本發(fā)明涉及機加工，具體涉及一種立式超聲拉床及其裝配調(diào)試方法。

背景技術(shù)：

1、拉床作為一種常見的金屬切削機床，可用于加工工件的內(nèi)表面(如生成圓孔、方孔、花鍵孔等)和外表面(如平面、成形面、溝槽等)。拉床的基本工作原理是拉刀進行直線運動來切(拉)削待加工的工件的表面，以實現(xiàn)減材加工；且某些拉床的刀具可以在一次行程中對工件進行多層、多次地切削，因此，拉床一般具有較高的加工效率和加工精度，尤其適用于大批量的零件生產(chǎn)。然而，拉床在拉削加工過程中熱力管理能量存在不足，這容易導(dǎo)致刀具磨損過快及切削變形等問題，極大的限制了拉床的加工性能。

2、隨著技術(shù)的發(fā)展，超聲輔助技術(shù)被廣泛應(yīng)用于機床加工領(lǐng)域，出現(xiàn)了專門的超聲機床，顧名思義，超聲機床就是一種可利用超聲波振動能量進行精密加工的設(shè)備，其特別適合于加工硬脆性材料和難加工金屬材料，例如在加工鈦合金、高溫合金、工程陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料等材料方面顯示出了顯著的優(yōu)勢。超聲機床通過高頻振動，使得刀具與工件之間產(chǎn)生微幅沖擊，有效降低切削力和切削溫度，減少刀具磨損和毛刺，從而提高機床的整體加工精度和工件表面的加工質(zhì)量。

3、盡管超聲輔助技術(shù)的結(jié)合給機床加工帶來了諸多優(yōu)勢，但拉削過程中的高負(fù)載也給相關(guān)器件帶來了不利影響。超聲輔助振動系統(tǒng)的核心部件主要包括超聲變幅桿和壓電致動器等。當(dāng)進行高負(fù)載的拉削動作時，會顯著地限制壓電致動器及變幅桿的性能，甚至?xí)龎膲弘娭聞悠?，從而降低拉床的加工精度和穩(wěn)定性。因此，本技術(shù)新旨在提供一種立式超聲拉床及其調(diào)試方法，能夠滿足高負(fù)載下穩(wěn)定幅值的要求，避免損壞壓電陶瓷，保證整個超聲拉床的加工精度與加工效率。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足而提供一種立式超聲拉床及其裝配調(diào)試方法，該拉床及其調(diào)試方法能夠確保壓電陶瓷不受損害，同時提供穩(wěn)定的輸出幅值，顯著提升加工的精度和效率。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、本發(fā)明首先提供了一種立式超聲拉床，包括機床本體和超聲輔助裝置，所述超聲輔助裝置包括固定板，在固定板上設(shè)置有超聲振動機構(gòu)；所述超聲振動機構(gòu)包括超聲振動變幅桿、圓筒、限位塊、墊圈、墊片、壓電致動器和超聲電源；

4、所述超聲振動變幅桿的中部設(shè)置有一圈臺階凸起，臺階凸起的兩側(cè)分別為輸入端和輸出端，超聲振動變幅桿的輸入端伸入圓筒內(nèi)部，固定螺栓穿過所述臺階凸起和圓筒后與所述固定板固定連接；

5、所述臺階凸起與圓筒的連接處設(shè)置有限位塊，所述限位塊用于調(diào)節(jié)臺階凸起與圓筒端面之間的接觸壓力；

6、所述超聲振動變幅桿的輸入端與固定板之間設(shè)置有墊片；所述圓筒內(nèi)部設(shè)置有壓電致動器，所述壓電致動器與超聲電源相連，且壓電致動器為環(huán)狀，并套設(shè)在超聲振動變幅桿輸入端的外部；所述壓電致動器與墊片之間設(shè)置有墊圈。

7、進一步的，機床本體包括底座、床身、絲桿、工作臺、刀具卡裝系統(tǒng)、拉刀和卡緊裝置。在底座上設(shè)置有床身，所述絲桿的下端與底座連接，絲桿的一端與布置在床身內(nèi)的電機連接，在絲桿上設(shè)置有工作臺，當(dāng)電機驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)時時，可以帶動工作臺進行上下運動；所述工作臺用于固定安裝待加工的工件。

