超声波内孔加工刀具及专用机床的制作方法

本发明属于超声波加工刀具技术领域，尤其涉及一种超声波内孔加工刀具。

背景技术：

目前，超声加工技术在机械加工领域已经比较成熟，超声波刀具成为超声波加工的重要组成部分。超声波刀具通常安装在超声波金属表面加工装置上，利用超声波的振动对工件表面进行超声波加工，以降低工件表面的粗糙度值。

例如，利用超声波刀具加工内孔的内表面，可以很好的降低内孔表面粗糙度，提高内孔表面的抗疲劳强度。超声波刀具在加工内孔时，需要将超声波刀具伸入内孔内部对内孔的内表面进行加工，但是，由于刀具结构的限制，现有的超声波刀具仅可以加工深度较浅的内孔，而对于直径较小且深度较深的内孔，超声波刀具无法伸入深内孔的内部，导致无法对深内孔的内部进行加工，如需对细小深内孔进行加工，还需要采用专用工具，不仅增加劳动强度，而且降低了生产效率，提高了生产成本。此外，现有加工刀具只能用于加工一种直径的内孔，如需要加工不同内孔则需要更换不同的刀具，操作复杂，费时费力。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种设计合理、操作简单、能够对细小深内孔进行加工、且可用于加工不同内孔的超声波内孔加工刀具。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：超声波内孔加工刀具，包括安装座，所述安装座的前端固定安装有后压盖，所述后压盖内安装有变幅杆，所述变幅杆的后端安装有位于所述安装座内的换能器，所述后压盖的前端安装有套在所述变幅杆前部的推盖总成，所述推盖总成的前端周侧设置有用于安装滚珠刀具的滚珠定位孔，所述变幅杆的前端设置有与所述滚珠刀具内缘配合将所述滚珠刀具外缘伸出所述滚珠定位孔外用于加工内孔表面的锥形定位面；所述滚珠定位孔内设有供所述滚珠刀具沿变幅杆径向移动的径向活动空间，所述推盖总成可沿所述变幅杆轴向移动使得所述锥形定位面推动所述滚珠刀具沿径向活动空间移动来改变所述滚珠刀具外缘的伸出高度。

作为优选的技术方案，所述推盖总成包括螺纹连接在所述后压盖前端的螺纹推盖，所述螺纹推盖的内周安装有套装在所述变幅杆的外周的推力轴承，所述推力轴承外端面安装有套装在所述变幅杆外周的滚珠定位套，所述滚珠定位孔设置在所述滚珠定位套的前端周侧，所述滚珠定位套外端安装有与所述螺纹推盖外端螺纹连接的前压盖。

作为优选的技术方案，所述螺纹推盖通过螺纹旋转方式带动所述推力轴承、滚珠定位套、前压盖沿所述变幅杆前后移动使得所述滚珠刀具沿着所述锥形定位面运动来改变所述滚珠刀具外缘的伸出高度；所述螺纹推盖与所述后压盖之间还设置有推盖限位装置。

作为优选的技术方案，所述推盖限位装置包括设置在所述螺纹推盖后端的推盖安装座，所述推盖安装座的外周设置有与所述后压盖螺纹配合的推盖连接螺纹，所述推盖连接螺纹上设置有限位花键，所述后压盖上设置有顶丝孔，所述顶丝孔内安装有底端抵靠在所述限位花键内的限位顶丝。

作为优选的技术方案，所述滚珠定位套的前端外周侧均布布置有两个及以上的滚珠定位孔，各所述滚珠定位孔内分别对应安装有滚珠刀具。

作为优选的技术方案，所述滚珠定位孔包括设置在所述滚珠定位套内周面上的圆柱活动孔和设置有所述滚珠定位套外周面的圆球限位孔，所述圆柱活动孔与所述圆球限位孔圆滑过渡连接，所述圆柱活动孔的轴线、所述圆球限位孔的轴线与所述变幅杆的轴线垂直，所述圆球限位孔的小口朝外设置。

