一种基于弹性支撑的轴向振动加工装置的制作方法

[0001]
本发明属于机械加工技术领域，例如钻孔、镗孔和铣削，具体是一种基于弹性支撑的轴向振动加工装置。


背景技术：

[0002]
随着科学技术的发展，对钻孔、镗孔和铣削等作业加工质量的要求越来越高。轴向振动在孔加工成型方面显现出了良好的工艺效果，具有提高孔内表面质量、降低出口毛刺、有效断屑、促进排屑、降低钻削力和钻削温度等优点，因此对于轴向振动加工装置的开发显得尤为重要。常见的轴向振动钻孔技术主要通过振动电机实现，钻削设备体积大，不易小型化，难以在较广频率范围内形成良好的振动波形。
[0003]
申请号为201910933238.2的文献公开了一种凸轮机构式轴向振动钻孔装置，该装置通过滚动花键在滚动花键轴上的相对滑动来实现孔钻的轴向移动，两者之间的相对滑动存在较大的摩擦损耗，增加了产生故障的可能性，而且不利用装置减重；该装置的主轴振动系统未设置密封部件，存在漏油的现象，难以保证主轴振动系统的稳定性。


技术实现要素：

[0004]
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供了一种基于弹性支撑的轴向振动加工装置。
[0005]
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
[0006]
一种基于弹性支撑的轴向振动加工装置，包括主轴驱动电机、电机支架、主轴、圆柱凸轮和万向球轴承；其特征在于，该装置还包括左侧浮动轴承座端盖、左侧浮动轴承座、机箱、右侧浮动轴承座和右侧浮动轴承座端盖；
[0007]
所述机箱的两端分别与左侧浮动轴承座端盖和右侧浮动轴承座端盖螺纹连接，左侧浮动轴承座和右侧浮动轴承座安装在各自的浮动轴承座端盖内，左侧和右侧浮动轴承座外侧均为圆锥台形状，并且外侧周向均套装有多个周向弹性环，通过所有周向弹性环的相互配合实现主轴系统的弹性支撑。
[0008]
所述电机支架一端和主轴驱动电机相连接，另一端与左侧浮动轴承座端盖连接；主轴的一端通过弹性联轴器和主轴连接，另一端安装有钻头；所述主轴的中部固定有端面凸轮，两端装配有角接触球轴承，两端的角接触球轴承分别装配在各自的浮动轴承座内，以上构成主轴系统；主轴系统穿过机箱内圆板；所述主轴在带动圆柱凸轮转动过程中，圆柱凸轮在万向球轴承的反作用力作用下带动主轴实现轴向振动；
[0009]
所述左侧和右侧浮动轴承座内孔均为阶梯孔，外侧均为圆锥台形状，所述左、右侧浮动轴承座端盖的内孔均为圆锥孔；
[0010]
所述固定在主轴中部的圆柱凸轮端面上设有波纹滚道；机箱的内圆板上呈圆周均匀设有与波纹滚道中的波纹数量一致的万向球轴承，万向球轴承的滚动体沿波纹滚道滚动；
[0011]
所述套装在左、右侧浮动轴承座外侧的所有周向弹性环分别在左、右浮动轴承座圆锥孔以及浮动轴承座外侧圆锥台的共同作用下提供圆柱凸轮的波纹滚道靠紧万向球轴承滚动体的力，所述安装在浮动轴承座小直径端面的端面弹性环提供补偿轴向刚度的作用；
[0012]
所述连接主轴与驱动电机的弹性联轴器为轴向刚度小而径向刚度大的弹性联轴器，用以可以实现轴向振动的同时可以传递较大扭矩。
[0013]
