技术领域
[0001] 本
发明涉及一种超声振动辅助放电磨削加工的装置及方法，属于
导电性硬脆材料的精密零部件制造领域。技术背景
[0002] 目前，单一磨削加工不能满足精密零部件以及特殊材料的制作加工要求。采取复合加工方式如脉冲电火花加工与磨削加工的结合，能大大降低磨削
力及提高表面
质量，提高加工效率，但由于脉冲电火花本身的不稳定作用，造成空载脉冲与
短路脉冲。本发明主要涉及一种超声振动辅助放电磨削加工装置及方法，因为现今技术表明造成磨削力和电火花短路率增大可能是磨屑阻碍，附着在
工件表面等原因，而超声振动对工件的微振
动能在清理磨屑及消除不稳定干扰因素方面有明显的效果，起到调整优化加工效果。电火花脉冲
放电加工与磨削加工的结合已经不能满足现今
精度的更高要求，为改善现有主流技术的不足，本发明设计出超声振动辅助放电磨削加工方法，与主流技术相比具有放电效率更高、表面质量更高且加工时间减少等特点。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于克服
现有技术中电火花脉冲放电不稳定造成的空载脉冲及短路脉冲，以及放电磨削仍存在的切屑集聚等问题，提供一种超声振动辅助放电磨削加工的装置及方法。
[0004] 利用电火花放电加工的脉冲
电压，脉冲
频率，占空比等放电参数、
砂轮转速、进给速度、磨削深度等磨削参数，以及工件轴向超声振动辅助的振动频率及振幅进行一个优化组合，通过实验得出组最优化参数，应用到其他复合加工方式中，扩展传统加工与特种加工的结合度。
[0005] 本发明可通过如下技术方案实现：
[0006] 一方面，本发明提供了一种超声振动辅助放电磨削加工装置，包括安装有金刚石砂轮的超精密磨床、脉冲电源，还包括：
[0007] 脉冲放电参数采集系统，用于实时获取金刚石砂轮加工时的脉冲放电参数；
[0008] 超声振动辅助装置，固定在超精密磨床
工作台上，用于安装工件并使工件产生轴向超声振动；
[0009]
数据处理及调节系统，用于分析超声振动辅助装置的振动参数及实时获取的脉冲放电参数、磨削参数， 利用超精密磨床的磨床CNC计算机控制系统自适应地调节脉冲电源的放电参数、磨床的磨削参数及超声振动辅助装置振动参数实现对硬脆性导电材料的超声振动辅助放电磨削加工。
[0010] 进一步地，所述脉冲放电参数采集系统包括电压
传感器、
电流传感器、数字示波器，所述电压传感器和电流传感器分别将在线采集的放电回路的放电电压、电流
波形经所述数字示波器输送至数据处理及调节系统。
[0011] 进一步地，所述超声振动辅助装置包括轴向超声振动装置、设置在所述轴向超声振动装置上的夹具以及与所述轴向超声振动装置
电路连接、用于调节所述轴向超声振动装置8振动参数的
超声波调节装置9。
[0012] 进一步地，所述数据处理及调节系统包括电脑终端、放电及磨削参数调节系统，所述电脑终端分别与
超声波调节装置和所述电脑终端电路连接，用于将实时获取的放电参数、磨削参数、振动参数与预设参数进行比较分析后向放电及磨削参数调节系统及超声波调节装置发送调节
信号；所述放电及磨削参数调节系统还连接磨床CNC计算机控制系统，用于根据调节信号控制超精密磨床自适应地调节脉冲电源的放电参数及磨削参数。
[0013] 进一步地，所述轴向超声振动装置包括上平板和下平板，所述下平板上均布有四个换能器，每个换能器上竖直设置有
支撑连接上平板的变幅杆，通过输入超声波调节装置的频率及振幅参数，使其产生超声波，同时通过四个变幅杆对上平板产生特定的轴向微振动，实现工件5的轴向微振动，促进放电磨削加工效率。
[0014] 进一步地，所述轴向超声振动装置8的超声波频率为15 25KHz，振幅为2 8微米。~ ~
[0015] 另一方面，本发明还提供了一种采用如所述装置的超声振动辅助放电磨削加工方法，包括步骤：
[0016] 1）将工件固定在超精密磨床的超声振动辅助装置上，工件、金刚石砂轮和脉冲电源形成放电回路；
[0017] 2）金刚石砂轮在工件表面作轴向直线往复运动，同时超声振动辅助装置使工件产生轴向超声振动；
[0018] 3）脉冲放电参数采集系统实时获取金刚石砂轮磨削时的放电参数；
