本发明涉及机加工，具体涉及一种立式超声拉床及其装配调试方法。
背景技术：
1、拉床作为一种常见的金属切削机床，可用于加工工件的内表面(如生成圆孔、方孔、花键孔等)和外表面(如平面、成形面、沟槽等)。拉床的基本工作原理是拉刀进行直线运动来切(拉)削待加工的工件的表面，以实现减材加工；且某些拉床的刀具可以在一次行程中对工件进行多层、多次地切削，因此，拉床一般具有较高的加工效率和加工精度，尤其适用于大批量的零件生产。然而，拉床在拉削加工过程中热力管理能量存在不足，这容易导致刀具磨损过快及切削变形等问题，极大的限制了拉床的加工性能。
2、随着技术的发展，超声辅助技术被广泛应用于机床加工领域，出现了专门的超声机床，顾名思义，超声机床就是一种可利用超声波振动能量进行精密加工的设备，其特别适合于加工硬脆性材料和难加工金属材料，例如在加工钛合金、高温合金、工程陶瓷、陶瓷基复合材料等材料方面显示出了显著的优势。超声机床通过高频振动，使得刀具与工件之间产生微幅冲击，有效降低切削力和切削温度，减少刀具磨损和毛刺，从而提高机床的整体加工精度和工件表面的加工质量。
3、尽管超声辅助技术的结合给机床加工带来了诸多优势，但拉削过程中的高负载也给相关器件带来了不利影响。超声辅助振动系统的核心部件主要包括超声变幅杆和压电致动器等。当进行高负载的拉削动作时，会显著地限制压电致动器及变幅杆的性能，甚至会烧坏压电致动器，从而降低拉床的加工精度和稳定性。因此，本技术新旨在提供一种立式超声拉床及其调试方法，能够满足高负载下稳定幅值的要求，避免损坏压电陶瓷，保证整个超声拉床的加工精度与加工效率。
技术实现思路
1、本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种立式超声拉床及其装配调试方法，该拉床及其调试方法能够确保压电陶瓷不受损害，同时提供稳定的输出幅值，显著提升加工的精度和效率。
2、本发明的技术方案是：
3、本发明首先提供了一种立式超声拉床，包括机床本体和超声辅助装置，所述超声辅助装置包括固定板，在固定板上设置有超声振动机构；所述超声振动机构包括超声振动变幅杆、圆筒、限位块、垫圈、垫片、压电致动器和超声电源；
4、所述超声振动变幅杆的中部设置有一圈台阶凸起，台阶凸起的两侧分别为输入端和输出端，超声振动变幅杆的输入端伸入圆筒内部，固定螺栓穿过所述台阶凸起和圆筒后与所述固定板固定连接；
5、所述台阶凸起与圆筒的连接处设置有限位块，所述限位块用于调节台阶凸起与圆筒端面之间的接触压力；
6、所述超声振动变幅杆的输入端与固定板之间设置有垫片；所述圆筒内部设置有压电致动器，所述压电致动器与超声电源相连，且压电致动器为环状，并套设在超声振动变幅杆输入端的外部；所述压电致动器与垫片之间设置有垫圈。
7、进一步的，机床本体包括底座、床身、丝杆、工作台、刀具卡装系统、拉刀和卡紧装置。在底座上设置有床身，所述丝杆的下端与底座连接，丝杆的一端与布置在床身内的电机连接，在丝杆上设置有工作台，当电机驱动丝杠旋转时时，可以带动工作台进行上下运动；所述工作台用于固定安装待加工的工件。
8、进一步的，在床身上设置有支架，支架上安装有刀具卡装系统；所述拉刀的上端与所述刀具卡装系统活动连接，拉刀的下端则穿过工作台后与下方的卡紧装置相连，所述超声辅助装置的一端与卡紧装置相连，超声辅助装置的另一端与所述底座相连。
9、进一步的，底座上设置有3套超声辅助装置，且3套超声辅助装置在底座上呈等边三角形排布。
10、进一步的，3套超声辅助装置中的超声振动变幅杆的轴心均位于等边三角形的顶点上。
11、进一步的，超声振动变幅杆的输出端与振动板相连，所述振动板与共振板相连，振动板将超声振动变幅杆的振动传递到共振板上，使共振板产生稳定的轴向振动。