作为优选的技术方案，所述滚珠定位套为套装在所述变幅杆外用于伸入内孔内部的柱形长套，所述柱形长套的前端设置有供所述变幅杆前端外伸的开口。

作为优选的技术方案，所述安装座的后端设置有用于与机床连接的刀柄。

作为优选的技术方案，专用机床，包括机床底座，所述机床底座的一端安装有用于夹紧工件的工件夹紧旋转装置，所述机床底座的另一端对应设置有用于安装超声波加工刀具的机床尾座，所述机床尾座沿着工件轴线方向滑动连接在所述机床底座上，所述机床底座上位于工件的一侧设置有内孔车刀装置。

作为优选的技术方案，所述机床底座上设置有滑轨，所述机床尾座滑动安装在所述滑轨上，所述机床尾座与所述机床底座之间还连接有丝杆，所述丝杆的一端连接有驱动所述机床底座滑动的驱动电机。

由于采用了上述技术方案，超声波内孔加工刀具，包括安装座，所述安装座的前端固定安装有后压盖，所述后压盖内安装有变幅杆，所述变幅杆的后端安装有位于所述安装座内的换能器，所述后压盖的前端安装有套在所述变幅杆前部的推盖总成，所述推盖总成的前端周侧设置有用于安装滚珠刀具的滚珠定位孔，所述变幅杆的前端设置有与所述滚珠刀具内缘配合将所述滚珠刀具外缘伸出所述滚珠定位孔外用于加工内孔表面的锥形定位面；所述滚珠定位孔内设有供所述滚珠刀具沿变幅杆径向移动的径向活动空间，所述推盖总成可沿所述变幅杆轴向移动使得所述锥形定位面推动所述滚珠刀具沿径向活动空间移动来改变所述滚珠刀具外缘的伸出高度；本发明的有益效果是：本发明具有结构简单、设计合理、操作便捷等优点，通过所述推盖总成沿所述变幅杆轴向移动来改变所述滚珠刀具外缘的伸出高度，不再需要换刀即可加工不同直径的内孔，与现有技术相比，不仅降低了劳动强度，而且提高了生产效率，降低了生产成本。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

其中：

图1是本发明实施例加工刀具的结构示意图；

图2是本发明实施例加工刀具的爆炸图；

图3是本发明实施例加工刀具的侧视剖视图；

图4是本发明实施例加工刀具状态一的结构原理图；

图5是本发明实施例滚珠刀具与锥形定位面配合的原理图；

图6是本发明实施例加工刀具状态一时的加工原理图；

图7是本发明实施例加工刀具状态二的结构原理图；

图8是本发明实施例加工刀具状态二时的加工原理图；

图9是本发明实施例专用机床的结构示意图；

图10是本发明实施例专用机床另一角度的结构示意图；

图中：1-安装座；2-后压盖；3-变幅杆；4-换能器；5-推盖总成；51-螺纹推盖；52-推力轴承；53-滚珠定位套；54-前压盖；6-滚珠刀具；7-滚珠定位孔；71-圆柱活动孔；72-圆球限位孔；8-锥形定位面；9-推盖限位装置；91-推盖安装座；92-限位花键；93-顶丝孔；94-限位顶丝；10-莫氏锥柄；11-机床底座；12-工件夹紧旋转装置；13-机床尾座；14-内孔车刀装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

