一种面向微型轴承内圆精加工的轴向超声振动高速磨削装置.pdf

本发明公开一种面向微型轴承内圆精加工的轴向超声振动高速磨削装置。它包括：底座、丝杠支承、丝杠、工件磨削区、砂轮、砂轮夹具、高速电主轴、弹性支承块、主轴限位板、变幅杆、固定架、超声换能器、工作台、伺服电机、水平导轨、垂直导轨、水平滑台和直线电机。其工艺特征是：高速电主轴驱动砂轮进行高速旋转，由伺服电机驱动实现砂轮的快速轴向定位，通过施加超声振动实现砂轮的轴向微进给运动，由直线电机控制砂轮的精密径向进给运动。该装置可提高磨削效率，改善加工表面的粗糙度及残余应力的分布情况，从而保证加工零件的整体质量。

1.  一种面向微型轴承内圆精加工的轴向超声振动高速磨削装置，其特征在于：包括底座(1)、丝杠支承(2)、丝杠(3)、工件磨削区(4)、砂轮(5)、砂轮夹具(6)、高速电主轴(7)、弹性支承块(8)、主轴限位板(9)、变幅杆(10)、固定架(11)、超声换能器(12)、工作台(13)、伺服电机(14)、水平导轨(15)、垂直导轨(16)、水平滑台(17)和直线电机(18)；
所述工件磨削区(4)位于底座(1)的左端中间；水平导轨(15)平行安装在底座(1)的中部两侧；丝杠(3)一端与丝杠支承(2)连接，另一端与伺服电机(14)连接，安装在底座(1)中部中间，与水平导轨(15)平行；水平滑台(17)与丝杠(3)和水平导轨(15)连接，安装在底座(1)中部；垂直导轨(16)平行安装在水平滑台(17)两端；直线电机(18)安装在水平滑台(17)中部，与垂直导轨(16)平行；工作台(13)与垂直导轨(16)和直线电机(18)连接，安装在水平滑台(17)上；弹性支承块(8)安装在工作台(13)的左部中间；高速电主轴(7)固定在弹性支承块(8)上；主轴限位板(9)罩住高速电主轴(7)，安装在工作台(13)的左部中间；砂轮夹具(6)安装在高速电主轴(7)的输出端；砂轮(5)安装在砂轮夹具(6)上；固定架(11)安装在工作台(13)的右部；变幅杆(10)安装在固定架(11)上，安装位置在变幅杆(10)的波节点处，一端与高速电主轴(7)连接，另一端与超声换能器(12)连接。

