改善氧化膜质量的超声elid复合平面磨削系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及硬脆材料的高效精密加工技术领域，尤其涉及改善氧化膜质量的超声ELID复合平面磨削系统及方法。
【背景技术】
[0002]目前，随着科学技术的进步和生产力的发展，材料技术和传感器技术的不断改进，陶瓷材料以其优异的综合性能，成为最有发展前途的硬脆材料之一。然而，由于陶瓷材料的结合键类型通常为离子键或共价键，结合键的键能较高并具有方向性，并且由于工程陶瓷材料的晶体结构复杂，在常温下很难发生滑移、位错及塑性变形，使成形后加工成为技术难题和研究热点。目前针对纳米复相陶瓷材料加工，超声振动磨削技术和在线电解修整技术应用相对比较广泛，但将两者加工方式结合在一起，共同加工纳米复相陶瓷材料的研究较少。
[0003]目前针对超声振动磨削的研究，大多局限于一维、二维超声振动磨削，并且一维超声振动主要集中在对工具头施加轴向或纵向振动，二维超声振动主要集中在对工件施加椭圆振动。将工具振动与工件振动相结合的多维振动形式甚少。
[0004]在线电解修整参与的磨削中，金属结合剂砂轮表面的氧化膜的状态非常重要，直接影响了被加工表面的表面质量，若氧化膜生成速率过慢，氧化膜质地较厚且紧实，动态磨削时磨钝的金刚石颗粒不能及时地从金属基体脱离，会造成单颗磨粒磨削力增大，从而导致局部过热，对被加工表面造成热损伤。若氧化膜生成速率过快，氧化膜质地较厚且松软，氧化膜对磨粒的把持力减弱，动态磨削时在磨削力作用下较容易从砂轮剥落，给砂轮表面造成较大凹坑和裂纹，引起磨削力的变化，磨削过程不稳定，降低了被加工表面的表面质量，剥落的磨粒和氧化膜会随磨削液进入磨削区，造成被加工表面的污染，故合理地控制氧化膜状态对复合磨削加工有重要意义。
[0005]极间间隙一定范围内(0.5mm-1.5mm)的调整对氧化膜状态变化影响较显著，故控制极间间隙大小作为一种控制氧化膜状态的高效控制策略。
[0006]多传感器信息融合指协同使用多种传感器并将各种传感信息有效结合为一体，形成高性能感知系统来获取对环境的一致性描述的过程。任何一种传感器都有其优越性和局限性。但通过采集各种传感器传递的信号，实现状态识别、判断及控制。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供改善氧化膜质量的超声ELID复合平面磨削系统及方法，能够将超声振动磨削与ELID磨削优势互补，实现硬脆材料的高效、镜面加工。
[0008]本发明采用的技术方案为:
改善氧化膜质量的超声ELID复合平面磨削系统，包括设置在机床工作台(10)上的机床主轴系统(I)、设置在机床主轴(1-1)两侧的用于实现在线电解修整砂轮的在线修整装置
(4)、用于保证砂轮表面形状精度的砂轮整形装置(9)和用于实现被加工工件椭圆振动的二维超声振动系统(3);还包括有设置在机床主轴(1-1)上的超声纵扭复合振动系统(3)和设置在线修整装置(4)末端的间隙调整装置(5)和用于实时控制氧化膜状态的系统闭环控制系统(6);超声纵扭复合振动系统(2)包括纵向振动超声振动换能器(1-7)，纵扭超声振动变幅器(1-8)及铸铁结合剂金刚石砂轮(1-9)，所述纵扭超声振动变幅器小端设置有斜槽(1-10)，且斜槽(1-1 O )沿圆周均匀分布，斜槽与主轴轴线夹角为45° ;
所述机床主轴系统(I)包括套设在机床主轴(1-1)下端外面的工具头固定架(1-4)，机床主轴(1-1)的下端部同轴连接有刀柄(1-2)，刀柄(1-2)下端与工具头固定架(1-4)连接；工具头固定架(1-4)外圆周套设有通过紧固螺钉连接的上感应盘(1-5)和下感应盘(1-
6)，上感应盘(1-5)通过正负极导线与多通道超声波发生器(8)相连，上感应盘(1-5)外圆周设有通过紧固螺钉连接的上感应盘支撑架(1-3)，上感应盘支架(1-3)通过紧固螺钉与在线修整装置(4)连接；
下感应盘(1-6)下依次设置有纵向振动超声振动换能器(1-7)，纵扭超声振动变幅器(1-8)及铸铁结合剂金刚石砂轮(1-9);所述的纵向振动超声振动换能器(1-7)与纵扭超声振动变幅器(1-8)通过双头螺柱连接上下连接，纵扭超声振动变幅器(1-8)下端螺纹连接铸铁结合剂金刚石砂轮(1-9);
所述二维超声振动系统(3)包括固定支板(2-1)，固定支板(2-1)上设置有直角载物板(2-5)，直角载物板(2-5)两个端部分别固定设置有一个纵向超声振动变幅器(2-7)，一个变幅器保持架(2-3)，一个纵向超声振动换能器(2-4);变幅器保持架(2-3)通过紧固螺钉垂直固定于固定支板(2-1)，纵向超声振动变幅器(2-7)通过法兰盘及螺钉固定在变幅器保持架(2-3)上，直角载物板(2-5)与纵向超声振动变幅器(2-7)以双头螺柱同轴向连接，纵向超声振动变幅器(2-7)与纵向超声振动换能器(2-4)通过双头螺柱相连接；