所述左侧浮动轴承座的小直径端面上开有安装左侧端面弹性环的端面凹槽，周向上开有安装左侧周向弹性环的周向凹槽；右侧浮动轴承座的小直径端面上开有安装右侧端面弹性环的端面凹槽，周向上开有安装右侧周向弹性环的周向凹槽。
[0014]
所述左侧浮动轴承座端盖的一端开有与左侧浮动轴承座相匹配的圆锥孔，左侧浮动轴承座端盖开有圆锥孔一端与机箱外壳连接，两者之间设有左侧垫圈；右侧浮动轴承座端盖的一端开有与右侧浮动轴承座相匹配的圆锥孔，右侧浮动轴承座端盖开有圆锥孔一端与机箱的外壳连接，两者之间设有右侧垫圈。
[0015]
当通过挤压右侧垫圈调节圆柱凸轮的初始预紧力时，旋转右侧浮动轴承座端盖并挤压右侧垫圈，使得右侧弹性环的压缩量大于左侧弹性环的压缩量；当不通过挤压右侧垫圈调节圆柱凸轮的初始预紧力时，右侧端面弹性环的刚度大于左侧端面弹性环的刚度。
[0016]
所述机箱的外壳呈圆筒状，外壳内具有内圆板，内圆板上呈圆周均匀设有多个用以安装球轴承的安装孔。
[0017]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0018]
(1)本装置通过左侧周向弹性环和右侧周向弹性环为各自的浮动轴承座提供弹性支撑，为浮动轴承座提供径向刚度的同时也提供轴向刚度，使圆柱凸轮始终受到朝向万向球轴承方向的轴向力，确保球轴承的滚动体始终在圆柱凸轮的波纹滚道内滚动，圆柱凸轮受到球轴承的反作用力直接带动主轴做周期性的轴向振动，利用了反作用力的原理，实现了主轴在传递扭矩的同时实现轴向振动；与通过滚动花键副实现轴向振动的方式相比，本申请避免了滚动花键与滚动花键轴之间相对滑动时的摩擦损耗，能够有效减少故障，而且有利于整个装置的减重与小型化设计。
[0019]
(2)本发明通过旋转浮动轴承座端盖调节右侧垫圈的压缩量，调节圆柱凸轮的初始预紧力，可以防止圆柱凸轮在不同振幅和频率时的“浮起”现象，进而影响主轴的轴向振动；弹性支撑也增加了钻头在径向上跳动的可能性，有利于以骨组织为代表的脆性材料的钻孔作业时的散热，降低温度；圆柱凸轮与球轴承的滚动体之间为滚动接触，可以有效提高圆柱凸轮的寿命。
[0020]
(3)通过左侧浮动轴承座端盖、右侧浮动轴承座端盖和机箱将主轴振动系统包裹起来，不仅防止漏油，而且部件之间的连接处都进行润滑处理，润滑条件得以改善，保证了主轴轴向振动的稳定性。
[0021]
(4)本装置的整体结构部件加工简单、制造成本低、体积小、重量轻、结构紧凑，可做成小型化手持式轴向振动装置，也可与直线运动平台搭配使用，安装在机床上使用，有效解决孔加工成型作业过程中钻孔质量差、钻削力大、钻孔温度高的问题。
附图说明
[0022]
图1为本发明的整体结构简图；
[0023]
图2为本发明的整体结构沿主轴轴向的剖视图；
[0024]
图3为本发明的浮动轴承座端盖的三维结构示意图；
[0025]
图4为本发明的浮动轴承座端盖的主视图；
[0026]
图5为本发明沿图4的a-a方向的剖视图；
[0027]
图6为本发明的浮动轴承座的三维结构示意图；
[0028]
图7为本发明的浮动轴承座的主视图；
[0029]
图8为本发明沿图7的b-b方向的剖视图；
[0030]
图9为本发明的左侧浮动轴承座端盖与左侧浮动轴承座的配合示意图；
[0031]
图10为本发明的圆柱凸轮的三维结构示意图；
[0032]
图11为本发明的圆柱凸轮的主视图；
[0033]
