一种荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置及方法

1.本发明涉及磨削加工领域，具体涉及一种荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置及方法。


背景技术：

2.磨削加工在机械加工领域中是应用十分广泛的加工方式，大多数零件的最终精度和表面质量都是通过精密磨削加工来完成的。磨削加工由于其具有磨粒负前角切削加工的特点，在去除单位材料所消耗的能量远大于其它加工方式，同时产生大量的磨削热产生较高的磨削温度，因此需要磨削液进行冷却。由于高速运动砂轮会引起周边空气扰动，形成一层气障层，这种空气扰动会阻碍磨削液进入磨削区，使磨削液利用率很低，磨削区冷却效果下降，同时会导致工件表面质量和砂轮寿命降低。发明人发现普通的砂轮在高速运转时会将接触砂轮表面的磨削液滴弹离，导致磨削液冷却效果降低，使磨削区域温度无法快速降低。
3.通过对砂轮进行设计，在砂轮外圆周面上设置亲水结构，使得冷却介质能够输送到磨削区域，降低磨削区域温度，但是，忽略了砂轮基体对冷却介质的输送作用，导致砂轮整体对磨削液的输送效果难以达到需求。另外，中国专利(专利号：zl202111374987.x)公开了一种适用于齿轮超声振动辅助磨削的装置及其运行工艺，压电陶瓷片在超声波发生器的电信号激励下产生高频纵向振动位移，通过空心型圆锥变幅杆将振动位移放大，并将振动位移传递至由中心固定螺栓进行紧固的待加工齿轮上，在空心型圆锥变幅杆内部设置有环形隔振槽、周向设有法兰，法兰设有隔振槽，使得中心固定螺栓安装位置超声振动效应减弱的同时增强了齿轮与变幅杆接触面的振动传递效果，使齿轮加工表面产生高频超声振动；通过超声振动辅助磨削能够在磨削加工时提高表面加工质量，但其在进行超声振动时反而不利于冷却液到达磨削位置，并不能提升冷却液参与的效率，导致超声振动辅助磨削加工位置的冷却效果、加工质量难以满足需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置及方法，采用超声振动工作台组件驱动工件形成二维的圆弧运动，从而使磨削工作路径由单一直线运动变为在工件表面做圆弧运动，结合仿生砂轮对磨削液的自运输作用，保证仿生砂轮磨削的冷却效率和润滑效果，共同提高工件表面加工质量。
5.本发明的第一目的是提供一种荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置，采用以下方案：包括：
6.磨削组件，包括仿生砂轮和润滑喷嘴，润滑喷嘴获取磨削液并喷射至仿生砂轮，仿生砂轮的基体的外圆周面为仿生荷叶的疏水面，基体的疏水面上设有仿沙漠甲虫的亲水磨粒；
7.超声振动工作台组件，包括夹具、径向变幅机构和切向变幅机构，切向变幅机构一
侧连接径向变幅机构，另一侧连接夹具，径向变幅机构和切向变幅机构共同动作，驱动夹具及其所夹持工件共同形成二维振动，使仿生砂轮磨削位置与工件之间相对运动。
8.进一步的，所述径向变幅机构包括依次连接的轴向换能器、径向变幅杆和径向支座，切向变幅机构包括依次连接的切向换能器、切向变幅杆和切向支座，切向支座通过预设通孔配合有转轴，转轴一端探入切向支座预设盲孔内并形成转动连接，以使径向支座与切向支座能够相对转动。
9.进一步的，所述转轴远离切向支座的一端抵接于底座，切向变幅杆连接于切向支撑架，底座固定于切向支撑架；径向变幅杆连接于径向支撑架，径向支撑架转动套设在底座外，以使径向变幅机构绕底座轴线相对于切向变幅机构转动。
10.进一步的，所述夹具上设有定位槽，定位槽连接有切向定位件和径向定位件，切向定位件和径向定位件结合定位槽的两个相邻侧壁形成用于容纳工件的夹持部，定位槽通过测力仪连接于切向变幅机构。