所述的间隙调整装置(5)包括通过紧固螺钉水平固定设置在阴极支撑架(4-4)末端绝缘板(4-5)两侧的高分辨率混合式步进电机(5-1)和滑动摩擦矩形导轨(5-2)，高分辨率混合式步进电机(5-1)放置在远离铸铁结合剂金刚石砂轮(1-9)的一侧，滑动摩擦矩形导轨(5-2)放置在靠近铸铁结合剂金刚石砂轮(1-9) 一侧;滑动摩擦矩形导轨(5-2)上滑动设置有塑胶滑台(5-3)，所述的塑胶滑台(5-3)上固定设置有螺母(5-6)，高分辨率混合式步进电机(5-1)的输出轴固定设置有与螺母(5-6)滑动配合的滚珠丝杠(5-7)，激光位移传感器位于铜电极(5-4)几何中心且位置正对加工中心主轴(1-1)中心线处设置的孔洞中；
所述塑胶滑台(5-3)末端通过紧固螺钉固定塑胶半套(5-5)和铜电极(5-4)，保证铜电极(5-4)母线与铸铁结合剂金刚石砂轮(1-9)轴线的平行度，所述的铜电极(5-4)几何形状为三分之一环形截面的柱体。所述的铜电极(5-4)几何中心且位置正对加工中心主轴(1-1)中心线处设置有孔洞，孔洞用于放置激光位移传感器和可视传感器；
所述的闭环控制系统(6)包括分别用于搜集动态磨削过程中回路中电流和电压实时变化值的霍尔电流传感器、霍尔电压传感器，用于测量动态磨削过程中三向磨削力实时变化的Kislter三向测力仪(12)，用于测量铸铁结合剂金刚石砂轮(1-9)与铜电极(5-4)间距的激光位移传感器，用于采集氧化膜表面实时形貌特征的可视传感器”，A/D模数转化器，基于PLC的模糊控制器和D/A数模转化器;所述的霍尔电流传感器、霍尔电压传感器，Ki s I ter三向测力仪(12)，激光位移传感器和可视传感器的输出端通过A/D模数转化器与基于PLC的模糊控制器输入端连接，所述的基于PLC的模糊控制器的输出端通过D/A数模转化器连接高分辨率混合式步进电机的控制输入端。
[0009]所述在线修整装置(4)包括用销钉连接的固定套筒(4-2)和支承轴(4-3)，固定套筒(4-2)顶部连接固定式不锈钢直角弯头(4-1)，阳极固定板(4-6)—端通过两个设置有内螺纹的绝缘夹(4-7)板固定在支承轴(4-3)上，阳极固定板(4-6)另一端设有与ELID专用脉冲电源(7)正极连接的阳极碳刷(4-8)，在进行在线修整时阳极碳刷(4-8)与机床主轴(1-1)上的导电体压接，使铸铁结合剂金刚石砂轮(1-9)带正电；支承轴(4-3)末端通过可动卡套螺纹连接阴极支承架(4-4)。
[0010]所述直角载物板(2-5)的直角处设计为圆角，且将胶粘被加工陶瓷片(2-6)的平面铣出有阶梯台(2-8)。
[0011]改善氧化膜质量的超声ELID复合平面磨削控制方法，包括有如下步骤:
A:首先设置极间间隙值的初始值为N;
然后分别利用Kistler测力仪(12)测得的三向磨削力变化值、霍尔电流电压传感器测得的回路电流电压变化值、可视传感器测得到生成的氧化膜表面裂纹平均长度与孔洞个数和初始的极间间隙值N作为输入量经A/D模数转换器送至基于PLC的模糊控制器；
B:将数字信号导入基于PLC的模糊控制器，依次经过模糊化处理、模糊推理决策、去模糊化处理，然后，判断此刻是否达到氧化膜成膜效果，若到达成膜标准，则继续进行磨削；结束控制调整；
若未达到成膜标准，则得到极间间隙的理论值NI，Nl-N即可得到极间间隙调整量ΛΝ;C:将得到极间间隙调整量ΛΝ发送到混合式步进电机，混合式步进电机作为执行机构对极间间隙微调；
调整后，由激光位移传感器测得的砂轮与铜电极间距极间间隙值N2，并通过数模转换器反馈至PLC的模糊控制器；
D: PLC的模糊控制器结合接收到的砂轮与铜电极间距极间间隙值N2做为新的初始值，重复步骤A-B，直到达到成膜标准，继续进行磨削;从而完成闭环控制，即实现氧化膜质量的实时监测及有效改善的目标。
[0012]所述的加工中心主轴方向设有超声纵扭复合振动系统(2)，即通过在圆环传振杆上加开沿轴向均布斜槽(1-10)的方法来实现纵-扭复合振动振动实施于铸铁结合剂金刚石砂轮(1-9)。
[0013]工作台方向设有二维超声振动系统(3)，振动实施于工件纳米复相陶瓷片(2-6)。
[0014]所述二维超声振动系统(3)包括固定支板(2-1)，固定支板(2-1)上设置有直角载物板(2-5)，直角载物板(2-5)两个端部分别固定设置有一个纵向超声振动换能器(2