图12为本发明沿图11的c-c方向的剖视图；
[0034]
图13为本发明的机箱的主视图；
[0035]
图14为本发明的球轴承的主视图；
[0036]
图中：1、主轴驱动电机；2、支架密封盖；3、电机支架；4、弹性联轴器；5、主轴；6、左侧密封圈；7、左侧浮动轴承座端盖；8、左侧垫圈；9、左侧浮动轴承座；10、机箱；11、圆柱凸轮；12、右侧浮动轴承座端盖；13、右侧角接触球轴承；14、右侧锁紧螺母；15、三爪夹头；16、钻头；17、右侧密封圈；18、右侧端面弹性环；19、右侧周向弹性环；20、右侧垫圈；21、右侧浮动轴承座；22、平键；23、定位套筒；24、万向球轴承；25、左侧周向弹性环；26、左侧角接触球轴承；27、左侧端面弹性环；28、左侧锁紧螺母；10-1、安装孔；11-1、波纹滚道；24-1、滚动体；91、端面凹槽；92、周向凹槽；93、凸台。
具体实施方式
[0037]
下面结合具体附图和实施例，对本发明的技术方案进行描述。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明的技术方案，不限制本申请的保护范围。
[0038]
本发明提供了一种基于弹性支撑的轴向振动加工装置(简称装置，参见图1-14)，包括主轴驱动电机1、电机支架3、主轴5、左侧浮动轴承座端盖7、左侧浮动轴承座9、左侧角接触球轴承26、万向球轴承24、机箱10、圆柱凸轮11、右侧角接触球轴承13、右侧浮动轴承座21和右侧浮动轴承座端盖12；
[0039]
上述的左侧浮动轴承座端盖7、左侧浮动轴承座9、左侧角接触球轴承26、圆柱凸轮11、右侧浮动轴承座21、右侧浮动轴承座端盖12、右侧角接触球轴承13和万向球轴承24共同构成主轴振动系统；
[0040]
所述电机支架3一端通过螺栓和主轴驱动电机1相连接，另一端通过螺栓与左侧浮动轴承座端盖7连接；主轴驱动电机1提供动力源，并通过弹性联轴器4和主轴5的一端相连，弹性联轴器4位于电机支架3内；主轴5靠近钻头16的一端先安装右侧角接触球轴承13，并通过右侧锁紧螺母14定位轴承内圈，再将右侧浮动轴承座21安装在角接触球轴承上，然后通过平键22与定位套筒23将圆柱凸轮11固定在主轴上，之后将主轴5穿过机箱10内圆板，再安装靠近电机一侧的左侧角接触球轴承26，并通过左侧锁紧螺母28定位轴承内圈，下一步将
左侧浮动轴承座9安装在左侧角接触球轴承26上，以上整体构成主轴系统；
[0041]
所述左侧浮动轴承座9与左侧浮动轴承座端盖7配合的端面上设有左侧端面弹性环27，左侧浮动轴承座9外侧套装有多个左侧周向弹性环25；右侧浮动轴承座21与右侧浮动轴承座端盖12配合的端面上设有右侧端面弹性环18，右侧浮动轴承座21外侧套装有多个右侧周向弹性环19；左侧浮动轴承座9和右侧浮动轴承座21外侧均为圆锥台形，同时左侧浮动轴承座端盖7和右侧浮动轴承座端盖12内孔均为阶梯孔，套装在左侧浮动轴承座9上的左侧周向弹性环25和套装在右侧浮动轴承座21上的右侧周向弹性环19沿左侧浮动轴承座端盖7和右侧浮动轴承座端盖12内圆锥孔被压缩实现周向弹性环的刚度分解，使得左侧周向弹性环25和右侧周向弹性环19为主轴振动系统提供径向刚度的同时也提供轴向刚度，同时左侧浮动轴承座9和右侧浮动轴承座21的小直径端面分别安装的左侧端面弹性环27和右侧端面弹性环18用以补偿轴向刚度；