11.进一步的，所述切向变幅机构和径向变幅机构分别安装于底板，底板布置在超声振动工作台组件的工作台上，磨削组件架设在夹具上并朝向工件。
12.进一步的，所述润滑喷嘴连接有磨削液输送管路、压缩空气输送管路，磨削液输送管路接入冷却液源，压缩空气输送管路接入压力气源。
13.进一步的，所述仿生砂轮外设有砂轮罩，砂轮罩外侧设有管路固定件，压缩空气输送管路、磨削液输送管路分别固定在管路固定件上。
14.进一步的，所述仿生砂轮的亲水磨粒通过电镀布置在基体的疏水面上，亲水磨粒以的形式按照错序排列的方式排布。
15.本发明的第二目的是提供一种如第一目的所述的荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置的工作方法，包括：
16.工件装夹于夹具，工件在径向变幅机构和切向变幅机构形成圆弧形轨迹的振动；
17.仿生砂轮接入动力头，润滑喷嘴喷射磨削液至仿生砂轮；
18.仿生砂轮回转并接触工件进行磨削，磨削液接触到仿生砂轮的疏水面时，通过疏水面向亲水磨粒运输，亲水磨粒上的磨削液在仿生砂轮回转和重力作用下脱落，参与磨削加工位置的润滑和冷却。
19.进一步的，调节径向变幅机构和切向变幅机构的工作参数，使工件相对于仿生砂轮形成二维振动。
20.与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
21.(1)针对目前磨削加工冷却效果差以及加工质量难以满足需求的问题，采用超声振动工作台组件驱动工件形成二维的圆弧运动，从而使磨削工作路径由单一直线运动变为在工件表面做圆弧运动，结合仿生砂轮对磨削液的自运输作用，保证仿生砂轮磨削的冷却效率和润滑效果，共同提高工件表面加工质量。
22.(2)砂轮基体上设计成仿生荷叶的超疏水表面，再在砂轮基体上运用仿生沙漠甲虫的亲水磨粒形成错序排布，通过亲水磨粒和荷叶疏水表面的结合实现冷却介质在砂轮表面自运输，实现磨削液通过疏水纹理快速运输到亲水区域，然后在亲水区域中快速脱落，提高砂轮磨削的切削效率，有效降低磨削区域的温度。
23.(3)通过超声振动辅助和砂轮磨粒的有序排布相结合，增加磨粒工作路径的同时，
提高了磨削液参与冷却的效率，使加工表面更平整加工质量更高。
24.(4)砂轮运用疏水基体或镀层和亲水磨粒结合，亲水磨粒簇以磨粒簇的形式错序排布在砂轮基体表面，有利于排出废屑，磨粒簇之间的空间有利于磨削液参与冷却降低磨削温度，有序化排布的磨粒可以提高加工工件的表面质量。
附图说明
25.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
26.图1为本发明实施例1和2中荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置的示意图。
27.图2为本发明实施例1和2中仿生砂轮的示意图。
28.图3为本发明实施例1和2中仿生砂轮表面结构示意图。
29.图4为本发明实施例1和2中仿生砂轮的基体表面亲水磨粒的分布示意图。
30.图5为本发明实施例1和2中超声振动工作台组件的示意图。
31.图6为本发明实施例1和2中超声振动工作台组件的俯视示意图。
32.图7为图6中a-a处的剖视图。
33.图8为本发明实施例1和2中磨削组件的示意图。
34.图9为本发明实施例1和2中仿生砂轮的制备流程图。
35.其中，
ⅰ‑
超声振动工作台组件，
ⅱ‑
