[发明专利]一种测量在超声波辅助振动条件下钻头轴向力的钻削装置

说明书

本发明涉及一种测量在超声波辅助振动条件下钻头轴向力的钻削装置，包括机床主轴、机床主轴外壳、安装套筒、连接套筒、固定套筒、变幅杆、位于安装套筒内的纵向超声波换能器和中间圆柱结构、位于安装套筒外的非接触式电能传输系统、超声波电源和信号处理设备。纵向超声波换能器下方依次用法兰结构连接中间圆柱结构和变幅杆，纵向超声波换能器的上端不与其他机构接触；在圆柱体的圆周面上设法兰安装板，法兰安装板与安装套筒的底部用螺栓紧固构成法兰结构II；本发明依据传统的超声振动加工装置，设计了带有两处(上下圆面)压电材料的中间圆柱结构，在不影响原装置工作的条件下，使装置具有在超声辅助振动加工条件下准确测量轴向力的功能。

技术领域

本发明属于钻削加工技术领域，涉及一种测量在超声波辅助振动条件下钻头轴向力的钻削装置。

背景技术

超声波振动辅助钻削加工将传统钻削旋转加工工艺与轴向超声振动技术相结合，是一种新兴的特种加工工艺。它让切削用量产生周期性改变，从根本上改变了钻削机理，使得钻头可以脉冲式断续切削加工。这种加工工艺可以显著地降低切削力、提高加工效率、降低表面粗糙度并提升刀具寿命，具有传统钻削旋转加工工艺无法比拟的加工优势。

钻头所受到的轴向力是钻削加工中比较重要的加工参数，不合理的轴向力可能会导致工件材料崩裂、钻头折断、刀具磨损失效等情况，对钻削轴向力的研究，尤其是在超声波振动辅助条件下的探究对于分析超声波振动辅助钻削加工的过程具有非常重要的意义。

在文献1(压电式磨削测力仪的结构优化设计与实验研究[D].哈尔滨工程大学,2008)中，公开了压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时内部就产生电极化现象同时在某两个表面上产生符号相反的电荷，晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电测力仪大多是基于正压电效应。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。超声波换能器大多基于逆压电效应。

而在传统加工过程中，基于压电效应制作的压电测力仪是一项重要技术，可以较为准确地测量刀具所受的轴向力，但在超声波振动辅助加工中，超声波的存在也会引起压电材料的压电效应；如文献2(用于超声振动辅助切削力测量的PVDF压电薄膜标定及应用[D].天津大学,2019.)中所记载的将压电薄膜贴在变幅杆表面，利用薄膜变形产生的电信号来测量轴向力，或者文献3(超声加工压电式三向测力仪的关键技术研究[D].杭州电子科技大学,2018.)中所记载的将压电材料做成压电测力仪放在工具底部，利用工具受到的轴向力反应钻头所受轴向力，由于压电效应的影响，都无法在超声振动的条件下保证测力精度，从而严重影响测力装置的测力精度。

因此，设计一种可以提高在超声波辅助振动条件下钻头轴向力测量准确度的钻削装置具有十分重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种测量在超声波辅助振动条件下钻头轴向力的钻削装置。

为达到上述目的，本发明采用的方案如下：

一种测量在超声波辅助振动条件下钻头轴向力的钻削装置，包括机床主轴、机床主轴外壳、安装套筒和变幅杆，还包括位于安装套筒内的纵向超声波换能器和位于安装套筒外的非接触式电能传输系统、连接套筒、固定套筒、超声波电源和信号处理设备；

纵向超声波换能器的下方依次用法兰结构连接中间圆柱结构和变幅杆；纵向超声波换能器上端不与其他机构接触；法兰结构便于安装导线与压电材料，且能够承受加工时钻头所传递的轴向力。