如图1至图8所示，超声波内孔加工刀具，包括安装座1，所述安装座1的前端固定安装有后压盖2，所述后压盖2内安装有变幅杆3，所述变幅杆3的后端安装有位于所述安装座1内的换能器4，所述变幅杆3与所述后压盖2、所述安装座1通过螺栓固定连接，所述后压盖2的前端安装有套在所述变幅杆3前部的推盖总成5，所述推盖总成5的前端周侧设置有用于安装滚珠刀具6的滚珠定位孔7，所述变幅杆3的前端设置有与所述滚珠刀具6内缘配合将所述滚珠刀具6外缘伸出所述滚珠定位孔7外用于加工内孔表面的锥形定位面8，所述锥形定位面8的小头朝外；所述滚珠定位孔7内设有供所述滚珠刀具6沿变幅杆3径向移动的径向活动空间，即所述滚珠定位孔7为所述滚珠刀具6提供只能沿所述变幅杆3径向运动且不轴向运动的活动空间，所述推盖总成5可沿所述变幅杆3轴向移动使得所述锥形定位面8推动所述滚珠刀具6沿径向活动空间移动来改变所述滚珠刀具6外缘的伸出高度。加工前，通过所述安装座1将本实施例安装在机床上，通过机床带动整体靠近工件，并伸入至内孔内部，调节所述推盖总成5沿所述变幅杆3轴线移动，所述变幅杆3上所述锥形定位面8推动所述滚珠刀具6沿所述径向活动空间移动，即来调节所述滚珠刀具6外缘的伸出高度，伸出高度不同即可以用于加工不同直径的内孔；调节完成后，所述滚珠刀具6外缘与内孔表面接触，当与内孔表面接触后因为相对运动，内孔表面会给所述滚珠刀具6一个压向所述变幅杆3轴线的压力，此时所述滚珠刀具6将不能发生径向运动，使得所述滚珠刀具6贴在所述锥形定位面8表面；加工时，所述变幅杆3和推盖总成5的轴向距离不变，因为内孔表面会有压力作用到所述滚珠刀具6上，此时所述滚珠刀具6接触在所述锥形定位面8表面上，但随着装置与工件的相对运动，所述滚珠刀具6可以在所述滚珠定位孔7内转动；加工过程中，所述换能器4通过所述变幅杆3将能量传递至所述滚珠刀具6上，机床带动所述变幅杆3沿着空间轴线方向运动，即带动所述滚珠刀具6沿着工件轴线方向移动，同时，工件绕着自身轴线旋转，旋转过程中所述滚珠刀具6对工件内孔进行加工；本发明具有结构简单、设计合理、操作便捷等优点，通过所述推盖总成5沿所述变幅杆3轴向移动来改变所述滚珠刀具6外缘的伸出高度，不再需要换刀即可加工不同直径的内孔，与现有技术相比，不仅降低了劳动强度，而且提高了生产效率，降低了生产成本。

所述滚珠刀具6为球形刀具，所述球形刀具可在所述滚珠定位孔7内转动，使得所述球形刀具的整个球体表面均可作为用于加工内孔表面的作用部。在本实施例中，所述球形刀具可以在所述滚珠定位孔7内转动，加工工件时，当所述安装座1带动所述球形刀具沿着内孔表面移动时，或工件旋转时，所述球形刀具跟随发生移动时可以转动，降低与内孔的作用面接触的摩擦力，缓解内孔对所述球形刀具的冲击力；同时当所述球形刀具可以转动后，所述球形刀具的表面的任何部位都可以作为作用部对内孔表面进行加工，这样所述球形刀具的各个部位的磨损效果相同，所述球形刀具的整个外表面都是均匀圆滑的，不会出现局部磨损而造成所述球形刀具表面不光滑无法对工件加工的现象，有效的提高了所述球形刀具的使用寿命。

所述推盖总成5包括螺纹连接在所述后压盖2前端的螺纹推盖51，所述螺纹推盖51的内周安装有套装在所述变幅杆3的外周的推力轴承52，所述推力轴承52外端面安装有套装在所述变幅杆3外周的滚珠定位套53，所述滚珠定位孔7设置在所述滚珠定位套53的前端周侧，所述滚珠定位套53外端安装有与所述螺纹推盖51外端螺纹连接的前压盖54。所述滚珠定位套53通过所述前压盖54来定位，与所述推盖总成5连接，且所述滚珠定位套53后端内部设置有避让腔，使得所述滚珠定位套53沿所述变幅杆3轴向移动时不发生干涉。所述螺纹推盖51的后端内周设置有避让所述变幅杆3表面的避让倾角。