磨削组件，1-径向负极触点，2-径向换能器，3-径向变幅杆连接垫圈，4-径向支撑架盖螺钉，5-径向变幅杆，6-径向支撑架盖，7-径向连接垫圈7，8-径向支座，9-切向支座，10-测力仪11，11-测力仪11固定螺钉，12-夹具，13-夹具固定螺钉，14-工件，15-切向定位螺钉，16-工件定位挡块，17-径向定位螺钉，18-径向支座固定螺钉，19-底座固定螺钉，20-切向连接垫圈，21-切向支撑架盖螺钉，22-切向支撑架盖，23-切向变幅杆，24-切向变幅杆连接垫圈，25-切向换能器，26-切向正极触点，27-切向负极触点，28-切向支撑架，29-切向支撑架固定螺钉，30-底板定位螺钉，31-径向支撑架螺母，32-径向支撑架螺栓，33-径向支撑架，34-底板，35-径向正极触点，36-连接螺栓，37-底座，38-底座滑动滚珠，39-转轴，40-t型滑槽，41-转轴滑动滚珠，42-工作台，43-砂轮罩，44-仿生砂轮，45-磨削液输送管路，46-压缩空气输送管路，47-管路固定件，48-润滑喷嘴。
具体实施方式
36.实施例1
37.本发明的一个典型实施例中，如图1-图9所示，给出一种荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置。
38.目前在砂轮的外圆周面上有序排列亲水磨粒能够一定程度缓解工件14热损伤，在提高工件14质量和磨削液难以进入磨削区的问题上有一定的效果，但效果不太明显，目前超声振动辅助磨削在磨削加工时可以提高表面加工质量，但不能解决冷却液参与的效率，导致冷却效果差影响工件14的加工质量。
39.基于此，本实施例提供一种荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置，在砂轮的工作表面上采用亲水结构和疏水结构的组合，达到快速冷却的作用，同时，采用二维超声振动组件带动工件14振动，将磨粒的工作路径从单一直线运动变为在工件14表面做圆弧运
动，在保证磨削液冷却液参与效率的同时，提高工件14表面加工质量。
40.下面，结合附图对荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置进行详细说明。
41.参见图1，荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置包括磨削组件ⅱ和超声振动工作台组件ⅰ，磨削组件ⅱ包括仿生砂轮和润滑喷嘴48，润滑喷嘴48能够将磨削液喷洒至仿生砂轮，仿生砂轮运输磨削液至磨削位置，使磨削液参与冷却；超声振动工作台组件ⅰ包括夹具12、径向变幅机构和切向变幅结构，切向变幅机构一侧连接径向变幅机构，另一侧连接夹具12，径向变幅机构和切向变幅机构共同动作，驱动夹具12及其所夹持工件14共同形成二维振动，使仿生砂轮磨削位置与工件14之间相对运动，相对运动的轨迹为圆弧形，提高磨削液冷却参与效率，同时提高工件14表面加工精度。
42.如图2、图3和图4所示的仿生砂轮，包括基体和亲水磨粒，基体的外圆周面为仿生荷叶的疏水面，亲水磨粒布置在基体的疏水面上。
43.其中，疏水面包括仿生荷叶的超疏水表面，采用仿生沙漠甲虫后背亲水凸起的亲水磨粒，并以亲水磨粒簇的形式布置。其中，疏水面可以通过激光加工基体外圆周面形成，也可以通过布置疏水镀层来形成；亲水磨粒采用经过处理的亲水金刚石磨粒。并且，亲水磨粒通过电镀的方式均匀有序的排布在基体的外圆周面上。
44.本实施例中，如图2、图3和图4所示，利用激光加工基体外圆周面的疏水面包括：
45.基体的材料选择为铝合金，基体材料可以达到磨削加工的强度要求，将基体用乙醇超声清洗15分钟，去除表面杂质。然后用氮气干燥样品。
46.激光源为纳秒光纤spi激光器(20w ep-s)，波长为1064nm。
47.该激光器连接到一个振镜扫描仪和f-theta聚焦透镜，用于在样品表面上发射聚焦的激光束，标称光束光斑为b＝21μm(定义为光束轮廓最大强度的1/e2)。光束轮廓为m2＝1.1的高斯形状。所有的制造过程都使用220ns的脉冲持续时间和25khz的重复频率。扫描间距为a，创建的结构深度为h。