[0019] 4）数据处理及调节系分析超声振动辅助装置的振动参数及实时获取的脉冲放电参数、磨削参数，利用超精密磨床的磨床CNC计算机控制系统自适应地调节脉冲电源的放电参数、磨床的磨削工艺参数及超声振动辅助装置振动参数实现对硬脆性导电材料的超声振动辅助放电磨削加工。
[0020] 进一步地，步骤3）中，所述脉冲放电参数采集系统实时获取金刚石砂轮磨削时的放电参数具体为：
[0021] 通过所述电压传感器和电流传感器分别在线采集放电回路的放电电压、电流波形，并经所述数字示波器输送至数据处理及调节系统。
[0022] 进一步地，所述步骤4）具体包括：
[0023] 41）电脑终端将实时获取的放电参数、磨削参数与
数据库中预设的参数进行比较分析；
[0024] 42）根据比较分析的结果向放电及磨削参数调节系统及超声波调节装置发送调节信号；
[0025] 43）所述放电及磨削参数调节系统根据调节信号控制超精密磨床7自适应地调节脉冲电源的放电参数及磨削参数，同时超声波调节装置根据调节信号对轴向超声振动装置的超声波频率及振幅进行调整。
[0026] 进一步地，所述放电参数包括脉冲电源的开路电压5 25V、占空比10 80%、频率~ ~4000 Hz～5000Hz、脉冲火花放电的放电间隙1 30 µs、脉宽10 150 µs、电流0.5 5 A；所述~ ~ ~
磨削参数包括金刚石砂轮的转速2000 6000 r/min、进给深度1 10 µm、进给速度50 500 ~ ~ ~
mm/min。
[0027] 本发明的超声振动辅助放电磨削加工装置及方法，适用于干式放电磨削加工，是利用设置在砂轮上的电刷以及通过
导线的导电硬脆性材料，通过磨削加工，砂轮与工件表面形成一回路，实施放电加工，其中低放电电压及占空比的存在令放电加工不存在短路问题，但是影响加工效率，且间隙放电不能满足全时间的磨削加工，随着时间推移，会导致切屑累积，对加工面形成阻碍加工，影响加工表面质量，因此，为了提高放电加工效率，采用超声振动辅助加工，即是在工件下方设置轴向超声振动装置，通过工件的微轴向振动，利用砂轮高速旋转的同时，作与砂轮旋转同方向的振动，促进磨屑碎化的同时降低磨屑的附着性，同时，增加脉冲放电对工件加工的面积，促进电蚀产物的均分，提高放电加工效率。
[0028] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0029] （1）与单一磨削加工、放电加工方式及放电磨削加工方式相比，本发明所设计的超声振动辅助放电磨削加工方法促进磨削加工对硬脆性材料的微
破碎过程，提高材料去除率。
[0030] （2）与单一磨削加工、放电加工方式及放电磨削加工方式相比，本发明所设计的超声振动辅助放电磨削加工方法降低放电加工的空载脉冲及短路脉冲的影响，充分利用放电间隙时间，电蚀产物的均分以及提高了单位面积内的脉冲放电数。
[0031] （3）与单一磨削加工、放电加工方式及放电磨削加工方式相比，本发明所设计的超声振动辅助放电磨削加工方法，从根本上再一次提高加工效率，利用轴向微振动把附着的磨屑振碎及电蚀产物的均分，提高放电加工效果。
[0032] （4）与单一磨削加工、放电加工方式及放电磨削加工方式相比，超声振动与放电加工的结合令工件表面加工质量更好。
附图说明
[0033] 图1 为发明设计超声振动辅助放电磨削加工原理示意图。
[0034] 图2 为本发明超声振动辅助放电磨削加工原理示意图 。
[0035] 图3为本发明设计工件平台轴向超声振动辅助装置示意图。
[0036] 图中所示：1-数字示波器；2-电压传感器；3-电流传感器；4-脉冲电源；5-工件；6-金刚石砂轮；7-超精密磨床；8-轴向超声振动装置；9-超声波调节装置；10-电脑终端；11-放电及磨削参数调节系统；12-磨床CNC计算机控制系统；13-金刚石磨粒；14-金属结合剂；15-脉冲电火花放电；16-轴向超声振动；17-夹具。
具体实施方式
[0037] 为更好理解本发明，下面结合附图和
实施例对本发明做进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。