由于本实施例可用于加工细长的深内孔，因此所述变幅杆3以及所述滚珠定位套53前端伸出内孔的部分就必须为细长结构，而一旦所述变幅杆3设置为细长结构后，所述变幅杆3的前端就成了悬臂结构，容易出现现有技术中变形的问题，而本实施例为解决此问题，在所述滚珠定位套53的前端外周侧相对设置有两滚珠定位孔7，各所述滚珠定位孔7内分别对应安装有滚珠刀具6，两所述滚珠刀具6对称设置在所述变幅杆3的两侧，参见图6和图8。由于在所述变幅杆3的两侧均设置有滚珠刀具6，因此两对称设置的所述滚珠刀具6形成相互支撑关系，这样所述变幅杆3不再与现有技术中的悬臂结构类似，此时所述变幅杆3相当于具有了一个支撑结构，可以有效避免出现现有技术中一侧设置滚珠而使得变幅杆3扭转变形的问题，因此本发明中两侧设置滚珠刀具6具有独特的支撑效果，此外，加工时工件会对所述滚珠刀具6产生反作用力，并将反作用力传递至所述变幅杆3的前端，如果仅在所述滚珠定位套53一侧设置滚珠刀具，那作用到所述变幅杆3上的力会使得变幅杆3发生变形，而当对称设置在两侧后，两侧传递至所述变幅杆3上的力相互抵消，可以有效防止变幅杆3变形；而现有技术中即使在变幅杆3两侧设置滚珠刀具6，也仅是为了增加滚刀数目，而不具有相互支撑以及抵消作用至变幅杆3上力的作用。当然可以在所述滚珠定位套53的外周均匀布置有三个或者更多用于安装所述滚珠刀具6的滚珠定位孔7，这样多个所述滚珠刀具6可以形成更好的支撑效果。

参见图3和图4，所述螺纹推盖51通过螺纹旋转方式带动所述推力轴承52、滚珠定位套53、前压盖54沿所述变幅杆3前后移动使得所述滚珠刀具6沿着所述锥形定位面8运动来改变所述滚珠刀具6外缘的伸出高度；由于所述螺纹推盖51与所述后压盖2之间是通过螺纹连接的，因此所述螺纹推盖51是可以旋进旋出的，即可以改变与所述后压盖2之间的相对距离，当所述螺纹推盖51向外旋出时，会带动所述推力轴承52、所述滚珠定位套53、所述前压盖54共同旋出，即共同向外移动，所述滚珠定位套53向外移动过程中，在所述滚珠定位孔7内的所述滚珠刀具6会沿着所述锥形定位面8向外移动，沿着所述锥形定位面8的斜坡向下运动，使得所述滚珠刀具6沿着所述滚珠定位孔7向下运动，即所述滚珠刀具6伸出的高度会逐渐减低，此时可以用于加工小直径的内孔；当所述螺纹推盖51向内旋进时，会带动所述推力轴承52、所述滚珠定位套53、所述前压盖54共同旋进，即共同向内移动，所述滚珠定位套53向内移动过程中，在所述滚珠定位孔7内的所述滚珠刀具6会沿着所述锥形定位面8向内移动，沿着所述锥形定位面8的斜坡向上运动，所述锥形定位面8向上顶所述滚珠刀具6，使得所述滚珠刀具6沿着所述滚珠定位孔7向上运动，即所述滚珠刀具6伸出的高度会逐渐增加，此时可以用于加工稍大直径的内孔。

如图4所示为所述滚珠刀具6的其中一状态，此时加工内孔时的原理参见图6，此时所述滚珠刀具6被工件压在所述锥形定位面8表面，此时可加工的内径为d1，如图7所示为所述滚珠刀具6的另一状态，此时加工内孔时的原理参见图8，此时可加工的内径为d2，由于所述滚珠刀具6在两种状态下的伸出高度不同，即可用于加工两种不同直径的内孔。图6和图8仅是其中两种状态，随着所述螺纹推盖51不断旋出旋进，调整所述滚珠刀具6的伸出高度，使得所述滚珠刀具6可以加工多种不同直径的内孔。