12、进一步的，垫片为圆柱状，材料可采用黄铜，通过选择安装不同厚度的垫片来调整超声振动变幅杆与固定板之间的接触压力。
13、进一步的，垫圈的内径与超声振动变幅杆输入端的直径相适应，外径与垫片的外径相同，垫圈可采用橡胶与高锰钢的叠片式结构。
14、进一步的，垫圈、垫片与超声振动变幅杆输入端的长度总和与圆筒的长度相适应；优选的，在初始装配时，使垫圈、垫片与超声振动变幅杆输入端的长度之和与圆筒的长度保持相等，以便于后续对垫圈和垫片厚度的调节。
15、进一步的，限位块可以为螺母，在圆筒和超声振动变幅杆的台阶凸起上设置有与固定螺栓相配合的安装孔，固定螺栓依次穿过台阶凸起上的安装孔、限位块和圆筒上的安装孔后与固定板相连，限位块可在固定螺栓上旋转而改变位置，当限位块向远离固定板的方向移动时，限位块可以承接更多的超声振动变幅杆的压力，进而使超声振动变幅杆台阶凸起作用于圆筒上的压力减小。
16、进一步的，超声振动变幅杆为一维轴向振动变幅杆，输出端为超声振动变幅杆的振型波峰位置，输出端采用圆锥状以满足高弯矩刚度要求，并用于放大超声振动幅值与振动速度，超声振动变幅杆的台阶凸起处为超声振动变幅杆的振型节点，其振动幅值为0，以避免超声振动传递给机床，减少超声能量的损耗。
17、进一步的，压电致动器采用压电陶瓷，超声电源可将工业用电(220v)转化为超声频率电源，在超声电源的作用下，压电致动器将产生往复周期性振动，进而激励超声振动变幅杆产生振动。
18、本发明还针对前述的立式超声拉床提供了专门的调试方法，具体包括以下步骤：
19、s1、计算出压电致动器的临界应变值
20、在超声振动变幅杆输入端上设置应变监测系统，应变监测系统包括应变片、电荷放大器、数据采集与分析软件和计算机，将应变监测系统采集的应变记作εx，则根据以下公式进行计算：
21、σx＝eεx， (1)
22、其中σx为垂直截面的应力，e为弹性模量，由材料的物理属性确定(可直接查询得到或者通过测量实验得出，比如不锈钢的弹性模量为200gpa)；
23、fx＝σxa， (2)
24、其中fx为压电致动器的预紧力，a为压电致动器的截面面积，通过依次增加垫圈的厚度，从而调节压电致动器的预紧力，使预紧力依次增加，直到得到压电致动器烧坏时的临界应变值，记作εmax，同时也得到临界预紧力的值。
25、s2、初步装配调试
26、先按照标准的尺寸安装好超声振动机构，即垫圈、垫片与超声振动变幅杆输入端的长度之和与圆筒的长度相同，在超声振动变幅杆的输出端施加特定的压力载荷，并在垫圈、垫片、超声振动变幅杆的输入端的中心处布置应变片，测量得到的应变分别记为ε1，ε2，ε3，为避免压电致动器的预紧力过大，需要保证ε1，ε2，ε3的值均小于步骤s1中得出的εmax的值。
27、ε1，ε2，ε3的值可采用以下方式中的一种或多种来调节：
28、1)调节限位块的位置，将限位块向上调节，可以将压力载荷转移到固定螺栓上；降低超声振动变幅杆输入端的预紧力，从而降低对应的应变值；反之，则会增加对应的应变值；
29、2)降低垫片厚度时，会降低压电致动器、变幅杆、垫圈间的预紧力，从而降低对应的应变值；反之，则会增加预紧力，从而增加对应的应变值；
30、3)降低垫圈的厚度，会降低压电致动器、变幅杆、垫圈间的预紧力，从而降低对应的应变值；反之，则会增加预紧力，从而增加对应的应变值。
31、s3、测试
32、启动超声振动机构，通过多普勒激光测振仪，测量超声振动变幅杆输出端的振动幅值与频率，根据测量结果进行调整：
33、1)若振动幅值已满足预先设计的参数要求，则不需要调整；
34、2)若振动幅值不满足预先设计的参数要求，则通过调节限位块位置或者垫片的厚度，使得振动幅值满足设计要求。
