[发明专利]用于攻丝加工的超声换能设备及扭转攻丝机

说明书

本发明公开了一种用于攻丝加工的超声换能设备及扭转攻丝机。超声换能设备包括减弱纵向振动能量传递并具有散热功能的上负载块，和增强纵向振动能量向丝锥的传递以及产生扭转振动变换的下负载块，上负载块与下负载块之间安装有可转化产生纵向振动机械能作用的换能元件，换能元件产生的纵向振动在传播至下负载块外表面时，加工有螺旋槽的下负载块将部分纵向振动转化成扭转振动，振动与扭转相耦合形成扭转振动效果并传播至下负载块底面安装的丝锥，以使丝锥产生扭转振动作用力而用于工件的攻丝加工。本发明超声换能设备可产生一种扭转与振动相结合的复合振动模式，带动丝锥产生扭转振动效果而可很好地用于攻丝加工工艺中。

技术领域

本发明涉及一种用于攻丝加工工艺的超声换能设备，以及安装有该超声换能设备的扭转攻丝机，属于机械加工中的超声攻丝技术领域。

背景技术

螺纹连接作为一种连接可靠，装拆简便，结构简单的固定方式，已在日常生产、生活中占据了60％左右的市场份额，特别是在航空航天、军工科技、国防工业、机械设备中更有着举足轻重的作用。而且，螺纹加工工艺一般作为机械加工工艺的最后流程，其直接决定着整个工件的好坏。

然而，现阶段在工业加工能力的限制下，只能对一些铜、铝、铸铁、普通碳钢等韧性较低的金属进行M8以上大孔径的内螺纹加工，对于M8以下小孔径的内螺纹加工，普遍存在攻丝扭矩大，丝锥易折断，螺纹加工精度低，废品率高等一系列问题，特别是对于一些难加工材料，如钛合金、高温合金、不锈钢以及硬质合金钢等，只能采用低速加工，甚至手工攻丝的方法，这不仅使得加工效率降低，而且也容易出现丝锥折断、崩刃、黏合、啃刀、错丝、螺距不合格、中径不合格等现象。因此，内螺纹的加工现状已经严重制约了我国现代国防工业、高精尖工业，如导弹、卫星、火箭等方面的进一步发展，可见，研制出快速、高效的攻丝设备已经势在必行。

目前，用于内螺纹加工的攻丝工艺主要分为三种：

一种是手动攻丝，就是将待加工工件固定牢靠，保证待加工的那一面置于水平位置，然后将丝锥垂直放入已经提前加工出的螺纹底孔中，再利用丝锥绞杠，顺时针转动1/4圈，然后逆时针转动1/2圈，如此反复，缓慢加工到合适的深度，有时还需要不断地将丝锥完全退出来，排除碎屑，然后再慢慢旋进继续加工。这种手动攻丝加工方式不仅效率极其低下，不适合大批量的加工，而且加工出的螺纹精度也不高，还难以保证精度的高度一致性，最重要的是经常出现扭转过大，导致丝锥折断，致使整个工件报废的情况。

第二种是机械攻丝，典型应用是采用伺服电机或者步进电机与控制器结合的方式，由控制器通过控制电机的状态来控制丝锥进、退的时序、时间以及速度，其实现原理如图1所示。由于电机存在转动惯量以及电机步进角的问题，最重要的是不能实现攻丝过程所需的扭转运动，因此从根本上就决定了此种方式存在振动频率低、加工精度不高，容易出现滑丝、脱丝现象，不能满足快速、高效、高精度加工需要的缺陷，故而这种方式也没有取得实质性的大规模的推广应用。

第三种是采用超声纵向高频振动与机械低频振动相结合的方式，其实现原理如图2所示，虽然其使用了超声技术而提高了高频振动频率，但其实质上产生的高频振动仍为纵向振动，与低频振动相比仅仅是振动幅值变小了，振动频率增大了而已，仍然不能实现攻丝过程所需的扭转运动，因而仍然没有摆脱以上提到的低频机械振动产生的问题，而且，还产生了低频(频率小于100Hz)与高频(频率大于15kHz)发生相互耦合干扰的问题，因此仍然没有解决工程当中遇到的丝锥容易折断、螺纹加工出现脱丝、错丝、螺距不正确、中径不正确等一系列问题。

总而言之，现有的内螺纹加工方法虽然对铁、碳钢、合金钢、铝合金等金属材料、大直径的内螺纹加工能够满足日常生产、生活需求，但是对于M8以下中小直径的内螺纹加工，以及高强度、高粘度、高韧性材料，如不锈钢、钛合金、硬质合金钢等，因受制于丝锥强度、刚度的问题，或者碎屑影响，或者伺服电机转动惯量的问题，在现有条件下，还是不可能满足高效、高精度加工的需求。

发明内容