2.  根据权利要求1所述的一种面向微型轴承内圆精加工的轴向超声振动高速磨削装置，其特征在于：所述砂轮(5)采用直径小于3mm的电镀单层cBN砂轮。

3.  根据权利要求1所述的一种面向微型轴承内圆精加工的轴向超声振动高速磨削装置，其特征在于：所述高速电主轴(7)的转速高于150000rpm。

一种面向微型轴承内圆精加工的轴向超声振动高速磨削装置
技术领域
本发明涉及一种内圆高速磨削装置，具体涉及一种面向微型轴承内圆精加工的轴向超声振动高速磨削装置。
背景技术
随着各类工业设备及回转装置的不断微型化、轻量化和薄壁化，微型轴承作为轴承大家族中的一员，越来越受到重视和青睐，市场对微型轴承的需求也越来越强劲。事实上，微型轴承在军用和民用各个行业中都有广阔的应用，如办公器械、微型电机、齿科牙钻、录像机磁鼓、旋转编码器、计算机外设、光纤输送装置、光学曝光装置、精密测试仪器、微型机器人、微型飞行器等。
微型滚动轴承的制造主要是内外套圈、滚球和保持架的加工。就轴承套圈质量的形成机理而言，磨削工序最为重要，因为套圈零件的尺寸、形状和位置精度主要由磨削工序保证。目前，微型轴承套圈的磨削加工都是在专用的轴承套圈磨床上进行的，砂轮的轴向往复运动采用步进电机或伺服电机驱动，其往复频率较低，动态性能较差，致使加工零件的质量不稳定。轴向超声振动磨削是一种在砂轮上施加轴向超声振动的新工艺，用以代替传统微型轴承套圈磨削工艺中的往复运动，可提高磨削效率，改善加工表面的粗糙度及残余应力的分布情况，从而保证加工零件的整体质量。尽管超声振动辅助加工技术在其它领域已有成功应用的先例，但将该技术应用于内圆磨削的报道较少。中国专利申请号为201320125984.7中公开了一种超声振动内圆磨削装置，该装置中的变幅杆及超声换能器等组件均位于电机与砂轮中间，随着主轴一起转动，结构较为复杂，在主轴转速高于150000rpm的高速磨削中，具有较高的技术实现难度，难以保证装置整体的动态性能，因此并不适用于高速磨削的应用场合。
发明内容
本发明是一种面向微型轴承内圆精加工的轴向超声振动高速磨削装置。高速电主轴驱动砂轮进行高速旋转，由伺服电机驱动实现砂轮的快速轴向定位，通过施加超声振动实现砂轮的轴向微进给运动，由直线电机控制砂轮的精密径向进给运动。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种面向微型轴承内圆精加工的轴向超声振动高速磨削装置，包括底座1、丝杠支承2、丝杠3、工件磨削区4、砂轮5、砂轮夹具6、高速电主轴7、弹性支承块8、主轴限位板9、变幅杆10、固定架11、超声换能器12、工作台13、 伺服电机14、水平导轨15、垂直导轨16、水平滑台17和直线电机18。
所述工件磨削区4位于底座1的左端中间；水平导轨15平行安装在底座1的中部两侧；丝杠3一端与丝杠支承2连接，另一端与伺服电机14连接，安装在底座1中部中间，与水平导轨15平行；水平滑台17与丝杠3和水平导轨15连接，安装在底座1中部；垂直导轨16平行安装在水平滑台17两端；直线电机18安装在水平滑台17中部，与垂直导轨16平行；工作台13与垂直导轨16和直线电机18连接，安装在水平滑台17上；弹性支承块8安装在工作台13的左部中间；高速电主轴7固定在弹性支承块8上；主轴限位板9罩住高速电主轴7，安装在工作台13的左部中间；砂轮夹具6安装在高速电主轴7的输出端；砂轮5安装在砂轮夹具6上；固定架11安装在工作台13的右部；变幅杆10安装在固定架11上，安装位置在变幅杆10的波节点处，一端与高速电主轴7连接，另一端与超声换能器12连接。
所述工件磨削区(4)的磨削方式为普通定心内圆磨削或无心内圆磨削。
所述砂轮5采用直径小于3mm的电镀单层cBN砂轮。
所述高速电主轴7的转速高于150000rpm。
本发明具有的有益效果是：
1.本发明针对内圆高速磨削的应用场合，通过施加超声振动实现砂轮的轴向微进给运动，可提高磨削效率，改善加工表面的粗糙度及残余应力的分布情况，从而保证加工零件的整体质量。
2.本发明使用高速电主轴可保证在砂轮直径较小(＜3mm)的情况下，仍具有较高的砂轮线速度，从而保证加工零件的表面质量。
附图说明
图1为本发明结构的主视示意图；
图2为本发明结构的俯视示意图；
图中：1、底座；2、丝杠支承；3、丝杠；4、工件磨削区；5、砂轮；6、砂轮夹具；7、高速电主轴；8、弹性支承块；9、主轴限位板；10、变幅杆；11、固定架；12、超声换能器；13、工作台；14、伺服电机；15、水平导轨；16、垂直导轨；17、水平滑台；18、直线电机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1、2所示，本发明的结构和工作原理如下：
本发明包括底座1、丝杠支承2、丝杠3、工件磨削区4、砂轮5、砂轮夹具6、高速电主轴7、弹性支承块8、主轴限位板9、变幅杆10、固定架11、超声 换能器12、工作台13、伺服电机14、水平导轨15、垂直导轨16、水平滑台17和直线电机18。
所述工件磨削区4位于底座1的左端中间，由于本发明的结构简单，适用于多种形式的内圆高速磨削加工，可应用在普通定心内圆磨床或无心内圆磨床。水平导轨15平行安装在底座1的中部两侧；丝杠3一端与丝杠支承2连接，另一端与伺服电机14连接，安装在底座1中部中间，与水平导轨15平行；水平滑台17与丝杠3和水平导轨15连接，安装在底座1中部；伺服电机14可带动丝杠3转动，驱动水平滑台17沿着水平导轨15滑动，实现砂轮5的轴向快速进给。垂直导轨16平行安装在水平滑台17两端；直线电机18安装在水平滑台17中部，与垂直导轨16平行；工作台13与垂直导轨16和直线电机18连接，安装在水平滑台17上；直线电机18选用有铁芯式直线机电，可驱动工作台13沿着垂直导轨16滑动，实现砂轮5的精确径向进给运动。弹性支承块8安装在工作台13的左部中间；高速电主轴7固定在弹性支承块8上；主轴限位板9罩住高速电主轴7，安装在工作台13的左部中间；固定在弹性支承块8上的高速电主轴7具有一定的自由度，可沿各向轻微摆动；主轴限位板9起到限制高速电主轴7其它自由度的作用，使高速电主轴7仅可以沿着砂轮5的轴向作超声振动运动。砂轮夹具6安装在高速电主轴7的输出端；砂轮5安装在砂轮夹具6上；高速电主轴7可驱动砂轮5高速旋转进行磨削加工。固定架11安装在工作台13的右部；变幅杆10安装在固定架11上，安装位置在变幅杆10的波节点处，一端与高速电主轴7连接，另一端与超声换能器12连接；选用振动频率为15kHz，最大振幅为30μm的超声换能器12；选用增益为1∶1.5的钛合金坚固型变幅杆10，可增大高速电主轴7轴向振幅；超声换能器12将电能转换为超声振动的机械能，经由变幅杆10和高速电主轴7传递到砂轮5，实现磨削加工时的轴向超声振动。
所述砂轮5采用直径小于3mm的电镀单层cBN砂轮。立方氮化硼(cBN)是一种热稳定性很高的超硬材料，具有良好的耐磨性、抗腐蚀性和导热性，可取消传统磨削加工中的砂轮修整工艺，从而提高加工效率。
所述高速电主轴7的转速高于150000rpm，可保证在砂轮直径较小(＜3mm)的情况下，仍具有较高的砂轮线速度，从而保证加工零件的表面质量。
本发明一种面向微型轴承内圆精加工的轴向超声振动高速磨削装置的加工步骤如下：
1.开启高速电主轴7，带动砂轮5进行高速旋转；
2.由伺服电机14驱动，实现砂轮5的轴向快速定位，使砂轮5进入工件磨 削区4；
3.轴向快进到位后，开启超声换能器12，实现砂轮5的轴向超声振动；
4.由直线电机18驱动，按照设定的磨削量，以一定的进给速度实现砂轮5的精密径向进给运动；磨削加工完成后，砂轮5沿径向退回；
5.由伺服电机14驱动，实现砂轮5的轴向快速退出；若需加工下一零件，则等待工件磨削区4中的零件更换完毕后，重复步骤2～5；若加工作业完成，则关闭高速电主轴7与超声换能器12，工作台13退回原点。