48.样品上的微观结构是通过激光束以150mm/s的固定速度扫描来实现的，首先在x方向上扫描，然后在y方向上扫描，扫描间距a＝50～150μm。相邻激光扫描线之间的距离，即所谓的扫描线分离或间距大小，在两条路径上保持不变。创建结构平均深度h＝7～8μm，激光加工交叉处深度h＝11～13μm。将加工完的基体在10℃的温度下放置两周。通过调整激光的各项参数，将基体加工成类似荷叶面的超疏水结构，具有很好的疏水效果如图3和4所示。
49.通过控制激光的各项参数，超疏水的砂轮基体微观结构为类似仿生荷叶的表面，具有良好的超疏水效果。
50.本实施例中，仿生砂轮的制备过程为：
51.步骤一：金刚石磨粒亲水化。选择体积相同，结构相似的金刚石磨粒，通过高温将金刚石氧化。氧化会让金刚石磨粒表面粗糙化，粗糙化的金刚石磨粒会表现为亲水性，所以称为金刚石磨粒的亲水化，氧化后的金刚石磨粒有很多优点，可以提高与基体的结合程度，增强磨削性能等等。
52.步骤二：磨削砂轮基体或基体上镀层疏水化。基体的采用激光加工，通过控制激光的不同参数，扫描基体表面，改变其表面的微尺度结构，从而达到良好的的疏水效果。疏水镀层的制作，通过化学改性的方法，将镍镀层与肉豆蔻酸充分结合，降低表面能的同时能截留空气，制备出具有耐磨性好，抗腐蚀能力好的疏水镀层。
53.步骤三：亲水磨粒和疏水层结合。采用电镀方式，有效的排布磨粒，使磨粒分布均匀，并且可以有效防止镍瘤的产生，制备流程如图9所示。
54.对于步骤一中的金刚石磨粒亲水化，包括：
55.通过筛选金刚石磨粒，使得金刚石磨粒体积相同、结构相似，有利于实现磨粒的可控以及排布。然后进行金刚石氧化。开始之前，需要对管式炉的气密性进行检测。然后将金刚石磨粒缓慢放入到管式炉中部。因为炉心位置的温度最高，温度随着距离炉心距离的增加而减小。将耐火炉塞安装上，封闭炉口，并且在炉尾部加上防止倒吸的装置，打开通气阀，通入的是99.99％的纯氮。因为表面氮化处理会加剧金刚石的氧化，氮气处理效率大于氧气、空气等气体，所以选择氮气为处理气体。控制防倒吸装置瓶中的气泡产生速率，控制在每秒钟1-2个。控制升温速率约为10℃/min。升温到指定温度。并且设定氧化的时间。指定温度为600℃以上，因为金刚石磨粒在600℃以上才可以有效氧化，且温度不易过高，过高会导致金刚石碳化。在高温氧化的过程中，氧化处理10min，金刚石磨粒接触角在20
°
左右，呈现亲水性。氧化处理20min，金刚石磨粒的接触角在5
°
，表现为超亲水性。
56.在其他可选的实施方式中，对于步骤二中的在基体外圆周面加工镀层形成疏水面包括：
57.第一步，对激光加工完后的砂轮基体用乙醇超声清洗，然后用氮气干燥。
58.第二步，在电镀前对基体进行预处理工艺：(1)脱脂；(2)水洗；(3)碱性蚀刻；(4)水洗；(5)化学抛光；(6)水洗；(7)浸锌一次；(8)水洗；(9)除锌；(10)水清洗；(11)双层浸锌；(12)水清洗。
59.(1)脱脂
60.(2)水洗
61.(3)碱性刻蚀(去油去蜡)
62.选用除蜡水或除蜡液，经过除蜡除油后，铝合金表面经过除蜡、除油后表面有一层垢膜和氧化膜层，这膜层必须要除去，可在碱溶液或酸溶液中去除，其中碱腐蚀可用如下配方:氢氧化钠(naoh)50g/l，时间0.5～1min，温度:50～60℃。也可以购买成品企业生产的专用碱腐蚀液。
63.(4)水洗
64.(5)化学抛光
65.有三种工艺都可以，第一种，硝酸(hno3)，氢氟酸(hf)＝3∶1，时间1～2min，温度为常温；第二种，硝酸(hno3)，750ml/l，氟化氢(nhhf》)120g/l，时间30s，温度为室温﹔第三种，硫酸100ml/l，双氧水50ml/l，时间15～60s,温度为室温。
66.(6)水洗