8、進一步的，在床身上設(shè)置有支架，支架上安裝有刀具卡裝系統(tǒng)；所述拉刀的上端與所述刀具卡裝系統(tǒng)活動連接，拉刀的下端則穿過工作臺后與下方的卡緊裝置相連，所述超聲輔助裝置的一端與卡緊裝置相連，超聲輔助裝置的另一端與所述底座相連。

9、進一步的，底座上設(shè)置有3套超聲輔助裝置，且3套超聲輔助裝置在底座上呈等邊三角形排布。

10、進一步的，3套超聲輔助裝置中的超聲振動變幅桿的軸心均位于等邊三角形的頂點上。

11、進一步的，超聲振動變幅桿的輸出端與振動板相連，所述振動板與共振板相連，振動板將超聲振動變幅桿的振動傳遞到共振板上，使共振板產(chǎn)生穩(wěn)定的軸向振動。

12、進一步的，墊片為圓柱狀，材料可采用黃銅，通過選擇安裝不同厚度的墊片來調(diào)整超聲振動變幅桿與固定板之間的接觸壓力。

13、進一步的，墊圈的內(nèi)徑與超聲振動變幅桿輸入端的直徑相適應(yīng)，外徑與墊片的外徑相同，墊圈可采用橡膠與高錳鋼的疊片式結(jié)構(gòu)。

14、進一步的，墊圈、墊片與超聲振動變幅桿輸入端的長度總和與圓筒的長度相適應(yīng)；優(yōu)選的，在初始裝配時，使墊圈、墊片與超聲振動變幅桿輸入端的長度之和與圓筒的長度保持相等，以便于后續(xù)對墊圈和墊片厚度的調(diào)節(jié)。

15、進一步的，限位塊可以為螺母，在圓筒和超聲振動變幅桿的臺階凸起上設(shè)置有與固定螺栓相配合的安裝孔，固定螺栓依次穿過臺階凸起上的安裝孔、限位塊和圓筒上的安裝孔后與固定板相連，限位塊可在固定螺栓上旋轉(zhuǎn)而改變位置，當(dāng)限位塊向遠(yuǎn)離固定板的方向移動時，限位塊可以承接更多的超聲振動變幅桿的壓力，進而使超聲振動變幅桿臺階凸起作用于圓筒上的壓力減小。

16、進一步的，超聲振動變幅桿為一維軸向振動變幅桿，輸出端為超聲振動變幅桿的振型波峰位置，輸出端采用圓錐狀以滿足高彎矩剛度要求，并用于放大超聲振動幅值與振動速度，超聲振動變幅桿的臺階凸起處為超聲振動變幅桿的振型節(jié)點，其振動幅值為0，以避免超聲振動傳遞給機床，減少超聲能量的損耗。

17、進一步的，壓電致動器采用壓電陶瓷，超聲電源可將工業(yè)用電(220v)轉(zhuǎn)化為超聲頻率電源，在超聲電源的作用下，壓電致動器將產(chǎn)生往復(fù)周期性振動，進而激勵超聲振動變幅桿產(chǎn)生振動。

18、本發(fā)明還針對前述的立式超聲拉床提供了專門的調(diào)試方法，具體包括以下步驟：

19、s1、計算出壓電致動器的臨界應(yīng)變值

20、在超聲振動變幅桿輸入端上設(shè)置應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)包括應(yīng)變片、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集與分析軟件和計算機，將應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)采集的應(yīng)變記作εx，則根據(jù)以下公式進行計算：

21、σx＝eεx，?(1)

22、其中σx為垂直截面的應(yīng)力，e為彈性模量，由材料的物理屬性確定(可直接查詢得到或者通過測量實驗得出，比如不銹鋼的彈性模量為200gpa)；

23、fx＝σxa，?(2)

24、其中fx為壓電致動器的預(yù)緊力，a為壓電致動器的截面面積，通過依次增加墊圈的厚度，從而調(diào)節(jié)壓電致動器的預(yù)緊力，使預(yù)緊力依次增加，直到得到壓電致動器燒壞時的臨界應(yīng)變值，記作εmax，同時也得到臨界預(yù)緊力的值。