在所述螺纹推盖51不断旋出旋进过程中，所述滚珠定位套53除了沿所述变幅杆3轴向运动外，还不断绕着所述变幅杆3的轴线旋转，即所述滚珠刀具6在所述锥形定位面8表面以螺旋的路径进行旋转最终产生横向相对位移的，由于所述滚珠定位套53是跟随所述螺纹推盖51旋转运动的，此种推动所述滚珠刀具6的运动方式柔和，且与所述锥形定位面8摩擦力较小，因此所述滚珠刀具6不会出现卡死现象；而现有技术中的推盖一般只具有横向位移，不具有旋转，那么刀具与推面之间的运动摩擦力较大，容易将滚珠卡死，尤其沿着斜坡向上推动滚珠时，如果仅是直线运动，那么很容易将滚珠卡死在内，影响滚珠寿命。

当所述滚珠刀具6达到了使用要求后，为了保证加工过程中，所述螺纹推盖51的位置不会发生改变，因此在所述螺纹推盖51与所述后压盖2之间还设置有推盖限位装置9。通过所述推盖限位装置9来将所述螺纹推盖51定位，保证加工的精确性。

参见图2和图3，所述推盖限位装置9包括设置在所述螺纹推盖51后端的推盖安装座91，所述推盖安装座91的外周设置有与所述后压盖2螺纹配合的推盖连接螺纹，所述推盖连接螺纹上设置有限位花键92，所述后压盖2上设置有顶丝孔93，所述顶丝孔93内安装有底端抵靠在所述限位花键92内的限位顶丝94。所述限位花键92沿着所述变幅杆3的轴线设置，当所述螺纹推盖51转动完成后，将所述限位顶丝94向下旋紧，使得所述限位顶丝94的底端接触在所述限位花键92的槽内，即将所述限位顶丝94卡在所述限位花键92内，这样可以有效防止所述螺纹推盖51发生旋转运动；当所述限位顶丝94向上旋出后，所述螺纹推盖51可以自由转动。由于所述限位花键92为复数键槽，即在所述推盖连接螺纹上轴向设置有多个键槽，形成了限位花键92，所述螺纹推盖51时每转动一个键槽时，即推动所述螺纹推盖51按螺距等比例向前移动。

参见图5，所述滚珠定位孔7包括设置在所述滚珠定位套53内周面上的圆柱活动孔71和设置有所述滚珠定位套53外周面的圆球限位孔72，所述圆柱活动孔71与所述圆球限位孔72圆滑过渡连接，所述圆柱活动孔71的轴线、所述圆球限位孔72的轴线与所述变幅杆3的轴线垂直，所述圆球限位孔72的小口朝外设置。所述滚珠刀具6的外缘伸出所述滚珠定位孔7外后即可以用于加工内孔表面；所述圆柱活动孔71的高度大于所述圆球限位孔72的高度。所述滚珠刀具6的球形直径与所述圆柱活动孔71的直径相适应，即所述滚珠刀具6的球形直径等于或略小于所述圆柱活动孔71的直径，这样当所述滚珠刀具6处于所述圆柱活动孔71内，只能沿着所述圆柱活动孔71的轴线方向来回纵向运动，但是不会在所述圆柱活动孔71内发生横向运动，即只能沿着所述变幅杆3的径向运动，但不能沿变幅杆3轴向运动；所述圆球限位孔72的内表面设置有与所述滚珠刀具6的球形外表面相配合的球形限位面，且该球形限位面的小口朝外，即所述球形限位面可以防止所述滚珠刀具6由所述圆球限位孔72的外侧脱落，此外，所以所述圆球限位孔72可以用于限制所述滚珠刀具6的外缘向外侧伸出的最大高度，当所述滚珠刀具6接触到所述球形限位面时，被球形限位面限制无法继续向外运动。所述圆球限位孔72与所述圆柱活动孔71配合为所述滚珠刀具6提供只能沿变幅杆3径向而不能轴向运动的空间，且防止所述滚珠刀具6脱落；由于所述滚珠定位孔7为所述滚珠刀具6提供只能沿变幅杆3径向而不能轴向运动的活动空间，因此使得所述滚珠刀具6的外缘伸出不同的高度，这样可以用于加工不同直径内孔；对比观察图6和图8可知，所述滚珠刀具6在所述滚珠定位孔7内的位置不同，即所述滚珠刀具6外缘伸出所述滚珠定位孔7外的高度不同，可以用于加工两种不同直径的内孔，由于图6中滚珠刀具6伸出的高度小于图8中滚珠刀具6伸出的高度，因此图6中加工工件的内孔直径d1小于图8中加工工件的内孔直径d2。而现有技术中的滚珠安装孔均为外小内大的锥形结构，此锥形结构无法具有本发明中一个可以纵向运动且不发生横向运动的活动空间，因此滚珠可以在锥形结构内同时发生径向与轴向运动，加工时只能为滚珠刀具6提供一个稳定的加工安装位置，所以现有技术中的滚珠都无法通过调节实现加工不同直径内孔的目的。