67.(7)第一次浸锌
68.浸锌液采用400～600ml/l的bh-123浸锌开缸剂，浸泡60～90s。
69.(8)水洗
70.(9)除锌
71.采用50％的硝酸除去
72.(10)水洗
73.(11)第二次浸锌
74.同样采用400～600ml/l的bh-123浸锌开缸剂，温度控制在18～25℃，浸泡30～60s。
75.(12)水洗
76.本次清洗过程在空气中暴露的时间不超过10s。
77.第三步，将砂轮基体进行预镀处理：预镀液的具体组成是：270～300g/l六水硫酸镍(niso4
·
6h2o),40～60g/l六水氯化镍(nicl2
·
6h2o),40～50g/l硼酸(h3bo3),0.1～0.2ml/l bh-963a半光镍添加剂，0.1～0.2ml/l bh-963b半光镍添加剂，1.5～2.5ml/l bh-半光镍润湿剂，在空气中搅拌，ph值控制在4.1～4.5，电流密度控制在2～5a/dm2，温度控制在50～55℃，电镀10min。在此电流密度下，阴极的铝合金表面的镍晶粒快速成核，从而使镀层致密。
78.第四步，将镀层疏水化：将预镀后的砂轮基体清洗干净，并进行干燥处理，刚电镀完的镍具有很高的活性，在肉豆蔻酸的作用下很容易氧化为-oh键，肉豆蔻酸分子将与这些产物连接并形成离子络合物，进一步降低表面能。镍层与肉豆蔻酸的结合，镀层区域充满了空气，被困住空气可以作为微型气垫阻止水与表面接触，使其具有良好的疏水特性。将干燥处理好的砂轮放入含有肉豆蔻酸的乙醇溶液中，其溶液的浓度为0.1～0.2mol/l。
79.在溶液中的时间在60min。取出后在烤箱干燥120min，温度控制在60℃。最终的镀层呈现出疏水性能良好。通过以上处理的疏水镀层具有良好的机械稳定性，耐磨性和抗腐蚀能力，满足基体对疏水层的需求。
80.对于步骤三中亲水磨粒与疏水层的结合，包括：
81.采用电镀的方法，磨粒以磨粒簇的形式按照错序排布方式排布电镀在砂轮基体上如图4所示，排布通过掩膜法实现，贴纸通过刻字刀或激光加工出所需贴纸图案，粘贴到基体上，通过结合剂将磨粒固定，再进行电镀加固。加工完成的砂轮如图2所示。错位排布时，各磨粒簇中心的坐标方程为
[0082][0083]
其中：rs为砂轮半径，rm为磨粒簇的半径，j为磨粒簇的列数。
[0084]
当fix(n/j)为奇数时，φ＝2
×
(n-1)
×
π/j；当fix(n/j)为偶数时，π/j；当fix(n/j)为偶数时，为磨粒错位角度。
[0085]
电镀液的具体组成是：450g/l氨基磺酸镍、40g/l硼酸、10g/l六水氯化镍、0.1g/lsds、亲水金刚石颗粒和beo组成。浴槽中beo(双(2-羟乙氧基)-2-丁烯)的浓度为0.1/l。将疏水基体或预镀处理完的基体清洗，干燥，将基体作为阴极放入电镀液中，阳极为纯镍板，除需要加工的表面外，其余表面均用环氧树脂覆盖，浴液的ph值调整为4.0，浴液温度保持在50℃，在电流密度为20ma/cm2的1.0l搅拌液中，以340rpm/min的转速电沉积1h。
[0086]
本实施例在微观上对仿生砂轮的基体进行设计，通过改变金刚石磨粒表面的微观组织使其由疏水性改为亲水性。通过激光加工基体表面或基体镀层的微观组织，使其具有类似荷叶表面的疏水性，磨粒采用错序排布的方式，错序排布的每个点都是亲水金刚石磨
粒组成的磨粒簇，可以使被加工工件14的表面质量更加稳定。磨粒通过高温氧化实现对沙漠甲虫背部凸起的仿生，通过亲水磨粒来凝聚冷却介质和具有自运输的超疏水基体的结合使砂轮在磨削加工中进一步降低磨削加工温度。
[0087]
如图5、图6和图7所示，超声振动工作台组件ⅰ包括夹具12、径向变幅机构和切向变幅机构，
[0088]