[0042]
所述圆柱凸轮11固定在主轴5的中部，圆柱凸轮11的端面上设有波纹滚道11-1；机箱10的内圆板上呈圆周均匀设有与波纹滚道11-1中的波纹数量一致的万向球轴承24，万向球轴承24的滚动体24-1沿波纹滚道11-1滚动。
[0043]
所述机箱10的外壳呈圆筒状，外壳内具有内圆板，将外壳分为左、右两部分；内圆板上呈圆周设有多个安装万向球轴承24的安装孔10-1。
[0044]
所述左侧浮动轴承座端盖7的一端开有与左侧浮动轴承座9相匹配的圆锥内孔，左侧浮动轴承座端盖7开有圆锥内孔的一端伸入机箱10外壳的左部分内，并通过管螺纹与机箱10外壳连接，两者之间设有起密封作用的左侧垫圈8；左侧浮动轴承座端盖7与主轴5的配合面上设有左侧密封圈6，防止润滑脂泄漏。
[0045]
左侧浮动轴承座9(参见图6-8)的小直径端面上开有安装左侧端面弹性环27的端面凹槽91，周向上开有安装左侧周向弹性环25的周向凹槽92；左侧角接触球轴承26与左侧浮动轴承座9过渡配合，并通过左侧浮动轴承座9阶梯孔的凸台93对左侧角接触球轴承26的外圈进行定位；左侧角接触球轴承26的内圈靠近主轴驱动电机1的一侧通过左侧锁紧螺母28定位，左侧锁紧螺母28安装在主轴5上；左侧角接触球轴承26的内圈远离主轴驱动电机1的一侧通过套装在主轴5上的定位套筒23定位。
[0046]
所述右侧浮动轴承座端盖12的一端开有与右侧浮动轴承座21相匹配的圆锥孔，右侧浮动轴承座端盖12开有圆锥孔的一端伸入机箱10外壳的右部分内，且通过管螺纹与机箱10的外壳连接，两者之间设有右侧垫圈20，右侧垫圈20既起密封作用，又能调节左侧端面弹性环27和右侧端面弹性环18的压缩量；右侧浮动轴承座端盖12与主轴5的配合面上设有右侧密封圈17。
[0047]
右侧浮动轴承座21的小直径端面上开有安装右侧端面弹性环18的端面凹槽，周向上开有安装右侧周向弹性环19的周向凹槽；右侧角接触球轴承13与右侧浮动轴承座21过渡配合，并通过右侧浮动轴承座21阶梯孔的凸台对右侧角接触球轴承13的外圈进行定位；右侧角接触球轴承13的内圈通过右侧锁紧螺母14和主轴5的轴肩进行定位，右侧锁紧螺母14套装在主轴5上。
[0048]
万向球轴承24过渡配合在机箱10的内圆板的安装孔10-1内，圆柱凸轮11通过平键22安装在主轴5的中部，圆柱凸轮11通过定位套筒23和主轴5的轴肩轴向定位，并通过平键22进行周向定位，以传递扭矩；圆柱凸轮11的一个端面上设有波纹滚道11-1，万向球轴承24
的滚动体24-1沿波纹滚道11-1滚动，万向球轴承24的数量与波纹滚道11-1中的波纹数量一致，万向球轴承24的滚动体24-1与波纹滚道11-1为滚动摩擦，波纹滚道11-1的波纹为正弦波纹或者余弦波纹，振幅要满足凸轮机构最小压力角条件；本实施例万向球轴承24数量为3个，圆柱凸轮11的波纹滚道正弦曲面周期数为3个，振幅为0.05-0.5mm；万向球轴承24与圆柱凸轮11之间采用脂润滑，通过定期维护的方式来保证良好润滑。
[0049]
所述机箱10与左侧浮动轴承座端盖7和右侧浮动轴承座端盖12接触的位置均进行密封处理。
[0050]
所述主轴5的另一端通过螺纹与三爪钻夹头15连接，钻头16装夹在三爪夹头15内，并通过调节三爪夹头15的锁紧螺母实现钻头16的夹紧与松开。
