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超精研加工用四轮驱动小幅高频直线振荡装置

泰然健康网
2024-12-22 01:25

本实用新型涉及机械加工制造领域，更具体地说，涉及一种超精研加工用四轮驱动小幅高频直线振荡装置。

背景技术：

超精研是机械零件的一种精密加工工艺，广泛应用于轴承、液压件和汽车等行业，超精研工艺以油石为工具，将油石以一定压力浮动地压在工件表面，并沿表面切线方向施加小幅高频振荡运动作为主切削运动，辅以一定的进给运动，实现对工件表面的精密研磨加工。超精研工艺可加工圆柱面、圆锥面、平面和球面等多种表面，在加工圆柱面和圆锥面等直母线表面时，油石的振荡运动是小幅高频的直线往复运动，该运动的直线性、振荡幅度和频率的稳定性直接影响超精研工艺的质量和效率，超精研机工作时，油石的振荡运动由机床的油石振荡装置提供。

超精研机油石振荡装置往复直线运动的支撑方式主要有两种，一种是直线运动导轨，另一种是悬吊弹簧板，带直线运动导轨的油石振荡装置，其性能的稳定性和使用的便利性存在局限性，基于油石振荡装置直线振荡运动小幅高频的特性，直线运动导轨很容易磨损，随着磨损的积累，一方面振荡装置的使用性能不断下降，另一方面磨损达到一定程度需要修复或更换，影响使用的便利性并增加使用成本；

采用悬吊弹簧板进行直线运动支撑的油石振荡装置克服了直线运动导轨的局限性，避免了导轨磨损对振荡精度和性能的影响，使用中也便于维护，但目前带悬吊弹簧板的油石振荡装置还存在局限性，主要是悬吊弹簧板在铅垂平面内往复摆动的同时，存在水平面内的扭转运动，而这种扭转运动既影响水平面内油石往复运动的直线性，也影响振荡运动的平稳性，目前这种装置悬吊弹簧板在水平面内产生扭转运动的原因是，一方面，悬吊弹簧板是薄板，其水平扭转刚度比较小，另一方面，振荡过程中弹簧板组在水平面内受到明显的扭矩作用。油石及其加压装置等作振荡运动的零部件，通常都配置在弹簧板前方一定距离的位置而不是在其正下方，超精研加工的研磨力和油石及其加压装置等零部件的惯性力都作用在弹簧板和振荡板的前方，而一个振荡板只与一个偏心轮接触，因此在水平面内悬吊弹簧板组受到明显的扭矩作用。随着精密机械零件超精研加工要求的不断提高，现有超精研机油石振荡装置的使用性能已难以满足需要。

技术实现要素：

有鉴于此，为解决上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种超精研加工用四轮驱动小幅高频直线振荡装置，该装置具有振荡直线性更好、振荡更平稳、维护十分简单等优良性能，并可长期保持良好的振荡精度和性能。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：超精研加工用四轮驱动小幅高频直线振荡装置，包括机架、四轮驱动轴系和振荡机构，所述四轮驱动轴系通过其轴两端的轴承安装在所述机架中心，所述振荡机构包括两组，对称设置在所述四轮驱动轴系的两侧，所述四轮驱动轴系包括偏心轴，安装在所述偏心轴两端的偏心轴前支撑轴承和偏心轴后支撑轴承，安装在所述偏心轴前支撑轴承和偏心轴后支撑轴承内侧的右驱动偏心轮对，以及安装在所述右驱动偏心轮对内侧的左驱动偏心轮对；所述左驱动偏心轮对和右驱动偏心轮对的跨度中心与所述偏心轴前支撑轴承和偏心轴后支撑轴承的跨度中心重合，所述左驱动偏心轮对和右驱动偏心轮对的偏心量相同，偏心相位分布为：所述左驱动偏心轮对的2个偏心轮位于同一相位，且与所述右驱动偏心轮对的2个偏心轮相位相反。

进一步的，每组所述振荡机构均包括设置在所述偏心轴外侧的偏心轮靠板，设置在偏心轮靠板外侧的振荡板，设置在所述振荡板上的油石及其加压组件，以及设置在所述振荡板和所述机架之间的复位弹簧和悬吊弹簧板。