切向变幅机构一侧连接径向变幅机构，另一侧连接夹具12，径向变幅机构和切向变幅机构共同动作，驱动夹具12及其所夹持工件14共同形成二维振动，使仿生砂轮磨削位置与工件14之间相对运动。
[0089]
具体的，径向变幅机构包括依次连接的径向换能器2、径向变幅杆5和径向支座8，径向换能器2与径向变幅杆5相连，径向变幅杆5安装在径向支撑架33上，径向支撑架33为l型板件，径向支撑架33一端设置凹槽，径向变幅杆5卡入凹槽内，凹槽上方连接径向支撑架盖6，径向支撑架盖6通过径向支撑架盖螺钉4安装于径向支撑架33，从而约束径向变幅杆5。
[0090]
径向支撑架33另一端设置有通孔，径向支撑架33底部安装于底板34上的圆弧状的t型滑槽40，如图6所示，t型滑槽40轨迹的圆心与通孔轴线共线，从而使得径向支撑架33能够带动径向变幅机构绕其通孔的轴线转动，改变径向变幅机构与切向变幅机构的相对夹角。
[0091]
径向支撑架33对应t型滑槽40位置设置有径向支撑架螺栓32，径向支撑架螺栓32的头部滑动设置在t型滑槽40内，另一端穿过径向支撑架33后配合有径向支撑架螺母31，通过径向支撑架螺栓32沿t型滑槽40的移动，调整径向支撑架33的位置，同时在径向支撑架螺母31能够拧松或拧紧，从而解除对径向支撑架33的锁定或形成对径向支撑架33的锁定，使径向支撑架33能够按需调整状态。
[0092]
具体的，切向变幅机构包括依次连接的切向换能器25、切向变幅杆23和切向支座9，切向支座9通过预设通孔配合有转轴39。切向换能器25与切向变幅杆23相连，切向变幅杆23安装在切向支撑架28上，切向支撑架28为l型板件，切向支撑架28一端设置凹槽，切向变幅杆23卡入凹槽内，凹槽上方连接切向支撑架盖22，切向支撑架盖22通过切向支撑架盖螺钉21安装于切向支撑架28，从而约束切向变幅杆23。
[0093]
切向支撑架28通过切向支撑架固定螺钉2929固定在底板34上，转轴39一端探入切向支座9预设盲孔内并形成转动连接，以使径向支座8与切向支座9能够相对转动。
[0094]
如图7所示，转轴39远离切向支座9的一端抵接于底座37，切向变幅杆23连接于切向支撑架28，底座37通过底座固定螺钉19固定于切向支撑架28；径向变幅杆5连接于径向支撑架33，径向支撑架33通过其上设置的通孔转动套设在底座37外，以使径向变幅机构绕底座37轴线相对于切向变幅机构转动。
[0095]
其中，转轴39为截面呈t型的阶梯轴，转轴39配合切向支座9的一端设有滚珠，且该端环向设有转轴滑动滚珠41；转轴39抵接底座37的一端设有底座滑动滚珠38。以降低转轴39和切向支座9之间、转轴39与底座37之间相对转动的阻力；通过径向支座固定螺钉18锁定转轴39，使转轴39和径向支座8共同转动。
[0096]
如图5所示，径向换能器2输出端接入径向变幅杆5，二者连接位置设有径向变幅杆连接垫圈3，径向换能器2上设置有径向负极触点1和径向正极触点35，用于接入电源；径向变幅杆5连接径向支座8位置设有径向连接垫圈7。
[0097]
切向换能器25输出端通过连接螺栓36接入切向变幅杆23，二者连接位置设有切向变幅杆连接垫圈24，切向换能器25上设置有切向负极触点27和切向正极触点26，用于接入电源；切向变幅杆23连接切向支座9位置设有切向连接垫圈20。
[0098]
如图5所示，夹具12通过夹具固定螺钉13安装在测力仪10上，夹具12上设有定位槽，定位槽连接有切向定位件和径向定位件，切向定位件和径向定位件结合定位槽的两个相邻侧壁形成用于容纳工件14的夹持部，定位槽通过测力仪10连接于切向变幅机构，测力仪10通过测力仪固定螺钉11安装在切向变幅机构上。
[0099]
其中，切向定位件采用切向定位螺钉15，径向定位件采用径向定位螺钉17结合工件定位挡块16，切向定位件能够调整沿切向变幅杆23轴向上夹持部的尺寸，径向定位件能够调节垂直于切向变幅杆23轴向上夹持部的尺寸，从而适配不同尺寸的工件14。