[0038] 如图1所示，一种超声振动辅助放电磨削加工装置，包括安装有金刚石砂轮6的超精密磨床7、脉冲电源4，还包括：
[0039] 脉冲放电参数采集系统，用于实时获取金刚石砂轮6加工时的脉冲放电参数；
[0040] 超声振动辅助装置，固定在超精密磨床7工作台上，用于安装导电性工件5并使工件5产生轴向超声振动；
[0041] 数据处理及调节系统，用于分析超声振动辅助装置的振动参数及实时获取的脉冲放电参数、磨削参数， 利用超精密磨床7的磨床CNC计算机控制系统12自适应地调节脉冲电源4的放电参数、磨床的磨削参数及超声振动辅助装置振动参数实现对硬脆性导电材料的超声振动辅助放电磨削加工。
[0042] 具体而言，所述脉冲放电参数采集系统包括电压传感器2、电流传感器3、数字示波器1，所述电压传感器2和电流传感器3分别将在线采集的放电回路的放电电压、电流波形经所述数字示波器1输送至数据处理及调节系统。
[0043] 具体而言，所述超声振动辅助装置包括轴向超声振动装置8、设置在所述轴向超声振动装置8上的夹具17以及与所述轴向超声振动装置8电路连接、用于调节所述轴向超声振动装置8振动参数的超声波调节装置9，通过微振动促进放电面积均匀，放电间隙合理使用，并可通过超声波调节装置9对超声振动的频率及振幅进行调整。
[0044] 具体而言，所述数据处理及调节系统包括电脑终端10、放电及磨削参数调节系统11，所述电脑终端10分别与超声波调节装置9和所述电脑终端10电路连接，用于将实时获取的放电参数、磨削参数、振动参数与预设参数进行比较分析后向放电及磨削参数调节系统
11及超声波调节装置9发送调节信号；所述放电及磨削参数调节系统11还连接磨床CNC计算机控制系统12，用于根据调节信号控制超精密磨床7自适应地调节脉冲电源4的放电参数及磨削参数。
[0045] 具体而言，如图3所示，所述轴向超声振动装置8包括上平板和下平板，所述下平板上均布有四个换能器，每个换能器上竖直设置有支撑连接上平板的变幅杆，通过输入超声波调节装置的频率及振幅参数，使其产生超声波，同时通过四个变幅杆对上平板产生特定的轴向微振动，实现对放电中的导电性工件5的轴向微振动，促进放电磨削加工效率。所述轴向超声振动装置8的超声波频率为15 25KHz，振幅为2 8微米。~ ~
[0046] 本实施例的超声波实时数据输入电脑终端10，同时将放电参数和磨削参数的实时数据输入电脑终端10，在电脑终端10进行分析，检测不足，通过
软件数据传输，根据实验数据的数据库，反馈给超声波调节装置9，放电及磨削参数调节系统11以及磨床CNC计算机控制系统12，对磨削参数以及放电参数进行调节，对金刚石砂轮6运动进行干预调节，并对超声波参数进行调节，调整超声振动辅助加工的效果，实现对硬脆性导电材料的超声振动辅助放电磨削加工。
[0047] 所述脉冲电源4的开路电压为15V～25V，占空比为40%～50%，频率为4000 Hz～5000Hz，脉冲火花放电的放电间隙为0～150微米，脉宽为10～100微秒，电流为0.5 5安。
~
[0048] 所述金刚石砂轮6的转速为20 50米/秒，进给深度为1 10微米，进给速度为100~ ~ ~500毫米/分，金刚石砂轮在
铜电极表面作直线往复运动，与铜电极进行
接触放电磨削。
[0049] 操作过程中，将金刚石砂轮6固定在数控磨床的砂轮轴上，导电硬脆性工件5放置在超精密磨床7上的轴向超声振动装置8上，金刚石砂轮6、工件5和脉冲电源4形成放电回路，脉冲电源4负极接工件5，脉冲电源4正极接金刚石砂轮6；金刚石砂轮6在工件5表面作轴向直线往复运动，金刚石砂轮6的金属结合剂14与工件5间的微米尺度空间为2-150微米。
[0050] 本发明的另实施例提供了一种采用如所述装置的超声振动辅助放电磨削加工方法，包括步骤：
[0051] 步骤1、将工件5固定在超精密磨床7的超声振动辅助装置上，工件5、金刚石砂轮6和脉冲电源4形成放电回路，工件5为模具
钢、硬质
合金、
钛合金或
铝基
碳化
硅陶瓷；
[0052] 步骤2、金刚石砂轮6在工件5表面作轴向直线往复运动，同时超声振动辅助装置使工件产生轴向超声振动；
[0053] 步骤3、脉冲放电参数采集系统实时获取金刚石砂轮磨削时的放电参数；
