[发明专利]一种用于超声加工的复合振动砂轮的设计方法

说明书

本发明公开了一种用于超声加工的复合振动砂轮的设计方法，具有如下步骤：根据加工要求，确定超声复合振动砂轮的振动模态；根据所需的振动模态设计内层磨环、外层磨环以及连接锥柄的尺寸；确定外层磨环通水孔位置：外层磨环通水孔位置与外层磨环节径模态时的节径位置重合；确定连接锥柄与所述外层磨环的连接关系；根据外层磨环工作模态设计连接法兰；装配各零部件成超声振动复合砂轮。本发明设计的用于超声加工的复合振动砂轮可减少节圆、节点处的摩擦，实现在一道工序中进行粗加工与精加工，提高生产效率，改变内外层磨环的开槽形式，可以得到不同形式的超声振动，以满足不同的加工要求，进一步提高加工质量。

技术领域

本发明涉及超声加工领域，具体地说是一种用于超声加工的复合振动砂轮的设计方法。

背景技术

随着航空、航天工业的发展，陶瓷、碳化硅复材等硬度高、脆性强的材料得到越来越广泛的应用。这类材料通常具有优良的化学及物理性能，在制造精密零件或者恶劣的工作环境下发挥出良好的效果。但是由于材料的硬脆特性，导致其加工难度较大，加工时材料易破碎，磨削区域温度高，刀具磨损严重。因此，为了保证加工质量和效率，需要一种合适的加工方法来满足生产的需求。

超声辅助磨削技术是将超声振动与普通砂轮磨削结合的一种新型特种加工技术。研究表明，超声辅助磨削可改变材料去除机理，使得加工过程具有切削力小、切削热低、刀具寿命高、加工效率高、加工表面质量好等特点；对硬脆材料、形状复杂的型腔和型面以及薄壁、低刚度等零件体现出较好的工艺优势，被认为是加工硬脆材料的有效途径。

砂轮是超声辅助磨削所使用的重要刀具，其结构设计的好坏直接影响到超声振动系统性能的发挥和零件的加工质量及加工效率。现有技术中常采用杯型砂轮进行超声辅助磨削，砂轮的中间部分基体被去除，整体呈单层杯状结构；当砂轮直径较大时，有效磨削的磨粒仅分布在砂轮的边缘，而砂轮内部空间较大且没有磨削能力，同时单层砂轮的结构振动形式单一，因而限制了砂轮磨削效率和质量的进一步提升。为解决以上问题，需要从根本上提出一种复合振动砂轮及其设计方法，由于超声的引入，需要综合考虑砂轮的结构以保证磨削能力，考虑砂轮的超声振动模态以达到预期的振动效果，考虑砂轮连接件之间的超声能量的传播和损失等问题以实现超声能量传输效率的最大化。以上种种考虑因素使得超声振动砂轮的设计更加复杂。

发明内容

本发明的目的在于在加工硬脆性材料领域，提供一种用于超声加工的复合振动砂轮的设计方法。本发明设计的砂轮具有内外两层磨环，采用附件化的连接法兰连接，充分发挥了超声辅助磨削的加工能力，可以提高生产效率；连接法兰形状及安装位置可根据外层磨环模态更换，以减少在节圆、节点处的摩擦；连接法兰内侧与内层磨环为锥面连接，减少了超声在界面间传递的损失，保证了超声传递的效率，同时提高了定位精度；内层磨环的轴向高度可调，通过调整内层磨环轴向的高度，可以改变内外层磨环的端面高度差，进而控制内层磨环的磨削深度，从而实现在一道工序中进行粗加工与精加工，提高生产效率；改变内外层磨环的开槽形式，可以得到不同形式的超声振动，以满足不同的加工要求，进一步提高加工质量。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于超声加工的复合振动砂轮的设计方法，超声复合振动包括外层磨环，内层磨环，连接法兰以及连接锥柄，所述设计方法具有如下步骤：根据加工要求，确定超声复合振动砂轮的振动模态，当需要较大振幅时，外层磨环选择节圆模态，当需要较小的振幅时外层磨环选择节径模态；

确定外层磨环的尺寸：根据已确定的工作模态设计外层磨环尺寸，使其在工作频率下实现所需模态，所述外层磨环，其上端具有中心锥孔和多个位于中心锥孔周向外侧的外层磨环通水孔，其下端具有与中心锥孔和外层磨环通水孔连通且下端敞开的外层磨环腔，与外层磨环腔所对应的外层磨环外壁具有多个与外层磨环腔连通的外层磨环斜槽，其中，外层磨环斜槽的槽口位于外层磨环下端面；