所述滚珠定位套53为套装在所述变幅杆3外用于伸入内孔内部的柱形长套，所述柱形长套的前端设置有供所述变幅杆3前端外伸的开口，采用柱形长套可以深入至内孔内部，加工细小内孔，并可以保护细长结构的变幅杆3。设置有开口的作用时，当所述滚珠定位套53沿所述变幅杆3轴线运动时，避免所述滚珠定位套53与所述变幅杆3前端之间造成干涉。

所述安装座1的后端设置有用于与机床连接的刀柄，在本实施例中，所述刀柄为莫氏锥柄10，当然也可以为其他形式刀柄。

参见图9和图10，专用机床，包括机床底座11，所述机床底座11的一端安装有用于夹紧工件的工件夹紧旋转装置12，所述工件夹紧旋转装置12为用于夹紧内孔工件的夹紧卡盘，且该装置还可以带动夹紧后的工件旋转，所述机床底座11的另一端对应设置有用于安装超声波加工刀具的机床尾座13，所述机床尾座13的顶端设置有用于安装刀柄的安装孔，超声波加工刀具安装完成后，所述超声波加工刀具的轴线与工件的轴线在同一直线，在此所述超声波加工刀具即为上述描述的超声波内孔加工刀具，所述机床尾座13沿着工件轴线方向滑动连接在所述机床底座11上；所述机床底座11上位于工件的一侧设置有内孔车刀装置14，所述内孔车刀装置14包括可以沿着工件轴线方向滑动的车刀底座，所述车刀底座上安装有可沿工件轴线垂直方向移动的刀塔，所述刀塔上安装有用于对内孔工件内表面进行精加工的加工车刀。所述机床底座11、所述工件夹紧旋转装置12、所述内孔车刀装置14均为现有技术，属于本领域普通工程技术人员所公知的，在此不再赘述。

所述机床底座11上设置有滑轨，所述机床尾座13滑动安装在所述滑轨上，所述机床尾座13与所述机床底座11之间还连接有丝杆，所述丝杆的一端连接有驱动所述机床底座11滑动的驱动电机，所述驱动电机驱动丝杆转动从而带动所述机床尾座13沿所述滑轨移动的原理属于现有技术，在此所述驱动电机与所述丝杆未在图中示出。

内孔工件的加工方法：

加工前，首先将内孔工件安装在所述工件夹紧旋转装置12上，然后将所述超声波加工刀具安装在所述机床尾座13上，且保证所述超声波加工刀具的变幅杆3的轴线与工件的轴线在同一直线上，然后再所述内孔车刀装置14上安装加工车刀；

加工时，刀塔移动到相应刀位，所述加工车刀对内孔表面进行精车加工，然后刀塔向外移动避让，准备对内孔进行超声加工，车刀精加工方法为现有技术，在此不再赘述；

然后通过机床带动所述机床尾座13靠近工件，即带动所述滚珠刀具6靠近工件，使得所述滚珠刀具6与工件的内孔表面接触，所述滚珠刀具6与工件之间的状态参见图6至图8；加工时，工件旋转，同时机床带动所述滚珠刀具6沿着工件的轴线移动，超声波产生后，通过换能器4转化为机械能，通过变幅杆3传递到滚珠刀具6，滚珠刀具6受超声波作用，可以产生高频振动，工件旋转过程中，所述滚珠刀具6与内孔表面相切接触进行加工，采用超声波加工效果更好。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明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发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。