[0100]
切向变幅机构和径向变幅机构分别安装于底板34，底板34布置在超声振动工作台组件ⅰ的工作台42上，底板34通过底板定位螺钉30固定在工作台上，磨削组件ⅱ架设在夹具12上并朝向工件14。
[0101]
如图1和图8所示，磨削组件ⅱ的润滑喷嘴48连接有磨削液输送管路45、压缩空气输送管路46，磨削液输送管路45接入冷却液源，压缩空气输送管路46接入压力气源。
[0102]
其中冷却液源可以采用冷却液储存箱结合冷却液泵的方式实现，压力气源可以采用气泵、压力气罐等。
[0103]
仿生砂轮外设有砂轮罩43，砂轮罩43外侧设有管路固定件47，压缩空气输送管路46、磨削液输送管路45分别固定在管路固定件47上。
[0104]
本实施例中，润滑喷嘴48为微量润滑的喷嘴，磨削液和压力空气共同输入润滑喷嘴48内，从而以喷雾的方式输出到磨削工作位置和仿生砂轮上。
[0105]
在工作时润滑喷嘴48喷出的磨削液，接触到仿生砂轮表面的时候会通过超疏水表面向亲水磨粒运输，优先在亲水磨粒簇处成滴，然后在动力头驱动仿生砂轮的旋转和重力的作用下脱落，参与冷却，未接触仿生砂轮表面的冷却介质直接参与冷却。超声振动工作台组件ⅰ改变磨粒的运动轨迹，是磨削表面更加均匀。
[0106]
实施例2
[0107]
本发明的另一典型实施方式中，如图1-图9所示，给出一种荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置的工作方法。
[0108]
利用如实施例1中荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置，包括以下步骤：
[0109]
工件14装夹于夹具12，工件14在径向变幅机构和切向变幅机构形成圆弧形轨迹的振动；
[0110]
仿生砂轮接入动力头，润滑喷嘴48喷射磨削液至仿生砂轮；
[0111]
仿生砂轮回转并接触工件14进行磨削，磨削液接触到仿生砂轮的疏水面时，通过疏水面向亲水磨粒运输，亲水磨粒上的磨削液在仿生砂轮回转和重力作用下脱落，参与磨削加工位置的润滑和冷却。
[0112]
调节径向变幅机构和切向变幅机构的工作参数，使工件14相对于仿生砂轮形成二维振动。
[0113]
基于基本的润湿性原理，冷却介质在砂轮上自运输分为冷却介质液滴凝结，冷却介质液滴生长，冷却介质液滴脱落三个过程。具体过程是冷却介质通过微量润滑的润滑喷
嘴48喷射到仿生砂轮表面，仿生砂轮表面上的亲水磨粒簇优先接触雾化冷却介质，冷却介质优先在磨粒簇上凝结成核，未接触到磨粒簇的冷却介质喷射在超疏水表面上，超疏水表面上没有较强的附着力，冷却介质会通过表面的细小沟槽自运输流向磨粒簇位置，加速磨粒簇处液滴生长，再在重力和仿生砂轮旋转的作用下脱落。通过亲水磨粒簇和疏水表面的组合方式，提高了冷却介质参与磨削加工的效率，冷却介质通过热交换方式吸收热量，降低磨削加工时温度，提高加工产品的质量。
[0114]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置，其特征在于，包括：磨削组件，包括仿生砂轮和润滑喷嘴，润滑喷嘴获取磨削液并喷射至仿生砂轮，仿生砂轮的基体的外圆周面为仿生荷叶的疏水面，基体的疏水面上设有仿沙漠甲虫的亲水磨粒；超声振动工作台组件，包括夹具、径向变幅机构和切向变幅机构，切向变幅机构一侧连接径向变幅机构，另一侧连接夹具，径向变幅机构和切向变幅机构共同动作，驱动夹具及其所夹持工件共同形成二维振动，使仿生砂轮磨削位置与工件之间相对运动。2.