405)能沿立柱導軌上下移動，螺旋移動裝置(404)安裝在垂直移動平臺支架(403)上。
4.根據權利要求I所述的ー種加工細長活塞桿的車床專用切削裝置，其特征在于所述的超聲振動切削系統30包括超聲振動裝置、超聲車刀301和超聲表面強化模塊(90);超聲振動裝置包括控制器、超聲波發生器、移相器、功率放大器、換能器(310)和變幅桿(302)；換能器(310)包括彎曲振動壓電片(303a)、x向電極片(309)、接地電極片(308)、y向電極片(304)、縱向振動壓電片(303b )、縱向電極片(306、307 )和反射罩(305 );控制器通過導線連接2個超聲波發生器，2個超聲波發生器、移相器、功率放大器通過導線分別依次連接到電極片(304、306、307、308、309);其中變幅桿(302)采用復合型鈦合金變幅桿結構，固有頻率20KHz，變幅桿(302)中部設置法蘭與垂直移動平臺(402)連接固定；變幅桿(302)、彎曲振動壓電片(303a)、X向電極片(309)、接地電極片(308)、y向電極片(304)、縱向振動壓電片(303b )、縱向電極片(306、307 )和反射罩(305 )順序依次堆疊，通過沉頭螺栓固定；超聲車刀模塊(301)固定于變幅桿(302)下端；超聲表面強化模塊(90)包括底座(901)、鋼珠(902)和端蓋(903);所述底座(901)和端蓋(903)都有圓錐形凹槽，鋼珠(902)嵌入圓錐形凹槽中，端蓋(903)和底座(901)采用沉頭螺栓連接在一起，底座(901)后有螺紋，通過螺紋和變幅桿(302)底部螺紋孔連接；鋼珠(902)通過變幅桿(302)傳遞的縱向振動進行受迫振動，對細長活塞桿表面進行強化處理。
全文摘要
本發明公開了一種加工細長活塞桿的車床專用切削裝置，屬車削加工領域。它包括固定于車床上的一側有凹槽的底座，固定在底座上端面的底座臺板，普通車刀，縱向移動平臺，垂直移動平臺，超聲振動切削系統，壓塊；所述普通切削車刀固定在底座的凹槽內，底座與底座臺板采用鉸鏈連接，底座臺板能夠沿底座一邊轉動；所述縱向移動平臺固定于底座臺板的上端面，所述垂直移動平臺固定于縱向移動平臺上，所述超聲振動切削系統安裝在垂直移動平臺的一側。本發明集合了普通車削，超聲橢圓振動切削和超聲表面強化處理三個部分，減少了工件的裝夾時間、換刀和對刀時間，采用該裝置加工比原有工藝流程省一倍時間。同時加工零件的定位基準為同一基準，工件的形位公差容易保證。
文檔編號B23B5/00GK102975025SQ20121049281
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月28日 優先權日2012年11月28日
發明者王世永, 閆梅, 楊海峰 申請人:徐州永佳液壓設備有限公司