25、s2、初步裝配調(diào)試

26、先按照標(biāo)準(zhǔn)的尺寸安裝好超聲振動機構(gòu)，即墊圈、墊片與超聲振動變幅桿輸入端的長度之和與圓筒的長度相同，在超聲振動變幅桿的輸出端施加特定的壓力載荷，并在墊圈、墊片、超聲振動變幅桿的輸入端的中心處布置應(yīng)變片，測量得到的應(yīng)變分別記為ε1，ε2，ε3，為避免壓電致動器的預(yù)緊力過大，需要保證ε1，ε2，ε3的值均小于步驟s1中得出的εmax的值。

27、ε1，ε2，ε3的值可采用以下方式中的一種或多種來調(diào)節(jié)：

28、1)調(diào)節(jié)限位塊的位置，將限位塊向上調(diào)節(jié)，可以將壓力載荷轉(zhuǎn)移到固定螺栓上；降低超聲振動變幅桿輸入端的預(yù)緊力，從而降低對應(yīng)的應(yīng)變值；反之，則會增加對應(yīng)的應(yīng)變值；

29、2)降低墊片厚度時，會降低壓電致動器、變幅桿、墊圈間的預(yù)緊力，從而降低對應(yīng)的應(yīng)變值；反之，則會增加預(yù)緊力，從而增加對應(yīng)的應(yīng)變值；

30、3)降低墊圈的厚度，會降低壓電致動器、變幅桿、墊圈間的預(yù)緊力，從而降低對應(yīng)的應(yīng)變值；反之，則會增加預(yù)緊力，從而增加對應(yīng)的應(yīng)變值。

31、s3、測試

32、啟動超聲振動機構(gòu)，通過多普勒激光測振儀，測量超聲振動變幅桿輸出端的振動幅值與頻率，根據(jù)測量結(jié)果進行調(diào)整：

33、1)若振動幅值已滿足預(yù)先設(shè)計的參數(shù)要求，則不需要調(diào)整；

34、2)若振動幅值不滿足預(yù)先設(shè)計的參數(shù)要求，則通過調(diào)節(jié)限位塊位置或者墊片的厚度，使得振動幅值滿足設(shè)計要求。

35、進一步的，在步驟s3中，若振動幅值不滿足預(yù)先設(shè)計的參數(shù)要求，且振動幅值低于目標(biāo)振動幅值的20％，則首先將限位塊向上移動，使得載荷向固定螺栓上轉(zhuǎn)移，使得超聲振動幅值不低于設(shè)計值的80％；再通過調(diào)節(jié)墊片的厚度，使得振動幅值滿足設(shè)計要求。

36、本發(fā)明中調(diào)試的原理為：由于超聲振動變幅桿的臺階凸起位于超聲振動變幅桿振型的節(jié)點處，在壓電致動器的激勵下，其振動幅值非常小；調(diào)節(jié)臺階凸起與圓筒之間的限位塊的位置可以調(diào)整超聲振動變幅桿臺階凸起處與圓筒的接觸壓力，具體為：將限位塊向上調(diào)節(jié)(遠(yuǎn)離圓筒的方向)可以將壓力載荷轉(zhuǎn)移到固定螺栓上，使得超聲振動變幅桿對圓筒中墊片、墊圈和壓電致動器的擠壓力度減小。降低墊片的厚度，會降低壓電致動器、超聲振動變幅桿、墊圈間的預(yù)緊力，反之，會增加預(yù)緊力。降低墊圈的厚度，也會降低壓電致動器、變幅桿、墊圈間的預(yù)緊力；反之，會增加預(yù)緊力。

37、與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明中的立式超聲拉床可通過綜合調(diào)節(jié)墊圈和墊片的厚度以及限位塊的位置，避免壓電致動器的預(yù)緊力過大導(dǎo)致壓電致動器被燒壞，解決超聲振動變幅桿與壓電致動器連接處的壓力過大，導(dǎo)致壓電致動器激勵的幅值與頻率較小的難題。