如权利要求1所述的荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置，其特征在于，所述径向变幅机构包括依次连接的轴向换能器、径向变幅杆和径向支座，切向变幅机构包括依次连接的切向换能器、切向变幅杆和切向支座，切向支座通过预设通孔配合有转轴，转轴一端探入切向支座预设盲孔内并形成转动连接，以使径向支座与切向支座能够相对转动。3.如权利要求2所述的荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置，其特征在于，所述转轴远离切向支座的一端抵接于底座，切向变幅杆连接于切向支撑架，底座固定于切向支撑架；径向变幅杆连接于径向支撑架，径向支撑架转动套设在底座外，以使径向变幅机构绕底座轴线相对于切向变幅机构转动。4.如权利要求1或2或3所述的荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置，其特征在于，所述夹具上设有定位槽，定位槽连接有切向定位件和径向定位件，切向定位件和径向定位件结合定位槽的两个相邻侧壁形成用于容纳工件的夹持部，定位槽通过测力仪连接于切向变幅机构。5.如权利要求4所述的荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置，其特征在于，所述切向变幅机构和径向变幅机构分别安装于底板，底板布置在超声振动工作台组件的工作台上，磨削组件架设在夹具上并朝向工件。6.如权利要求1所述的荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置，其特征在于，所述润滑喷嘴连接有磨削液输送管路、压缩空气输送管路，磨削液输送管路接入冷却液源，压缩空气输送管路接入压力气源。7.如权利要求6所述的荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置，其特征在于，所述仿生砂轮外设有砂轮罩，砂轮罩外侧设有管路固定件，压缩空气输送管路、磨削液输送管路分别固定在管路固定件上。8.如权利要求1所述的荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置，其特征在于，所述仿生砂轮的亲水磨粒通过电镀布置在基体的疏水面上，亲水磨粒以的形式按照错序排列的方式排布。9.一种如权利要求1-8中任一项所述荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置的工作方法，其特征在于，包括：工件装夹于夹具，工件在径向变幅机构和切向变幅机构形成圆弧形轨迹的振动；仿生砂轮接入动力头，润滑喷嘴喷射磨削液至仿生砂轮；仿生砂轮回转并接触工件进行磨削，磨削液接触到仿生砂轮的疏水面时，通过疏水面向亲水磨粒运输，亲水磨粒上的磨削液在仿生砂轮回转和重力作用下脱落，参与磨削加工位置的润滑和冷却。10.如权利要求9所述的荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置的工作方法，其特征在于，调节径向变幅机构和切向变幅机构的工作参数，使工件相对于仿生砂轮形成二维
振动。

技术总结
本发明提供一种荷叶-沙漠甲虫仿生砂轮超声振动磨削装置及方法，涉及磨削加工领域，针对目前磨削加工冷却效果差以及加工质量难以满足需求的问题，采用超声振动工作台组件驱动工件形成二维的圆弧运动，从而使磨削工作路径由单一直线运动变为在工件表面做圆弧运动，结合仿生砂轮对磨削液的自运输作用，保证仿生砂轮磨削的冷却效率和润滑效果，共同提高工件表面加工质量。面加工质量。面加工质量。


技术研发人员：郝嘉超 杨敏 孔明 李钟豪 李长河 李润泽 周宗明 张彦彬 张乃庆 丹巴塔
受保护的技术使用者：青岛理工大学
技术研发日：2023.08.17
技术公布日：2023/10/20