35、进一步的，在步骤s3中，若振动幅值不满足预先设计的参数要求，且振动幅值低于目标振动幅值的20％，则首先将限位块向上移动，使得载荷向固定螺栓上转移，使得超声振动幅值不低于设计值的80％；再通过调节垫片的厚度，使得振动幅值满足设计要求。
36、本发明中调试的原理为：由于超声振动变幅杆的台阶凸起位于超声振动变幅杆振型的节点处，在压电致动器的激励下，其振动幅值非常小；调节台阶凸起与圆筒之间的限位块的位置可以调整超声振动变幅杆台阶凸起处与圆筒的接触压力，具体为：将限位块向上调节(远离圆筒的方向)可以将压力载荷转移到固定螺栓上，使得超声振动变幅杆对圆筒中垫片、垫圈和压电致动器的挤压力度减小。降低垫片的厚度，会降低压电致动器、超声振动变幅杆、垫圈间的预紧力，反之，会增加预紧力。降低垫圈的厚度，也会降低压电致动器、变幅杆、垫圈间的预紧力；反之，会增加预紧力。
37、与现有技术相比本发明的有益效果：本发明中的立式超声拉床可通过综合调节垫圈和垫片的厚度以及限位块的位置，避免压电致动器的预紧力过大导致压电致动器被烧坏，解决超声振动变幅杆与压电致动器连接处的压力过大，导致压电致动器激励的幅值与频率较小的难题。
1.一种立式超声拉床，包括机床本体，其特征在于，还包括超声辅助装置，所述超声辅助装置包括固定板，在固定板上设置有超声振动机构；
2.根据权利要求1所述的立式超声拉床，其特征在于：所述机床本体包括底座、床身、丝杆、工作台、刀具卡装系统、拉刀和卡紧装置，所述底座上设置有床身，所述丝杆的下端与底座连接，并与布置在床身内的电机连接，在丝杆上设置有工作台，电机驱动丝杠旋转进而带动工作台进行上下运动；所述床身上设置有支架，支架上安装有刀具卡装系统；所述拉刀的上端与刀具卡装系统活动连接，拉刀的下端穿过工作台后与卡紧装置相连，所述超声辅助装置的一端与卡紧装置相连，超声辅助装置的另一端与所述底座相连。
3.根据权利要求2所述的立式超声拉床，其特征在于：所述底座上设置有3套超声辅助装置，且3套超声辅助装置在底座上呈等边三角形排布。
4.根据权利要求3所述的立式超声拉床，其特征在于：所述超声辅助装置中的超声振动变幅杆的轴心均位于等边三角形的顶点上。
5.根据权利要求2所述的立式超声拉床，其特征在于：所述超声振动变幅杆的输出端与振动板相连，所述振动板与共振板相连，振动板将超声振动变幅杆的振动传递到共振板上，使共振板产生稳定的轴向振动。
6.根据权利要求1所述的立式超声拉床，其特征在于：所述垫片为圆柱状，通过选择安装不同厚度的垫片来调整超声振动变幅杆与固定板之间的接触压力；所述垫圈的内径与超声振动变幅杆输入端的直径相适应，外径与垫片的外径相同；所述垫圈、垫片与超声振动变幅杆输入端的长度总和与圆筒的长度相适应。
7.根据权利要求1所述的立式超声拉床，其特征在于：所述超声振动变幅杆为一维轴向振动变幅杆，输出端为超声振动变幅杆的振型波峰位置，输出端采用圆锥状以满足高弯矩刚度要求，并用于放大超声振动幅值与振动速度，超声振动变幅杆的台阶凸起处，为超声振动变幅杆的振型节点，其振动幅值为0，以避免超声振动传递给机床，减少超声能量损耗。
8.根据权利要求1所述的立式超声拉床，其特征在于：所述压电致动器采用压电陶瓷，在超声电源的作用下，压电致动器产生高频振动，激励超声振动变幅杆产生高频振动。
9.一种立式超声拉床的装配调试方法，所述立式超声拉床为权利要求1-8任一项所述的拉床，其特征在于，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的立式超声拉床的调试方法，其特征在于：在步骤s3中，若测量得到的振动幅值低于目标振动幅值的20％，首先将限位块向上移动，使得压力载荷向固定螺栓上转移，进而使超声振动幅值不低于设计值的80％；然后再通过调节垫片的厚度，使得振动幅值满足设计要求。