进一步的，所述振荡板一端与所述偏心轮靠板连接，另一端安装有复位弹簧，所述复位弹簧另一端连接在机架上；所述振荡板上方均匀设有多块悬吊弹簧板，所述悬吊弹簧板另一端连接在所述机架上；所述振荡板前方相应设有多套油石及其加压组件。

进一步的，位于所述四轮驱动轴系左侧的所述偏心轮靠板在复位弹簧的弹力作用下靠紧在左驱动偏心轮对的一对偏心轮上。

进一步的，位于所述四轮驱动轴系右侧的所述偏心轮靠板在复位弹簧的弹力作用下靠紧在右驱动偏心轮对的一对偏心轮上。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的振荡板通过偏心轮靠板靠紧在1对有较大跨距的偏心轮上，而不像现有装置那样只靠在1个偏心轮上，因此，在复位弹簧弹力适当时，水平面内振荡板和悬吊弹簧板受到的扭转力矩是平衡的，偏心轮靠板始终与偏心轴轴线平行，从而保证振荡运动在水平面内具有良好的直线性；同时，由于振荡板始终靠紧在1对有较大跨距的偏心轮上，限制了低扭转刚度的悬吊弹簧板在水平面内发生扭转运动的可能性，因而振荡运动的平稳性更好；本实用新型的悬吊弹簧板在其摆动方向的刚度比较小，复位弹簧弹力适当，既保证在高频振荡条件下，偏心轮靠板可以在振荡过程中始终靠紧在偏心轮上，也不会对四轮驱动轴系产生不必要的额外负载；

本实用新型中，除了轴承内部的正常磨损以外，唯一容易产生磨损的地方是偏心轮靠板与1对偏心轮的接触面，但这两个接触面即使产生磨损，也不会影响振荡精度和性能：偏心轮靠板与1对偏心轮之间是滚动接触，运转过程中接触面有缓慢磨损，同时这2个偏心轮与靠板之间接触力的周期性变化规律是相同的，滚动速度的周期性变化规律也是相同的，因此两个接触面磨损程度相同，这样，偏心轮靠板与偏心轮即使有磨损，偏心轮靠板仍然可以与偏心轴线保持平行，因此，这里的磨损不会影响振荡的直线性和稳定性，也不会改变水平面内振荡直线的方向，可长期保持良好的振荡精度和性能，维护也十分简单，只需定期在偏心轮靠板与偏心轮接触处添加少量润滑脂即可。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为超精研加工用四轮驱动小幅高频直线振荡装置的结构示意图；

图2为四轮驱动轴系结构及其与左侧振荡机构的位置关系图；

图3为弹簧压缩阶段振荡板与偏心轮靠板构成的整体在水平面内的受力分析图；

图4为弹簧复位阶段振荡板与偏心轮靠板构成的整体在水平面内的受力分析图；

附图标记：1、机架，2、四轮驱动轴系，201、偏心轴，202、偏心轴前支撑轴承，203、偏心轴后支撑轴承，204、右驱动偏心轮对，205、左驱动偏心轮对，3、偏心轮靠板，4、振荡板，5、复位弹簧，6、悬吊弹簧板，7、油石及其加压组件。

具体实施方式

下面给出具体实施例，对本实用新型的技术方案作进一步清楚、完整、详细地说明。本实施例是以本实用新型技术方案为前提的最佳实施例，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

超精研加工用四轮驱动小幅高频直线振荡装置，具有振荡直线性更好、振荡更平稳等优良性能，并可长期保持良好的振荡精度和性能，而维护十分简单，如附图所示，包括机架1、四轮驱动轴系2和振荡机构，所述四轮驱动轴系2通过其轴两端的轴承安装在所述机架1中心，所述振荡机构包括两组，对称设置在所述四轮驱动轴系2的两侧；

所述四轮驱动轴系2包括偏心轴201，对称安装在所述偏心轴201两端的偏心轴前支撑轴承202和偏心轴后支撑轴承203，安装在所述偏心轴前支撑轴承202和偏心轴后支撑轴承203内侧的右驱动偏心轮对204，以及安装在所述右驱动偏心轮对204内侧的左驱动偏心轮对205；进一步的，所述左驱动偏心轮对205和右驱动偏心轮对204的跨度中心与所述偏心轴前支撑轴承202和偏心轴后支撑轴承203的跨度中心重合；进一步的，所述左驱动偏心轮对205和右驱动偏心轮对204的偏心量相同，偏心相位分布为：所述左驱动偏心轮对205的2个偏心轮位于同一相位，且与所述右驱动偏心轮对204的2个偏心轮相位相反；