[0054] 步骤4、数据处理及调节系分析超声振动辅助装置的振动参数及实时获取的脉冲放电参数、磨削参数，利用超精密磨床7的磨床CNC计算机控制系统12自适应地调节脉冲电源4的放电参数、磨床的磨削工艺参数及超声振动辅助装置振动参数实现对硬脆性导电材料的超声振动辅助放电磨削加工。
[0055] 具体而言，步骤3中，所述脉冲放电参数采集系统实时获取金刚石砂轮磨削时的放电参数具体为：
[0056] 通过所述电压传感器2和电流传感器3分别在线采集放电回路的放电电压、电流波形，并经所述数字示波器1输送至数据处理及调节系统。
[0057] 具体而言，所述步骤4具体包括：
[0058] 步骤41、电脑终端10 将实时获取的放电参数、磨削参数与数据库中预设的参数进行比较分析；
[0059] 步骤42、根据比较分析的结果向放电及磨削参数调节系统11及超声波调节装置9发送调节信号；
[0060] 步骤43、所述放电及磨削参数调节系统11根据调节信号控制超精密磨床7自适应地调节脉冲电源4的放电参数及磨削参数，同时超声波调节装置9根据调节信号对轴向超声振动装置8的超声波频率及振幅进行调整。
[0061] 具体而言，所述放电参数包括脉冲电源4的开路电压5 25V、占空比10 80%、频率~ ~4000 Hz～5000Hz、脉冲火花放电的放电间隙1 30 µs、脉宽10 150 µs、电流0.5 5 A；所述~ ~ ~
磨削参数包括金刚石砂轮6的转速2000 6000 r/min、进给深度1 10 µm、进给速度50 500 ~ ~ ~
mm/min。
[0062] 如图2所示，当金刚石磨粒13对工件5进行微磨削时，工件5的表面会与金刚石砂轮6的金属结合剂14之间产生脉冲电火花放电15，脉冲电火花放电15会瞬间熔断金刚石砂轮6突出的金属结合剂14，熔断的金属结合剂14会随高速旋转的金刚石砂轮66排出，但是由于放电间隙，电蚀产物逐渐在加工工件5表面累积；在放电加工过程中，通过电流传感器3、电压传感器2和数字示波器1可以在线采集电流和电压波形，通过电脑终端10将电压、电流波形特征化为放电电流、
脉冲持续时间等放电参数并输入到放电及磨削参数调节系统11，自适应地调节脉冲电源4的电压、电流等电参数，智能控制放电磨削加工过程。同时，轴向超声振动装置8对放电过程中的工件5进行轴向超声振动，频率变化为15 25KHz，振幅为2 8微~ ~
米，通过超声振动处理电蚀产物以及降低空载脉冲及短路脉冲的影响，提高放电效率，并通过超声波调节装置9实时调节轴向超声振动频率及振幅，结果输入电脑终端10，再比较传输进来的磨削参数及放电参数，对比数据库，给予磨削参数及放电参数的参考值反馈给放电及磨削参数调节系统11。电脑终端10的可显示数据，自适应地调节脉冲电源4的电压、电流等放电参数及超精密磨床7的磨削参数，同时对轴向超声振动波的频率及振幅进行调整，实现超声振动辅助放电磨削加工。
[0063] 在一个实施例中，直径150毫米、厚度2.5毫米的金刚石砂轮6被安装在超精密磨床7SMRART B818的砂轮轴上；长宽度50毫米、厚度12毫米的铝基碳化硅工件5被固定在轴向超声振动装置8上且与砂轮轴向垂直；金刚石砂轮6、工件5和脉冲电源4形成放电回路。金刚石砂轮6的粒度为46目，浓度为100%，金属结合剂13为
青铜结合剂。
[0064] 金刚石砂轮6在工件5表面作轴向直线往复运动，金属结合剂14与工件5之间会产生电火花放电将突出的金属结合剂14熔断排出。砂轮转速为25米/秒，进给速度200毫米/分，进给深度10微米，脉冲电源开路电压为25V，占空比为40 50%，频率为5000Hz，超声波频~率22KHz，振幅5微米，与传统的放电磨削法相比，因超声振动辅助加工提高放电效率，促进电蚀产物均分，放电间隙合理，对工件5的加工起到良好促进作用，因而能够获得表面质量更高的铝基碳化硅工件5。
[0065] 本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的
基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明
权利要求的保护范围之内。