[0051]
所述主轴驱动电机1采用直流无刷电机。
[0052]
所述左侧垫圈8可以为铜片或橡胶垫圈；右侧垫圈20为橡胶垫圈；当通过挤压右侧垫圈20调节圆柱凸轮11的初始预紧力时，旋转右侧浮动轴承座端盖12并挤压右侧垫圈20，使得右侧周向弹性环的压缩量大于左侧周向弹性环25的压缩量，使圆柱凸轮11受到向左的轴向力，保证万向球轴承24的滚动体24-1在圆柱凸轮11的波纹滚道11-1内滚动；当不通过挤压右侧垫圈20调节圆柱凸轮11的初始预紧力时，右侧端面弹性环18与左侧端面弹性环27采用不同材质制成，使右侧端面弹性环18的刚度大于左侧端面弹性环27的刚度，保证两个弹性环在相同压缩量的条件下，右侧端面弹性环18的弹力大于左侧端面弹性环27的弹力，使圆柱凸轮11受到向左的轴向力，为圆柱凸轮11提供弹性支撑，保证万向球轴承24的滚动体24-1在圆柱凸轮11的波纹滚道11-1内滚动。
[0053]
所述钻孔装置还包括包覆在电机支架3上的支架密封盖2，防止弹性联轴器4裸露。
[0054]
本发明的工作原理和工作流程是：
[0055]
首先调节机箱10与左侧浮动轴承座端盖7和右侧浮动轴承座端盖12的初始配合状态，使得右侧周向弹性环的压缩量大于左侧周向弹性环25的压缩量，圆柱凸轮11受到向左的轴向力，保证万向球轴承24的滚动体24-1在圆柱凸轮11的波纹滚道11-1内滚动；
[0056]
主轴驱动电机1通过弹性联轴器4和主轴5的一端连接，钻头16与主轴5的另一端连接，当主轴驱动电机1启动时，其输出轴通过弹性联轴器4带动主轴5一起旋转，从而实现钻头16的旋转运动；由于弹性联轴器4的轴向刚度小而径向刚度大，可以实现既传递扭矩又防止主轴驱动电机1振动，主轴驱动电机1驱动主轴5转动；主轴5带动圆柱凸轮11旋转，使得万向球轴承24的滚动体24-1在圆柱凸轮11的波纹滚道11-1内滚动，圆柱凸轮11受到万向球轴承24的反作用力带动主轴5轴向振动，使钻头16振动；在主轴5轴向振动的同时带动左侧浮动轴承座9和右侧浮动轴承座21一起沿轴向振动，；右侧周向弹性环19与左侧周向弹性环25在保证径向刚度的同时起到提供轴向刚度的作用，右侧端面弹性环18和左侧端面弹性环27起到补偿轴向刚度的作用；
[0057]
圆柱凸轮11在主轴5的带动作用下开始转动，与此同时圆柱凸轮11在万向球轴承24的作用下带动主轴自波纹滚道11-1的零点开始轴向振动，右侧周向弹性环19和右侧端面弹性环18给右侧浮动轴承座21施加的轴向力始终大于左侧周向弹性环和左侧端面弹性环给左侧浮动轴承座的轴向力，以此保证圆柱凸轮11的波纹滚道11-1的最高点与万向球轴承24接触至圆柱凸轮带动主轴5向远离钻头16的方向轴向移动至圆柱凸轮11波纹滚道11-1的最低点与万向球轴承24接触的过程中始终接触；之后主轴5带动圆柱凸轮11继续转动，圆柱
凸轮11在万向球轴承24的滚动体24-1的反作用力下带动主轴5向靠近钻头16方向运动，并返回至轴向振动零点，此时主轴5上的钻头16完成一个周期的轴向振动。如此反复，钻头16便可以实现连续的周期性的轴向振动。
[0058]
本发明未述之处适用于现有技术。

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