每组所述振荡机构均包括设置在所述偏心轴201外侧的偏心轮靠板3，设置在所述偏心轮靠板3外侧的振荡板4，以及设置在所述振荡板4上的复位弹簧5、悬吊弹簧板6、油石及其加压组件7；进一步的，所述振荡板4一端与所述偏心轮靠板3连接，另一端安装有复位弹簧5，所述振荡板4上方均匀设有多块悬吊弹簧板6，前方相应设有多套油石及其加压组件7；

以左侧的振荡机构为例，振荡板4右端安装有1块偏心轮靠板3，左端安装有复位弹簧5，前方安装有多套油石及其加压组件7，上方安装有1组(多块)悬吊弹簧板6；复位弹簧5和悬吊弹簧板6的另一端都固定在机架1上，偏心轮靠板3在复位弹簧5的弹力作用下靠紧在左驱动偏心轮对205的一对偏心轮上；

以右侧的振荡机构为例，振荡板4左端安装有1块偏心轮靠板3，右端安装有复位弹簧5，前方安装有多套油石及其加压组件7，上方安装有1组(多块)悬吊弹簧板6；复位弹簧5和悬吊弹簧板6的另一端都固定在机架1上，偏心轮靠板3在复位弹簧5的弹力作用下靠紧在右驱动偏心轮对204的一对偏心轮上。

本实用新型的技术原理如下：振荡板通过偏心轮靠板靠紧在1对有较大跨距的偏心轮上，而不像现有装置那样只靠在1个偏心轮上，因此，在复位弹簧弹力适当时，水平面内振荡板和悬吊弹簧板受到的扭转力矩是平衡的，偏心轮靠板始终与偏心轴轴线平行，从而保证振荡运动在水平面内具有良好的直线性；同时，由于振荡板始终靠紧在1对有较大跨距的偏心轮上，限制了低扭转刚度的悬吊弹簧板在水平面内发生扭转运动的可能性，因而振荡运动的平稳性更好；本实用新型的悬吊弹簧板在其摆动方向的刚度比较小，复位弹簧弹力适当，既保证在高频振荡条件下，偏心轮靠板可以在振荡过程中始终靠紧在偏心轮上，也不会对四轮驱动轴系产生不必要的额外负载。

所述适当复位弹簧弹力，是根据振荡过程中振荡板和悬吊弹簧板在水平面内的扭转力矩平衡进行设计的。附图3是弹簧压缩阶段振荡板与偏心轮靠板构成的整体在水平面内的受力分析图，附图4是弹簧恢复阶段振荡板组件与偏心轮靠板构成的整体在水平面内的受力分析图，两者共同用于分析水平面内振荡板和悬吊弹簧板扭转力矩的平衡问题。悬吊弹簧板的弹力合成后与复位弹簧弹力的作用效果相同，可将其看做是复位弹簧弹力的一部分，因此图3和图4中没有包括悬吊弹簧板的弹力，显然这并不影响受力分析的结果。附图3和附图4是任意瞬时的受力图，其中的力在振荡过程中是随时间变化的。

在弹簧压缩阶段，根据图3，力及力矩的平衡式为

f后偏心轮驱动力+f前偏心轮驱动力＝f弹簧压缩+f研磨力+f气缸惯性力+f振荡板惯性力(1)

在弹簧压缩阶段，偏心轮施加的力是运动驱动力，其他力是运动阻力，由于研磨力和气缸惯性力作用在振荡板前方，且力的方向与偏心轮驱动力方向相反，可以判断前偏心轮驱动力大于后偏心轮。偏心轮与靠板脱离接触的临界条件是接触力为零，因此，令后偏心轮对靠板的驱动力为零，并取各惯性力为弹簧压缩阶段的最大值，根据式(1)和(2)可求出弹簧压缩阶段保证偏心轮与靠板不脱离接触所需要的最小复位弹簧弹力f最小弹簧压缩，计算式为

在弹簧恢复阶段，根据图4，力及力矩的平衡式为

f弹簧恢复＝f研磨力+f前偏心轮支撑力+f后偏心轮支撑力+f气缸惯性力+f振荡板惯性力

(4)

在弹簧恢复阶段，复位弹簧弹力是运动驱动力，其他力是运动阻力。由于研磨力和气缸惯性力作用在振荡板前方，且力的方向与复位弹簧弹力方向相反，可以判断后偏心轮支撑力大于前偏心轮。偏心轮与靠板脱落接触是临界条件是接触力为零，因此，令前偏心轮与靠板支撑力为零，并取各惯性力为弹簧恢复阶段的最大值，根据式(4)和(5)可求出弹簧恢复阶段保证偏心轮与靠板不脱离接触所需要的最小复位弹簧弹力f最小弹簧恢复，计算式为

本实用新型装置振荡过程中，振荡速度和加速度都是不均匀的，复位弹簧的弹力也是变化的，在振荡加速度最大时，振荡板和气缸惯性力也最大。对比式(3)和(6)可见，弹簧恢复阶段的最小复位弹簧弹力f最小弹簧恢复总是大于弹簧压缩阶段的最小弹簧弹力f最小弹簧压缩，因此，在复位弹簧弹力设计时，使振荡加速度最大时的复位弹簧弹力适当大于弹簧恢复阶段所需要最小弹簧弹力，可保证偏心轮靠板始终与偏心轴接触并与偏心轮轴线平行，相应地，力及力矩可以保持平衡，水平面内悬吊弹簧板的扭转力矩也是平衡的。同时，这样设计的复位弹簧弹力(悬吊弹簧板的弹力等效在此力中)，也不会对四轮驱动轴系产生不必要的额外负载。

(2)本实用新型装置中，除了轴承内部的正常磨损以外，唯一容易产生磨损的地方是偏心轮靠板与1对偏心轮的接触面，但这两个接触面即使产生磨损，也不会影响振荡精度和性能。偏心轮靠板与1对偏心轮之间是滚动接触，运转过程中接触面有缓慢磨损，然而，这2个偏心轮与靠板之间接触力的周期性变化规律是相同的，滚动速度的周期性变化规律也是相同的，因此两个接触面磨损程度相同，这样，偏心轮靠板与偏心轮即使有磨损，偏心轮靠板仍然可以与偏心轴线保持平行，因此，这里的磨损不会影响振荡的直线性和稳定性，也不会改变水平面内振荡直线的方向。因此，本实用新型装置可长期保持良好的振荡精度和性能，而维护十分简单，只需定期在偏心轮靠板与偏心轮接触处添加少量润滑脂即可。

在弹簧压缩阶段，前偏心轮对靠板的接触力大于后偏心轮，由式(2)可得，两者之差为:

在弹簧恢复阶段，后偏心轮对靠板的接触力大于前偏心轮，由式(5)可得，两者之差为:

弹簧压缩阶段和恢复阶段在同一个振荡位置的油石研磨力大小相等方向相反，气缸惯性力也是大小相等方向相反，因此，由式(7)和(8)可知，前后偏心轮对靠板的接触力之差相等。可见，在一个完整的振荡周期内，前后偏心轮对靠板的作用力变化规律相同。考虑到前后偏心轮与靠板之间滚动运动情况完全相同，偏心轮与靠板之间磨损的差异只与靠紧力的差异有关，可以判断本实用新型装置在使用过程中前后偏心轮与靠板之间的磨损程度是相同的。

超精研加工用四轮驱动小幅高频直线振荡装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)四轮驱动轴系2在传动装置带动下作等速定轴转动，分别通过左驱动偏心轮对205和右驱动偏心轮对204的偏心轮驱动左右两侧的振荡板4同时向左右两侧摆动，并压缩左右两端的复位弹簧5；

(2)振荡板4摆动到一侧极限位置后，在复位弹簧5的弹力驱动下，转为反向摆动；

(3)振荡板4反向摆动到另一侧极限位置后，又在偏心轮的驱动下转为正向摆动，如此反复，形成振荡板4的往复摆动；

(4)安装于振荡板4前方下端的油石的振荡幅度要求很小，不超过4mm，而悬吊弹簧板6长度加上油石加压装置的总长度很大，从而使油石的摆动近似为直线往复运动。

以上显示和描述了本实用新型的主要特征、基本原理以及本实用新型的优点。本行业技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。